城軌車輛輪對尺寸在線動態檢測系統

李兆新 陳希雋 邢宗義 王曉浩

城軌車輛輪對尺寸在線動態檢測系統

李兆新 陳希雋 邢宗義 王曉浩

摘 要：提出了一種采用2D激光位移傳感器的輪對尺寸在線檢測系統。首先介紹了系統的結構，主要由磁鋼、車號識別系統、2D激光位移傳感器和工控機等組成，然后詳細描述了斜入射激光三角法的工作原理，以及輪緣高、輪緣厚及輪徑等輪對尺寸參數的測量原理，最后對系統進行了現場試驗，試驗結果表明該系統一致性優于人工測量，具有快速、準確且可靠等優點，滿足輪對測量與維修的需求。

關鍵詞：城軌車輛；輪對尺寸；激光位移傳感器；在線檢測

李兆新：廣州市地下鐵道總公司，工程師，廣東廣州 510335

0　引言

城軌列車車輪作為列車與軌道的結合部位，承載著來自整個列車的全部靜、動載荷，是走行系中極為重要的部件。在列車實際運行中，由于存在著線路養護條件差、輪軌外形及材質匹配不合理等原因，車輪踏面及輪緣會出現磨損，使車輪的幾何尺寸發生變化[1]。對車輪踏面外形變化的跟蹤監測有利于及時發現和排除由于車輪尺寸引起的列車運行安全隱患[2]。因此，針對車輪輪緣和輪徑等輪對尺寸在線檢測成為保障列車安全運行的重要基礎。

國外眾多研究機構較早進行了輪對尺寸在線檢測技術與系統的研究[3]，如：美國Loram公司于20世紀90年代中期研制出高、低速下的車輪自動檢測系統；日本20世紀90年代末研制出車輪踏面形狀自動檢測裝置，可以同時檢測輪對輪廓的參數，測量誤差小于±0.3 mm。國內部分研究機構也在近年開發了輪對尺寸在線檢測系統：成都主導科技公司研制的LY系列輪對動態檢測系統[4～5]，廣州復旦奧特公司研制的AUT-3500輪對尺寸在線監測系統[2, 6]均實現了輪對幾何參數的自動測量。上述系統主要采用光截圖像法[7]，當輪對通過測量裝置時，激光照射到待測輪對，用光電傳感器捕捉通過的輪對輪緣，同時用高速CCD（電荷耦合元件）攝影，對所攝影的圖像，經濾波和細化處理，抽出激光圖像的中心線，算出輪對尺寸，該方法結構復雜，容易受環境干擾，重復測量精度低。

本文提出了一種采用2D激光位移傳感器的城軌車輛輪對在線檢測系統，實現了輪緣高、輪緣厚及輪徑尺寸的自動測量，具有準確、快速、結構簡單、容易安裝等優點，能夠滿足城軌車輛輪對測量及維修的需要。

1　系統結構

1.1系統結構及安裝

本文提出的輪對尺寸在線檢測系統包括磁鋼、車號識別天線、2D激光位移傳感器和工控機等，其安裝布置如圖1所示。沿軌道外側安裝的磁鋼用于檢測車輛到達傳感器正上方的時刻，以觸發后續車號識別天線等硬件設備上電啟動并采集數據；車號識別天線用于檢測車輛的車號信息；每根軌道內、外側分別布置4個2D激光位移傳感器（R1～R4、L1～L4），對車輪踏面尺寸和輪對內側距進行測量。

2D激光位移傳感器與輪軌的相對位置關系如圖2所示，2根軌道旁的激光位移傳感器成鏡面對稱布置。右側的傳感器R4安裝于軌道外側，傳感器R1、R2和R3安裝于軌道的內側。當有列車通過時，傳感器R3和傳感器R4分別對車輪內、外踏面進行掃描，獲取完整的踏面尺寸信息；內側的3個傳感器R1、R2和R3測量記錄輪對直徑的尺寸信息。左側4個激光位移傳感器的工作原理與右側相似。對傳感器R2和傳感器L2的測量數據進行融合可獲得輪對內側距。

圖1　設備安裝布置圖

圖2　激光位移傳感器與輪軌位置關系示意圖

1.2系統功能及技術指標

系統安裝在車輛段運用庫內，車輛限速3 km/h。當列車低速通過該檢測系統時，系統能準確地檢測出車輪的輪緣高、輪緣厚、輪徑等輪對尺寸，其中輪緣高、輪緣厚的檢測精度達±0.2 mm，輪徑的檢測精度達±0.5 mm。該系統還具備以下功能。

（1）利用磁鋼及車號識別，對采集結果實現列車及輪對定位。

（2）對檢測出的輪對數據進行踏面輪廓重繪，并準確分析比較同軸、同一轉向架的輪徑，能計算同軸、同一轉向架的輪徑差及每個車輪的輪緣尺寸，對超過限制的測量參數進行報警。

（3）具有對檢測數據進行存儲、統計、歷史數據查詢功能，對檢測數據提供報表，繪制歷史曲線趨勢圖，并能進行實時的顯示、打印。

2　測量原理

2.1激光三角測量原理

輪對尺寸在線檢測系統采用激光三角法進行尺寸測量，由于激光位移傳感器安裝在軌旁，激光發射到車輪踏面會與踏面的法線形成一定的角度，因此，屬于斜入射激光三角法[8]，其原理如圖3所示，激光器1發出的光經會聚透鏡2聚焦后入射到被測物體表面3上，且和被測面3的法線方向成一定角度，物體移動或表面變化，導致入射光點沿入射光軸移動。接收透鏡4接收來自入射光點處的散射光，并將其成像在光點位置探測器5（CCD）的敏感面上[9]。為了提高精度，θ1和θ2必須滿足的Scheimpflug條件[10]為：

