車輛輪對狀態(tài)在線檢測系統(tǒng)研究

陳 剛 任光勝

（重慶大學機械工程學院，400030，重慶∥第一作者，碩士研究生）

輪對裝置作為列車的重要組成部件，承受來自機車車輛的全部靜、動載荷，輪對踏面表面和近表面的磨損、擦傷、剝離、裂紋等缺陷是危及行車安全的重大因素。必須及時有效地對列車輪對狀態(tài)進行檢測，及時發(fā)現(xiàn)并更換超限輪對，以避免列車事故的發(fā)生［1］。傳統(tǒng)的定期檢修方式已不能滿足要求，迫切需要研制輪對踏面損傷及輪對幾何參數(shù)的動態(tài)檢測方法、技術和裝備，實現(xiàn)在列車運行時對輪對狀態(tài)的實時檢測。

1 輪對狀態(tài)在線檢測系統(tǒng)

車輪剖面如圖1所示。需要測量的輪對幾何參數(shù)主要有：輪緣厚度B、輪緣高度H、踏面圓周磨耗及擦傷、輪對內(nèi)側(cè)距T、車輪直徑D、輪輞寬度W 等。

圖1 車輪幾何參數(shù)

本系統(tǒng)由車號識別裝置、觸發(fā)系統(tǒng)、測速計數(shù)裝置、輪對磨耗尺寸檢測裝置、輪對踏面損傷探測裝置，以及中央控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理中心等組成（如圖2所示）。其中，RF為車號識別天線；K1、K2、K3為系統(tǒng)觸發(fā)開關，負責整個測量系統(tǒng)的啟動和關閉；S1～S10為激光傳感器，用于測速、車輪計數(shù)和輪對幾何參數(shù)的測量；C1、C2是CCD（電荷耦合器件）攝像機，用于捕捉車輪外形曲線；P1～P4為面激光發(fā)生器；W1～W4為位渦流傳感器；E1～E4為EMAT（電磁超聲換能器）探頭。

2 輪對磨耗尺寸檢測裝置

本系統(tǒng)采用CCD圖像測量技術和激光位移傳感器相結(jié)合的方式來對輪對磨耗狀態(tài)進行檢測。CCD圖像測量技術用于對輪對輪緣厚度、輪緣高度的測量和踏面線輪廓的非接觸動態(tài)檢測［2］。激光位移傳感器用于對輪對直徑、輪輞厚度和輪對內(nèi)側(cè)距的測量。

2.1 輪緣厚度、輪緣高度的測量

CCD圖像測量技術基本檢測原理如圖3所示。當W1、W2渦流傳感器檢測到車輪通過時，啟動現(xiàn)場檢測器件，軌道外側(cè)的激光光源沿輪心方向照射到車輪踏面和內(nèi)側(cè)面部分，形成從輪緣到車輪踏面的輪廓曲線，該曲線包含車輪踏面的外形尺寸信息；然后用與入射光方向成一定角度的CCD攝像機捕捉被照射的輪廓圖像，對捕捉到的圖像進行處理可得到如圖4所示的車輪外形輪廓曲線；通過與存于系統(tǒng)中的標準輪廓曲線比對，并經(jīng)圖像尺寸測量，可測出實際的輪緣厚度、輪緣高度，以及車輪踏面和輪緣的磨耗量［2］，如圖5所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 CCD圖像測量原理

圖4 車輪外形曲線

車輪磨耗計算公式為：

圖5 磨耗測量方法

式中：

HM——踏面磨耗；

LH——輪緣高度；

H——標準輪緣高度；

BM——輪緣磨耗；

B——標準輪緣厚度；

LB——輪緣厚度。

由于采用激光光源，在數(shù)字攝像機鏡頭前安裝帶通濾波片可有效避免陽光干擾，使檢測設備能在白天和夜晚都正常工作。

2.2 輪對直徑的測量

測量原理如圖6所示。當列車通過測量裝置時，S3～S6激光位移傳感器可連續(xù)測量出探頭距車輪踏面的距離，當 W3、W4檢測到車輪與其距離最小時，即檢測到A點，此時激光位移傳感器距車輪踏面的距離為L。圖中，O為車輪圓心，A為車輪與軌道的接觸點，E為激光測量線與AO延長線的交點，PB為激光位移傳感器的測量值L，S為激光位移傳感器和渦流傳感器的水平安裝距離，M為激光位移傳感器和鋼軌的垂直安裝距離。通過下式可算出車輪的半徑R：

