地鐵車輛輪對尺寸在線檢測應用探討

俞太亮

（無錫地鐵集團有限公司運營分公司車輛部 江蘇無錫）

一、前言

基于設備可靠性、預防性維修機制逐步把定期維修轉變為診斷性維修。鐵路系統為適應車輛發展的要求，確保車輛運行的安全、可靠性，建立了車輛全面安全防范、預警系統，即“5T”系統，內容包括①紅外線配套車號智能跟蹤系統（THDS）；②車輛運行狀態地面安全監測系統（TPDS）；③車輛滾動軸承早期故障軌邊聲學診斷系統（TADS）；④車輛運行故障動態圖像檢測系統（TFDS）；⑤車輛運行安全監控系統（TCDS）。

軌道交通車輛在線檢測系統能夠實現對車輛故障的預警、預控，是提高運營安全可靠度和車輛檢修質量的一種有效手段。系統通常包括的檢測項目有輪對尺寸、輪對踏面缺陷、受流器/受電弓、車號識別等。而輪對組件作為車輛走行部最重要的部位，其技術狀態直接影響行車安全，對其進行技術狀態的實時檢測尤為必要。

二、系統概述

目前，輪對尺寸在線檢測技術主要有光截圖像法、激光位移測距法和自動視覺測量法。光截圖像法采用線狀激光作為投射光源，面陣CCD（Charge-coupled Device，CCD。電荷耦合元件）相機作為采集設備，利用激光三角測量技術，實現物體的二維尺寸測量。測量完畢后與標準曲線對比，從而實現各參數的最終檢測。光截圖像法適用于車輛靜態及低速運行狀態的技術檢測。

圖1 光截圖像法原理圖

國內外采用光截圖像法對出入庫車輛（低速運行）輪對尺寸進行在線檢測的有成都主導、哈爾濱威克、美國BEENA、瑞士ELAG等。

激光位移測距法采用激光位移三角測量技術，通過激光位移連續掃描，得到相對于傳感器的踏面位置輪廓曲線，以此計算輪對外形尺寸。激光位移測距法的技術特點是適用于車輛中高速運行狀態的技術檢測。

圖2 激光位移測距法原理圖

國內采用激光位移測距法對車輛輪對尺寸進行在線檢測的有廣州復旦奧特等。

自動視覺測量法采用視頻成像及圖像識別技術實現輪對尺寸的檢測，國內外采用自動視覺測量法對車輛輪對尺寸進行在線檢測的有北京新聯鐵公司、Lynx公司等。

三、功能實現

1.檢測指標

輪對尺寸在線檢測系統主要檢測指標有輪緣高度、輪緣厚度、輪對內側距、車輪直徑、QR、踏面磨耗、同一軸上的最大輪徑差、同一轉向架上的最大輪徑差和同一節車的最大輪徑差等。

2.檢測方法

（1）激光位移測距法。基于光電位置敏感探測器（PSD）的激光位移三角測量技術，PSD設有兩路光電流輸出，當光點照射到其接收表面上時，器件的兩路電信號輸出與光點在 PSD上的位置有關，兩路信號經處理后就可以唯一地確定PSD上像點的位置，從而反推出物體被激光照射點到成像透鏡前主面的距離。

輪緣高、輪緣厚度測量：傳感器以一定角度和距離布置于軌的兩側，車輛運行通過，激光位移傳感器將對車輪端面掃描，原始波形是與安裝角度有關的斜剖面圖，由于傳感器相對于軌的安裝位置是固定的，在得出車輛運行速度后，通過幾何運算，可以得到二維的車輪外形圖，即可分別計算輪緣高度和輪緣厚度。

輪對內側距、輪徑測量：在鋼軌外側安裝兩只激光位移傳感器，設置一定的安裝角度，分別掃描出輪緣及踏面的端面后，以厚度測量為基礎，確定滾動圓，在速度已知的條件下，可得到弦長，而兩激光束相對于軌面高度是確定的，通過幾何運算可得車輪直徑。

