淺析地鐵車輪檢測技術

張春城　劉亮

摘 要：地鐵車輛在運行中存在著車輪與鋼軌之間力的傳遞（牽引力、制動力、離心力），造成車輪踏面的摩擦產生損耗，對車輛的安全性、乘坐的舒適性和運行平穩(wěn)性影響很大，為確保地鐵交通的平穩(wěn)有序，關于軌道和車輪等基礎設施的研究就顯得尤為重要。階梯式標準輪對是大型車輪鏇床的標準件，車輪鏇床用來對工作輪對進行鏇修工作，階梯式標準輪對參數的準確與否關系到車輪鏇修結果，車輪直徑是其中最重要的參數。本文介紹了一種高精度地鐵車輪直徑檢測裝置，實現對車輪直徑直接測量，避免人為因素，兼容測量量程和測量精度，符合車輪參數的分析和車輪鏇修的需求。

關鍵詞：車輪；階梯式標準輪對；鏇修；直徑

中圖分類號：U279 文獻標志碼：A

0 概述

軌道交通作為一種方便快捷的出行方式，在日益繁忙的城市交通網絡中正占據著越來越重要的地位。目前，針對車輪的參數檢測主要包括：輪對尺寸、車輪踏面外形、踏面缺陷和內部探傷。國內在地鐵車輛維修中對大部分輪對參數的檢測還停留在手工階段，在實際測量中工作量大、效率低，同時不可避免存在人為因素干擾，直接影響了測量的準確性，這些都會對車輪鏇修和車輪參數的分析產生很大的影響。

本文介紹一種高精度地鐵車輪直徑檢測裝置，實現對車輪直徑直接測量，避免人為因素，兼容測量量程和測量精度，符合車輪參數的分析和車輪鏇修的需求。

1 輪徑檢測裝置的結構及原理

對于輪直徑測量，要求直徑的測量范圍為500mm～900 mm，測量準確度要求為0.005mm。若根據間接測量的方法，測量的準確度不滿足要求。為了保證準確度采用直接測量方法。根據測量要求，設計高精度輪徑測量裝置，該輪徑測量裝置包括滑動測頭、光柵尺、基座、直線導軌、方管、V型鐵、基架和固定測頭等。

由于測量的量程比較大，采用直接測量必須對其分段測量，否則不滿足精度要求。利用大數小數分開的測量原則，將直徑的測量分為500mm～600mm、600mm～700mm、700mm～800mm、800mm～900mm四段，選用量程為100mm、分辨率為0.0005mm的光柵尺。設定測量的基準，將四段測量的初值分別設定在500mm、600mm、700mm、800mm并分別用量棒對其校準。基架由鋁合金型材組成，可擰動鋁合金型材之間的連接角碼，可方便拆裝相對移動，方管相對基架保持固定。測量時將基架調整至合適的位置進行標定。V型鐵在測量時可架設于車輪之上，被用于縱向定位。電磁鐵可吸附于車輪側面，被用于側向定位。

基座包括光柵尺、墊板、直線導軌、直線軸承、套筒、固定座和測頭等。直線導軌與基座底板固定，套筒通過固定座固定于直線軸承上，直線軸承通過螺栓固定于套筒之中，測頭上套有彈簧，測頭可在直線導軌內滑動，測頭尾部帶動光柵尺副尺移動。在標定時，測頭相對于直線導軌固定，固定座可沿直線導軌滑動，將標準量棒放置于固定測頭和滑動測頭之間，固定座會沿直線導軌一定位置定標。在測量時，測量是在定標完成之后，固定座相對于直線導軌固定，滑動測頭在受到車輪踏面擠壓時，測頭上彈簧會變形，滑動測頭在直線導軌中滑動到一定位置，測頭會同時帶動光柵尺副尺同時移動。這就是大數小數測量原則，此時光柵尺的示數即為測量的小數部分，量棒的規(guī)格即為測量的大數部分。輔助測頭、測頭與車輪可以三點接觸，保證測量的可靠性。

對于車輪直徑采用直接測量的必須是車輪最長的弦，否則將會影響測量的結果。所以在設計輪直徑測量裝置時可將兩端的測頭一端固定，另一端滑動測頭可沿輪緣踏面擺動，將測頭沿車輪踏面擺動。方管包括滑座、滾珠絲桿、聯(lián)軸器和電機固定板。步進電機通過聯(lián)軸器與滾珠絲桿連接，滾珠絲桿的螺母與滑座連接，滑座可在鋁合金方管內滑動，滑座與基座底板固定，測量時可帶動基座上下移動。

