地鐵車輛輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)研究

陳 靜 禹建偉 譚志忠

(1.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，710014，西安;2.西安地鐵運(yùn)營(yíng)分公司，710018，西安;3.東莞諾麗電子科技有限公司，523050，東莞∥第一作者，講師)

地鐵車輛輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)能對(duì)運(yùn)行過程中的車輛輪對(duì)踏面狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障，做到故障定位和故障跟蹤;并及時(shí)向指定終端發(fā)出報(bào)警，在屏幕上顯示詳細(xì)的報(bào)警信息，從而有效預(yù)防安全風(fēng)險(xiǎn)，提高檢修效率和科學(xué)管理水平。

1 必要性分析

列車車輪踏面故障形態(tài)主要有擦傷和剝離兩種，是由于車輛緊急制動(dòng)時(shí)閘瓦抱死車輪或制動(dòng)系統(tǒng)緩解不良，使車輪在軌面上產(chǎn)生滑行而造成的。平輪會(huì)引起踏面局部范圍曲率半徑的變化。此外，列車運(yùn)行時(shí)車輪與鋼軌出現(xiàn)周期性沖擊，較大的沖擊荷載作用于車輛和軌道零部件上，會(huì)加速軸承等零部件的疲勞損傷，直接威脅行車安全。以西安地鐵2號(hào)線為例:2號(hào)線2011開通運(yùn)營(yíng)，一期工程配屬22組列車，采用B2型3動(dòng)3拖6節(jié)編組;截止2014年2月25日累計(jì)運(yùn)行5 106 490 km，列平均運(yùn)行232 113 km。其中因VVVF(變壓－變頻)與BECU(電子制動(dòng)控制單元)之間接口存在問題(VVVF與BECU之間無電制動(dòng)防滑反饋線)，導(dǎo)致多起擦輪(見表1)，增加了車輛日常運(yùn)營(yíng)結(jié)束后的人工檢查工作量。而人工檢查效率低且誤差大，不利于故障的發(fā)現(xiàn)。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理輪對(duì)踏面故障，是行車安全的一項(xiàng)重要任務(wù)。輪對(duì)踏面故障在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是地鐵運(yùn)營(yíng)管理現(xiàn)代化發(fā)展的需要。

表1 西安地鐵2號(hào)線2011—2014年度車輛輪對(duì)擦傷統(tǒng)計(jì)

2 檢測(cè)原理

本系統(tǒng)采用圖像與振動(dòng)兩種技術(shù)同時(shí)檢測(cè)車輪踏面擦傷，能定量檢測(cè)輪對(duì)的擦傷缺陷。

2.1 圖像測(cè)量

(1)檢測(cè)系統(tǒng)針對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)向架一側(cè)的前后兩輪各設(shè)置了4臺(tái)攝像機(jī)，依次追蹤拍攝輪對(duì)踏面，形成一個(gè)完整的圓周。前輪和后輪攝像機(jī)角度不同:前輪攝像機(jī)正對(duì)前進(jìn)方向，后輪攝像機(jī)與前進(jìn)方向相同。全套系統(tǒng)左右各8臺(tái)攝像機(jī)，共需要16臺(tái)攝像機(jī)完成全部輪對(duì)的圖像采集。每臺(tái)攝像機(jī)配有相應(yīng)的輔助照明燈箱，照明燈采用高亮度 LED(發(fā)光二極管)光源。踏面擦傷探測(cè)裝置圖如圖1所示。

圖1 踏面擦傷探測(cè)裝置圖

(2)系統(tǒng)采用攝像機(jī)拍攝踏面圖像，通過圖像識(shí)別，計(jì)算踏面擦傷、剝離掉塊等情況，精確測(cè)定踏面擦傷深度。根據(jù)目前車輛轉(zhuǎn)向架情況，前輪適合在前部拍攝，后輪適合在后部跟蹤拍攝。正對(duì)列車前進(jìn)方向一側(cè)的4臺(tái)攝像機(jī)用于拍攝1、2位轉(zhuǎn)向架前輪，每臺(tái)攝像機(jī)拍攝1張照片，拍攝輪對(duì)1/4踏面;另一側(cè)的4臺(tái)攝像機(jī)用于拍攝1、2位轉(zhuǎn)向架后輪，每臺(tái)拍攝輪對(duì)1/4踏面。

