采用三維檢測技術的火車輪檢測與維修

程宏釗，王培俊，潘璇，聶良兵

(西南交通大學機械工程學院，四川成都610031)

鐵路是我國交通運輸?shù)闹匾绞街唬俏覈煌ㄟ\輸發(fā)展的重要方向。在實際運用過程中，對機車車輛車輪的檢測、參數(shù)管理直接關系到鐵路運輸?shù)陌踩院徒?jīng)濟性。

機車車輛的車輪輪緣呈不規(guī)則的幾何形狀，其幾何狀態(tài)參數(shù)不僅影響列車運行的速度、平穩(wěn)度與安全性，還是車輪維修的主要依據(jù)。車輪的經(jīng)濟鏇修與精確檢測息息相關，實際應用中，車輪維修普遍存在過度鏇修的現(xiàn)象。車輪的精確測量比較復雜，傳統(tǒng)的檢測方法通常是基于車輪橫向廓形的二維測量，很難完全反應出車輪真實的磨損狀況，不僅導致車輪的維修復雜、耗時，還會造成車輪被大量的“過度”鏇修。如果一片車輪被“過度”鏇掉1 mm，則車輪價值直接被浪費105元。據(jù)不完全統(tǒng)計，2006年，武漢鐵路段因“過度”鏇修，浪費車輪價值3億［1］。

本文采用基于逆向工程的三維檢測技術，以參數(shù)化建模軟件Pro/E和逆向校核軟件Geomagic Qualify為平臺，對車輪的3D檢測與經(jīng)濟鏇修進行了較為深入的研究，實現(xiàn)了車輪全參數(shù)尺寸磨損量的定量化、精確化、可視化測量，較好的解決了車輪檢測與經(jīng)濟鏇修的難題。

1 車輪輪緣踏面表面信息獲取及處理［2］

首先，建立各目標類型車輪參數(shù)化模型庫。由于車輪種類繁多，本文以南車成都機車車輛廠待檢某類型火車車輪為例，對車輪進行3D檢測并確定鏇修方案。圖1為車輪3D檢測并確定鏇修方案的完整流程。

圖1 整體框架流程

本文采用韓國SOLUTIONIX RexcanⅢ1.4 M高端便攜式非接觸三維掃描儀獲取車輪表面信息。該掃描儀可對物體進行全方位精確掃描(掃描精度＜0.007 mm)，數(shù)據(jù)自動高精度拼接(拼接精度＜0.01 mm)。掃描過程中，由于車輪相對龐大，掃描儀器掃描拼接速度相對較慢。通過分析車輪幾何特征，確定只需掃描輪緣踏面以及輪輞內(nèi)外側的一部分，可以完全滿足檢測要求。車輪原始掃描3D數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 車輪原始掃描數(shù)據(jù)

為提高檢測效率與精度，需要對初始點云數(shù)據(jù)進行處理，包括去噪、補洞(因貼標記點留下)、去除輪輞內(nèi)部點云、點云精簡等技術操作。處理后的點云數(shù)據(jù)如圖3。

圖3 車輪處理后數(shù)據(jù)

2 提取特征數(shù)據(jù)建立標準車輪模型

車輪檢測只與踏面和輪輞各參數(shù)相關。為簡化和提高檢測效率，三維檢測的標準車輪模型只需包括車輪輪輞和踏面。

由于運行過程中的磨損變形，車輪經(jīng)常需要鏇修以保證其正常工作。因此，車輪的各參數(shù)尺寸是不斷變動的，不能直接建立其標準模型。在車輪實際維修中，車輪是按LM型(磨耗型)踏面測量并鏇修的。故在三維檢測中，標準車輪踏面必須是LM型。

2.1 特征參數(shù)提取

只需知道車輪直徑、輪輞內(nèi)徑，便可建立其標準模型。

a)確定標準車輪模型輪輞內(nèi)徑

車輪在運行中，輪輞內(nèi)側不受磨損，可直接取其特征點云(圖4)的擬合值為標準車輪模型輪輞內(nèi)徑值(本步驟在點云數(shù)據(jù)處理之前完成)。

圖4 輪輞內(nèi)徑特征點云

b)確定標準車輪模型輪緣厚度

圖5表示LM踏面A值(輪緣頂點到輪緣內(nèi)側距離)與輪緣厚度的關系［3］。而輪緣頂點在火車運行過程中不接觸鋼軌，因此，車輪在磨損前后，輪緣頂徑大小及A值基本保持不變。故理論上可通過輪緣頂徑最大值的位置到輪緣內(nèi)側的距離來確定輪緣厚度。

圖5 LM系列輪緣踏面外形

同時，實際維修中車輪是按輪緣厚度32、30、28、26四個等級的模板來鏇修的。這樣，只要比較距離輪緣內(nèi)側16、15、14三處截面特征點云擬合值大小即可。表1，可確定該車輪標準模型的輪緣厚度為30 mm。