在標定時，步進電機驅動滾珠絲桿，將基座升起，將滑動測頭移至與固定在同一中心線，量棒兩端與測頭中心相接觸，可方便量棒標定。測量時，基座同測頭、光柵尺、直線導軌由步進電機驅動沿方管上下移動，在上下移動過程中，滑動測頭在彈簧作用下，測頭始終與車輪踏面緊密接觸。由于車輪踏面的外輪廓會對滑動測頭產生壓力，隨著滑動測頭的上下掃描，由于車輪踏面輪廓的變化，滑動測頭也會在直線軸承內帶動光柵尺移動。在滑動測頭動態(tài)擺動掃描的過程中，測量光柵尺實時輸出測頭掃過輪緣各點的弦長，其中最大值即為車輪輪徑。

在測頭沿曲線擺動掃描的過程中，測量光柵尺會測出測頭掃過的每點長度，將測量光柵尺采集的所有弦長值發(fā)送給PC機，PC機保存并顯示所有測量數據，并對比前后數據，找到其拐點即為車輪輪徑。

為保證測量的可靠性，利用三點接觸，固定測頭和滑動測頭與車輪點接觸，輔助測頭緊靠車輪踏面。避免人為因素的影響，測量過程中，調節(jié)“V”型鐵高度架設于車輪之上，電磁鐵吸附在車輪內側面，步進電機驅動測頭上下擺動完成測量。

2 輪徑檢測裝置標定測量過程

（1）根據車輪大小，將基架移動到合適位置并固定，選用500mm、600mm、700mm、800mm中合適的標準量棒，步進電機基座使滑動測頭與固定測頭在同一直線，移動直線導軌，標準量棒固定于固定測頭和滑動測頭之間，標定長度即為標準量棒的長度。

（2）調節(jié)“V”型鐵高度架設于車輪之上，電磁鐵吸附在車輪內側面，固定測頭緊靠一側的車輪踏面，滑動測頭和輔助測頭緊靠另一側車輪踏面，滑動測頭壓縮彈簧帶動光柵尺副尺向后移動。

（3）方管中步進電機勻速驅動基座沿車輪踏面上下移動，滑動測頭在車輪踏面上擺動掃描，在彈簧力和車輪踏面的壓力作用下，滑動測頭會前后移動，測量光柵尺輸出一系列數據到PC機，其中最大值拐點即為車輪直徑。

3 實驗

已知直徑為753.905mm標準車輪輪對為被檢測車輪，利用700mm的標準量棒對檢測裝置標定，標定后將輪徑檢測裝置架設于被檢測車輪上，步進電機驅動基座沿滑動測頭和固定測頭的中心線上下移動20mm，當測頭掃描車輪踏面采樣出各點的弦長，其中最大的弦長53.904mm即為直徑，被檢車輪直徑為753.904mm。該輪徑測量裝置兼容測量量程和測量精度，符合車輪參數的分析和車輪鏇修的需求。在地鐵輪對直徑測試中，從機械系統(tǒng)到實驗現場測試各個環(huán)節(jié)都影響測量的結果，其中誤差主要包括以下幾個方面的來源。

（1）制造誤差：機械零部件加工會對測量裝置精度有很大影響，機械零部件加工精度會帶來系統(tǒng)誤差

（2）機械裝配誤差：在輪徑測量裝置機械結構中，機械零部件裝配精度也會帶來系統(tǒng)誤差。機械結構裝配精度如測頭與軸套的裝配精度、輪徑測量裝置鋁合金型材的支撐支架安裝精度都會引入誤差

（3）實驗測試過程中也會引入誤差，比如在標定過程中會產生誤差，采樣頻率也會引入系統(tǒng)系統(tǒng)誤差，在保證采樣性能的情況下，可適當提高采樣頻率。

結語

本課題給出了階梯式標準輪對的直徑測量方案，通過設計的高精度輪直徑測量裝置，進一步提高車輪輪對輪直徑的測量效率和精度，減小人為檢測的誤差，為車輪的鏇修提供理論依據。

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