(3)攝像機(jī)安裝在機(jī)箱內(nèi)，機(jī)箱密閉。在攝像機(jī)鏡頭處安裝防塵防水玻璃;由電機(jī)驅(qū)動(dòng)開、關(guān)門裝置，攝像機(jī)拍攝時(shí)打開，拍攝完成后自動(dòng)關(guān)閉。

(4)檢測(cè)系統(tǒng)采用工控機(jī)內(nèi)置圖像采集卡的方式。1臺(tái)工控機(jī)可安裝4塊圖像采集卡，分別采集4臺(tái)攝像機(jī)圖像。

(5)結(jié)構(gòu)布置:鏡頭采用10 mm固定焦距，定光圈鏡頭;攝像機(jī)CCD(電荷耦合器件)尺寸為4.8 mm ×6.5 mm，采樣頻率 ＞60幀/s，快門速度 ＞1/10 000 s，數(shù)據(jù)線為1 394或cameralink線，采用外觸發(fā)方式采集圖像，圖像分辨率＞656×491。

檢測(cè)前輪擦傷的8臺(tái)攝像機(jī)(S1～S8)的平面布置如圖2 所示。由于S1、S2、S3、S4 和S5、S6、S7、S8是順序拍攝，系統(tǒng)將S1、S2、S3、S4用一臺(tái)工控機(jī)采集，S5、S6、S7、S8用另一臺(tái)工控機(jī)采集。同理，反向拍攝后輪時(shí)，也如此布置分配。

(6)圖像采集:檢測(cè)系統(tǒng)控制機(jī)通過串口向圖像采集工控機(jī)傳輸本次采集圖像的車次、輛位、輪位和順位信號(hào)，同時(shí)通過I/O卡發(fā)出外觸發(fā)命令;圖像采集工控機(jī)收到命令后，開始采集圖像。第一組圖像采集到內(nèi)存后，不做壓縮存貯，待8組圖像均采集到內(nèi)存后，先進(jìn)行圖像識(shí)別運(yùn)算，再進(jìn)行圖像壓縮和存貯。如果運(yùn)算后發(fā)現(xiàn)輪對(duì)故障，將對(duì)應(yīng)的故障圖片進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)記。轉(zhuǎn)向架后輪的圖像采集和前輪相同。采集的圖像經(jīng)過處理，可形成動(dòng)態(tài)圖像，在遠(yuǎn)程控制中心計(jì)算機(jī)上可直觀清晰地觀測(cè)到輪對(duì)踏面一周的擦傷、剝離等缺陷狀態(tài)。

圖2 前輪擦傷檢測(cè)攝像平面位置示意圖

2.2 振動(dòng)測(cè)量

(1)故障車輪與鋼軌的相互作用是一種沖擊激勵(lì)的過程，其振動(dòng)測(cè)試技術(shù)采用振動(dòng)傳感器滿足檢測(cè)使用要求。振動(dòng)沖擊測(cè)量是基于彈性波理論的信號(hào)測(cè)量手段，也是本檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架的基本原理:①利用振動(dòng)沖擊信號(hào)分析技術(shù)獲取車輪特征信息;②利用特征自相關(guān)分析技術(shù)進(jìn)行故障識(shí)別及車輪定位;③ 運(yùn)用自適應(yīng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)修正技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，左1、左2、左 3、右 1、右 2、右 3為振動(dòng)傳感器，W1、W2為車輪傳感器。傳感器布置如圖3所示。

(2)車輪踏面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)依靠振動(dòng)傳感器獲取平輪信息特征。采用的振動(dòng)傳感器為壓電式加速度傳感器，運(yùn)用內(nèi)藏電荷放大器和IPC(網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī))技術(shù)。為了便于信號(hào)的長(zhǎng)線傳輸，信號(hào)以電流方式調(diào)制在供電電源上。