表1 各截面特征點云半徑

表中：S—截面到輪緣內(nèi)側距離;R—截面特征點云擬合半徑

然而，在車輪3D檢測過程中發(fā)現(xiàn)：以上述分析獲得的車輪模型為檢測基準時，檢測結果顯示輪緣外側出現(xiàn)正偏差(該處基準模型比待檢車輪點云模型小)。這表明基準模型輪緣厚度過小，上述分析結果存在誤差。

經(jīng)過誤差分析及實驗研究確定，檢測基準車輪輪緣厚度統(tǒng)一采用該輪緣踏面類型下最大輪緣厚度值，輪緣頂徑取各截圓最大直徑值(相對于車輪直徑來說，該值的誤差影響很小)。

2.2 建立標準車輪模型

車輪踏面直接與鋼軌接觸，是車輪受磨損的主要部位。由于無法從車輪點云模型踏面上直接獲取標準車輪模型直徑，可通過前節(jié)確定的輪緣頂徑值，間接獲得標準車輪模型直徑值。

由圖5可發(fā)現(xiàn)，車輪直徑與輪緣頂徑存在關系，即(D1、D2見圖6)：

D1(車輪直徑)=D2(輪緣頂徑)－54

將獲取的車輪尺寸參數(shù)輸入車輪參數(shù)化模型庫，獲得標準車輪模型。

圖6 車輪踏面曲線形式

3 車輪三維檢測以及確定鏇修方案

將車輪磨損件模型與其標準件模型對齊，獲取3D偏差色譜圖及偏差值報告。結合車輪鏇修模板分析檢測結果，確定最優(yōu)鏇修方案。在保證輪緣厚度的前提下，降低車輪踏面鏇削量，以延長車輪使用壽命。

3.1 車輪三維檢測

根據(jù)3D偏差色譜圖(圖7)檢測報告，車輪損傷情況一目了然。可以得到輪緣磨損在2mm以內(nèi)，踏面磨耗在4 mm～5.5 mm 之間(最大 5.4mm)，輪輞寬度 135mm ～136mm變化;輪輞厚度在可修范圍，輪緣高度已超限等各尺寸參數(shù)檢測結果。

圖7 標準輪與磨損輪3D比較

3.2 確定車輪鏇修方案

車輪鏇修中最重要的是確定鏇修目標車輪的輪緣厚度、直徑以及輪輞寬度。車輪輪輞寬度在檢測中已確定。而車輪輪緣厚度與車輪直徑存在如下關系，輪緣厚度增加1 mm，輪輞厚度要減少 tanθ mm(θ為輪緣角，一般取70°)［4］。依據(jù)此關系式和檢測報告確定，車輪磨損件輪緣厚度在30 mm～31 mm，該磨損車輪應按輪緣厚度30 mm的模板鏇修，鏇修的目標車輪直徑(D1、D3見圖6)：

D3=D1(標準車輪直徑)－5.4(踏面最大磨耗)×2

3.3 檢驗鏇修方案

依照以上分析結果，建立鏇修的目標車輪模型，將其與磨損件模型對比分析。如圖8，可以看出，該輪按照此目標車輪鏇修，輪輞厚度損失最小的情況下，車輪輪緣及踏面損傷已全部清除，并且輪緣厚度方向還有一定余量。依據(jù)目前的鏇修模板，該鏇修方案最優(yōu)。但如果鏇修模板等級更多，該輪完全可以按更大的輪緣厚度模板來鏇修。

圖8 鏇修目標輪與磨損輪3D比較

受掃描裝置限制，本文沒有考慮同一輪對、轉向架甚至同一車車輪輪徑差引起的車輪鏇削量，也沒有考慮輪輞裂紋深度引起的車輪鏇削量。這些因素均影響車輪安全、經(jīng)濟鏇修，是進一步研究的目標。

4 結語

采用逆向工程三維檢測技術，對車輪進行3D全參數(shù)檢測，精確的反映車輪各尺寸參數(shù)的磨損程度，并根據(jù)檢測報告制定初步鏇修方案，最后在檢驗鏇修方案的同時對其進行優(yōu)化，制定出最佳鏇修方案，將車輪的檢測與維護統(tǒng)一起來，為車輪的精確檢測與經(jīng)濟鏇修提供了新的方法與思路。

［1］蔣芳政.對車輪鏇修時切削量選值得探討［J］.鐵道車輛，2006，44(12)：36-37.

［2］張衛(wèi)國，姜軍.基于逆向工程的齒輪磨損件無損檢測技術［J］.中國工程機械學報，2012，10(2)：232-236.

［3］TBT 449－2003，機車車輛車輪輪緣踏面外形［S］.

［4］徐偉明.車輪輪輞和輪緣厚度關系的探討［J］.鐵道車輛，2004，42(7)：41-42.

［5］成思源，謝韶旺.Geomagic Qualify三維檢測技術及應用［M］.北京：清華大學出版社，2011.