因是采用雙激光位移傳感器測量方法，實際車輪半徑為R＝（R1＋R2）／2。

圖6 輪徑測量原理圖

2.3 輪輞寬度、輪對內(nèi)側(cè)距測量

當電渦流傳感器W3、W4檢測到車輪通過時，激光傳感器S7、S8可測量出傳感器與車輪外側(cè)的距離，S9、S10可測出傳感器與車輪內(nèi)側(cè)的距離，據(jù)此可計算出車輪的輪輞寬度、輪對內(nèi)側(cè)距［3］：

式中：

N1、N2——分別為輪對左右輪的輪輞寬度；

T——輪對內(nèi)側(cè)距；

L7～L10——分別為激光位移傳感器S7～S10的讀數(shù)值；

L7.9，L8.10，L9.10——分 別 為 S7 與 S9、S8 與S10、S9與S10之間的安裝距離。

3 踏面損傷檢測裝置

該裝置采用電磁超聲探傷技術，利用超聲表面波的脈沖反射原理實現(xiàn)對車輪踏面及近表面缺陷的動態(tài)檢測，檢測原理如圖7所示。在軌道一側(cè)將一對EMAT傳感器安裝到特制的軌道中，2個EMAT之間的距離不等于車輪踏面圓周長度一半的整數(shù)倍。當列車運行到EMAT探頭位置，車輪與探頭接觸的瞬間，EMAT在車輪踏面表面及近表面激發(fā)出電磁超聲表面波脈沖，所激發(fā)出的聲波束將沿踏面表面及近表面一定深度范圍內(nèi)傳播，從而形成對踏面表面及近表面的全覆蓋檢測。

圖7 EMAT探測原理

電磁超聲表面波沿車輪踏面及近表面雙向傳播。當超聲波傳播1周回到探頭位置時，EMAT探頭檢測到返回的超聲表面波后形成第1次周期回波（圖8（a）中RT波）；未衰減的超聲波繼續(xù)沿踏面?zhèn)鞑ィ来涡纬傻?次、第3次周期回波，直到能量衰減到設備無法檢測到為止［4］。

當車輪踏面表面及近表面有裂紋或剝離等缺陷時，超聲波在缺陷端面處的一部分能量被反射，沿原傳播路徑返回并被探頭檢測到，形成缺陷回波（圖8（b）中E波）；另一部分能量繞過缺陷端面繼續(xù)傳播，形成周期性回波（圖8（b）中RT波）。通過正常的周期回波（RT）與缺陷回波（E）的對比分析，就能探測出輪對踏面表面及近表面一定深度范圍內(nèi)的缺陷［5］。

圖8 波形檢測結(jié)果

4 系統(tǒng)檢測精度

本系統(tǒng)的設計精度為：車輪直徑＜±0.3mm；圓周磨耗＜±0.2mm；輪緣厚度＜±0.2mm；輪輞寬度＜±1mm；內(nèi)側(cè)距＜±1mm；能探測出車輪踏面及近表面寬10mm、深3mm內(nèi)的擦傷和裂紋。系統(tǒng)檢測精度滿足車輪檢修要求。

5 結(jié)語

本文提出了列車運行時對輪對狀態(tài)的在線動態(tài)檢測方法，實現(xiàn)了列車入庫時對車輪直徑、輪緣厚度、輪緣高度、輪對內(nèi)側(cè)距等幾何參數(shù)的在線動態(tài)測量，同時可對車輪踏面表面及近表面缺陷進行檢測，精確定位缺陷的位置，滿足對輪對的測量需求。檢測結(jié)果可為車輛維修基地是否對輪對進行鏇切提供數(shù)據(jù)支撐。

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