若光點的像在探測器敏感面上移x'，利用相似三角形的比例關系，則物體表面沿法線方向的移動距離：

圖3　斜射式三角測量原理圖

式（1）、式（2）中θ1為激光束光軸和被測面法線之間的夾角，θ2為接收透鏡光軸和被測面法線之間的夾角，θ3為探測器受光面和接收透鏡光軸之間的夾角，β為激光位移傳感器成像光學系統的橫向放大倍率，a為激光束光軸和接收透鏡光軸的交點到接收透鏡前主平面的距離，b為接收透鏡后主平面到成像面中心點的距離。

2.2輪緣尺寸測量原理

在輪對尺寸在線監測系統中，踏面輪廓線的繪制由2個激光位移傳感器實現，2個激光位移傳感器以一定角度和距離成鏡面對稱布置于軌道兩側（L4、R4），如圖4所示。車輪經過檢測系統時，激光位移傳感器以一定的采樣頻率對踏面輪廓進行掃描采集數據。由于激光位移傳感器相對于軌道的安裝位置及角度都是固定的，因此，可通過坐標變換及數據融合進行輪廓線的繪制。

圖5描述了坐標變換及數據融合過程，其中x(1)o(1)y(1)、x(2)o(2)y(2)為2個傳感器自身坐標，u(1)o(1)v(1)、u(2)o(2)v(2)為坐標變換之后的坐標系，將變換后兩坐標系中的數據點融合到同一坐標系中即可重構出車輪踏面的輪廓線，然后根據輪緣高及輪緣厚的定義即可容易計算獲得輪緣尺寸數據。

2.3輪對直徑測量原理

在輪對尺寸在線檢測系統中，輪徑的測量由位于軌道內側的3個激光位移傳感器（L1～L3、R1～R3）完成。傳感器安裝在半徑為R的圓周上，同步進行數據采集工作，如圖6所示。

在輪對直徑計算過程中，首先將3個傳感器探測得到的輪緣頂點坐標經坐標變換等操作重構到同一坐標系中，然后利用3點擬合圓法求得輪對的輪緣直徑，最后減去2倍的輪緣高即獲得輪對的滾動圓直徑。

圖4　輪緣尺寸測量示意圖

圖5　坐標變換示意圖

圖6　直徑測量原理示意圖

圖7　2014年7月24日某輪對10次靜態測量值

3　試驗

2014年5月25日至7月24日，在廣州市地下鐵道總公司赤沙車輛段進行了現場試驗，其中7月24日進行了靜態輪對試驗，針對同一輪對、同一位置進行10次重復測量試驗，輪緣高、輪緣厚和輪徑誤差均在±0.1 mm，如圖7所示。

2014年6月30日至7月9日，對5556車偶端A、B車的8個鏇修過的車輪進行在線動態測量，并同時進行人工測量，針對每個車輪均獲得了10組輪對尺寸數據。將10次人工測量值求平均作為標準值，同時將10次系統測量值也求平均作為系統測量值。經比較得出如下結論：針對輪緣高及輪緣厚尺寸，系統測量值與人工測量值之間的差值均值±0.2 mm范圍之內；針對輪徑參數，系統測量值與人工測量值之間的差值均值在±0.5 mm范圍之內，從而驗證了輪對尺寸在線測量系統的準確性。

為比較人工測量與系統測量的一致性，以輪緣厚為例，圖8給出了針對8個車輪人工測量最大值、最小值與系統測量最大值、最小值的比較，可見人工測量的最大值、最小值范圍大于系統測量的范圍，本文提出的輪對尺寸在線檢測系統的一致性優于人工測量。

圖8　輪緣厚的系統測量與人工測量的一致性比較

4　結論

本文提出了一種基于2D激光位移傳感器的城軌車輛輪對尺寸在線檢測系統，能夠實現輪緣高、輪緣厚及輪徑等輪對參數的自動在線測量，并能實現檢測數據的存儲與分析等功能。現場試驗證明，該系統測量精度完全滿足測量的誤差要求，且系統測量一致性優于人工測量。因此，本文提出的輪對尺寸在線檢測系統能夠取代現有的人工檢測，減輕測量勞動強度，降低維護成本，提高車輛運行安全性，具有巨大的市場推廣前景。

參考文獻

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責任編輯 冒一平

On-Line Dynamic Measuring System for Wheel Pairs of Rail Vehicles

Li Zhaoxin, Chen Xijun, Xing Zongyi, et al.

Abstract:This paper introduces the structure of the system mainly consists of position detection sensor, train identification system, 2D laser displacement sensors and industrial personal computer etc. The working principle of oblique incidence laser trigonometry, and the measuring principle for flange high, flange thickness, wheel diameter and parameters of wheel pairs are described. The system is tested on site and the test results has shown that the system is more consistent than the manual measurement, and has the advantages of fast, accurate and reliable, meeting the needs of wheelset measurement and maintenance.

Keywords:rail vehicle, parameters of wheel pairs, laser displacement sensor, on-line measuring

收稿日期2014-11-02

基金項目：國家863 計劃項目（2011AA110506）；廣州市產學研協同創新重大專項（2015035）資助

中圖分類號：U270.7