(3)擦傷輪位判別:在2個(gè)傳感器之間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)檢測(cè)擦傷振動(dòng)機(jī)械波在鋼軌中的傳播速度為1 885 m/s，當(dāng)擦傷輪對(duì)的擦傷處打擊鋼軌時(shí)，在不同的位置產(chǎn)生不同的時(shí)間差。在2個(gè)傳感器之間的時(shí)間差為零，在傳感器安裝處的時(shí)間差為9 ms。可以根據(jù)時(shí)間差確定打擊位置，再由振動(dòng)傳感器的輪對(duì)通過時(shí)刻確定是哪個(gè)輪對(duì)位于該打擊位置，從而準(zhǔn)確判斷車輛擦傷輪位。

圖3 傳感器平面位置示意圖

2.3 擦傷深度計(jì)算

擦傷打擊機(jī)械能計(jì)算式為:

式中:

Ej——擦傷打擊機(jī)械能;

Ed——采集電能;

k——傳輸損失系數(shù)。

擦傷打擊機(jī)械能同打擊速度和輪重有關(guān)。采集電能與輸出電壓能量值的大小有關(guān)。打擊速度與擦傷深度和輪對(duì)速度有關(guān)。打擊速度與輪對(duì)速度的關(guān)系為:

式中:

r——輪對(duì)半徑;

vj——打擊速度，方向垂直向下;

vi——車輪運(yùn)行速度，水平方向;

x——擦傷長(zhǎng)度;

h——擦傷深度。

根據(jù)能量公式:

式中:

vd——輸出電壓能量值;

mj——輪重。

2.4 技術(shù)參數(shù)

(1)輪對(duì)外形尺寸檢測(cè)指標(biāo)(測(cè)量誤差):輪緣高度，±0.3 mm;輪緣厚度，±0.3 mm;輪對(duì)內(nèi)側(cè)距，±0.6 mm;車輪直徑，±0.6 mm;垂直磨耗，±0.6 mm。

(2)車輪擦傷檢測(cè)指標(biāo)(測(cè)量誤差):擦傷深度，±0.3 mm;擦傷面積，100 mm2。

(3)地面讀出設(shè)備檢測(cè)指標(biāo):工作溫度，－25～+70℃;工作濕度，95%(+40℃);供電方式，AC(220+22)V、50 Hz、＞100 VA;工作頻率，910.100 MHz、912.100 MHz、914.100 MHz;適應(yīng)車速，0 ～300 km/h(FM0編碼格式標(biāo)簽)。

3 結(jié)語

輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)采用圖像與振動(dòng)兩種方式對(duì)輪對(duì)踏面同時(shí)測(cè)量，具有檢測(cè)踏面擦傷、輪緣厚度、車輪直徑、輪對(duì)內(nèi)距、垂直磨耗、軸溫的功能。同時(shí)輔助加速度傳感器的振動(dòng)測(cè)量方式，可以確定踏面故障對(duì)軌道的沖擊荷載，評(píng)估故障對(duì)車輛運(yùn)用的影響。圖像與振動(dòng)兩種測(cè)量技術(shù)的同時(shí)使用，能準(zhǔn)確判斷出踏面故障的類型，觀測(cè)擦傷面積大小，減少檢修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使檢測(cè)的精度得到極大提高，避免了因人工測(cè)量誤差較大導(dǎo)致頻繁鏇輪等現(xiàn)象，給車輛預(yù)防性檢修提供科學(xué)依據(jù)，延長(zhǎng)車輛輪對(duì)的生命周期，有效提高了地鐵車輛運(yùn)營(yíng)品質(zhì)，為車輛預(yù)防性檢修提供了科學(xué)的分析數(shù)據(jù)。

［1］蘇曉舟，顧保南，孫世超.2013年中國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路統(tǒng)計(jì)和分析［J］.城市軌道交通研究，2014(1):1.

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