（2）光截圖像法。細帶狀光源照明系統沿踏面法線方向照射在車輪表面形成從輪緣到踏面的光截曲線，反映車輪外形尺寸的截面。軌道外側與光入射面成一定夾角的高速面陣CCD攝像機拍攝光源在車輪上形成的光截曲線，經過圖像實時采集、處理，得到單像素的畸變（由CCD的斜向拍攝引起）車輪外形曲線，再經圖像校正還原出非畸變的外形曲線，最后經系統定標得到真實的車輪外形曲線——車輪磨耗曲線。通過將檢測的車輪外曲線與標準曲線比較就能得到輪緣磨耗和踏面磨耗，再通過車輪外形關鍵尺寸間的關系獲得輪緣高度、厚度、輪徑等外形尺寸。為了更合理地反映車輪外形尺寸，對同一個車輪重復使用3套相同的光截圖像測量系統，分別獲取車輪圓周上3點（近似等間距分布）的測量值以提高檢測精度。另外對同一車輪進行3點測量還能檢測出車輪的不圓度。

輪對內側距測量：軌道內側安裝兩只相同型號的激光傳感器，車輛通過時分別檢測傳感器距兩個輪內側面的距離d1，d2，輪對內距D與激光傳感器的測量值d1，d2及兩傳感器端面距離L有以下關系D=L+（d1+d2），L是恒定值，輪對內距的測量轉化為激光傳感器到輪內側面距離的測量。由圖3可以看出輪對的橫向竄動不影響輪對內距的測量值。

圖3 輪對內側距測量原理圖

四、安裝要求

1.安裝方式

（1）獨立安裝。設備整體支架固定在深埋的水泥樁上，支架與鋼軌、軌枕均不接觸，傳感器受輪軌沖擊小，但會引起傳感器與輪對的相對位置不固定。

（2）道床基礎安裝。設備均安裝于道床的整體沉箱內（類似于整體道床），傳感器受沖擊小，但現場施工、維護難度較大。

（3）卡軌安裝。設備安裝于卡在鋼軌的結構平臺上，此安裝方式被測對象與傳感器相對位移小，但傳感器受沖擊大。

2.環境影響

雨、雪、霧、振動等因素對設備檢測精度影響大，避免安裝在露天或在碎石道床區，最好安裝在庫棚內或隧道內且在整體道床區域。

五、應用情況

國外車輛輪對尺寸在線檢測技術發展較成熟，應用較多。目前國內各城市地鐵開始陸續嘗試裝備車輛在線檢測系統（局部功能），并在車輛故障預防方面起到了明顯效果，但遠遠不夠。各地鐵單位在選擇應用時，有的只在出入庫段線安裝了此部分單項檢測設備，或只在正線區間某一個點安裝了部分單項檢測設備，檢測系統功能全面應用性還不夠，裝設的檢測點偏少。

車輛輪對尺寸在線檢測系統的應用意義在于車輛故障狀態預警及狀態趨勢分析，作為車輛輪對作業的重要裝備，在應用中可以研究輪對尺寸在線檢測系統和不落輪鏇床之間的配合應用，充分發揮各自優勢，提高作業效率。

六、結束語

車輛輪對尺寸在線檢測裝置的核心設備都是高精密零部件，有的裝載在車輛上，有的裝設在軌道兩旁，有的甚至裝設在露天、野外道床旁，受車輛振動、軌道狀態影響較大，裝置投入使用后定期及時的調校、保養工作很重要，這一點不可忽視。隨著各城市地鐵新線陸續開通，車輛保有量不斷增加。隨著車輛使用年數的增加，車輛故障率也會不斷增高，車輛狀態的檢測全部靠人工來檢測，效率低、成本高、質量難以控制。車輛在線檢測系統的應用是車輛檢修現代化發展的一種趨勢，為了更好的了解及掌握車輛在線檢測技術的應用，建議各城市地鐵單位盡快建立車輛在線檢測方面的技術聯盟。另外，車輛在線檢測系統的應用也不單單局限于輪對尺寸、輪對踏面缺陷、受流器/受電弓、軸溫、車號識別系統等其中的某一項，應從綜合檢測方面考慮。檢測涵蓋范圍更廣又基于無線網絡的實時檢測系統是未來發展方向，這方面的技術應用信息應不斷跟蹤、研究。

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2 陳剛.車輛輪對狀態在線檢測研究[J].城市軌道交通研究，2012，15(10)：79-81

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4 李曉彤.幾何光學.像差.光學設計[M].浙江：浙江大學出版社，2007.12-01

5 張劍清.攝影測量學[M].武漢：武漢大學出版社，2003.06

6 夏才初.地下工程測試理論與監測技術[M].上海：同濟大學出版社，1999.08