基于激光傳感器的輪對尺寸測量方法

史一露，陳雅婧，賈竹君，王貴，邢宗義

(南京理工大學 自動化學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，城軌列車成為我國許多城市的重要公共交通工具。列車車輪作為列車與軌道的耦合部位，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。在列車運行過程中，輪對不斷與鋼軌的表面和內側發生摩擦，導致輪對磨損，使其尺寸發生變化[1]。輪對尺寸的變化會影響列車的安全運行甚至會引起脫軌等事故，因此對輪對尺寸進行實時監測以確保列車在安全狀態下運行十分必要[2-4]。

目前，在輪對檢測方面，主要有接觸式測量和非接觸式測量兩種方式[5]。接觸式測量不僅存在人為誤差而且工作量大、效率低、可靠性差。隨著激光測量技術、圖像處理技術的發展，出現了一批在線非接觸式測量技術和裝置。如Danneskiold-Samsoe U[6]等提出了基于激光掃描儀和照相機的測量系統，實現了車輪輪廓磨損、表面缺陷及車輪不圓度的檢測。如美國LORAM公司90年代研制的車輪自動檢測系統(AWIS)利用了光截圖像測量法[7]，該方法通過高速面陣CCD攝像機獲取激光源照射在車輪表面上形成的光截曲線，再通過圖像處理獲取車輪的輪廓曲線，實現車輪外形關鍵尺寸參數的非接觸式測量[8-11]。但該方法存在結構復雜、穩定性差和檢測精度低等問題。

本文提出了一種基于激光位移傳感器的輪對尺寸在線檢測方法?？蓪崿F輪緣高、輪緣厚和車輪直徑的自動測量，具有準確、穩定、結構簡易等優點，能夠滿足城軌車輛輪對測量及維修的需要。

1 車輪外形及檢測裝置

1.1 車輪外形尺寸

列車車輪外形輪廓線[12]為車輪圓心垂向的表面曲線，如圖1所示。車輪滾壓在鋼軌上的接觸部分稱為踏面，車輪踏面內側有一沿圓周突起的凸緣稱為輪緣，距離內側面70mm處的踏面點稱為踏面基點，踏面基點對應的車輪直徑值定義為該車輪的直徑，即輪徑；基點到輪緣最高點的高度差定義為輪緣高，內側面到比基點高出10mm所對應橫向距離定義為輪緣厚。

圖1 車輪輪廓線示意圖

1.2 系統結構

本文提出的輪對尺寸在線檢測裝置與輪軌的布局如圖2所示。激光發射裝置S1、S2安裝在軌道內側，激光接收裝置R1、R2安裝在軌道外側同一豎直面上，1D、2D激光位移傳感器分別安裝在軌道內側與外側。當有列車通過時，1D、2D激光位移傳感器對車輪踏面進行掃描，獲取完整的踏面輪廓數據，并求取輪緣高和輪緣厚；激光對射傳感器獲取車輪經過時的時間序列，從而得到輪緣頂點圓弦長，求得輪緣頂點圓直徑，最終計算出車輪直徑。

圖2 裝置安裝布置圖

2 輪對尺寸檢測算法

輪對尺寸測量及數據處理流程如圖3所示。其流程為：1) 傳感器采集數據；2) 對數據進行預處理，包括數據分組和數據濾波；3) 進行坐標變換和數據融合，計算輪緣參數；4) 計算車輪直徑。

圖3 算法流程圖

2.1 輪緣參數測量原理

在輪對尺寸測量中，踏面輪廓線由圖2中2D激光位移傳感器和1D激光位移傳感器繪制。2D激光位移傳感器和1D激光位移傳感器同時探測車輪，得到兩組探測點坐標后，通過數據預處理、坐標變換、坐標平移將兩組探測點坐標融合到同一坐標系上，融合后的點即是踏面輪廓線上的離散點。根據踏面輪廓離散點求取每個采樣時刻的輪緣高和輪緣厚，對求取的多次輪緣參數除去最大值和最小值后求取平均值作為該次測量車輪的輪緣高和輪緣厚。

數據預處理包括對激光位移傳感器采集到的數據進行分組和濾波。因為所選用2D激光位移傳感器和1D激光位移傳感器只有在特定范圍才會輸出數據，根據這一特性進行分組。針對分組數據可能存在干擾點，則需在分組之后進行濾波，從而實現數據的預處理。

坐標變換是針對2D激光位移傳感器和1D激光位移傳感器安裝位置與水平面和垂線均存在一定的角度，所以需要矯正所測量的曲線。2D激光位移傳感器本身的坐標系為x(2)o(2)y(2)，變換之后的坐標系為u(2)o(2)v(2)，1D激光位移傳感器變換之后的坐標系為u(1)o(1)v(1)，其相對位置關系如圖4所示。

圖4 坐標變換示意圖

(1)

(2)

(3)

(4)

根據式(5)、式(6)，將坐標變換后的兩組數據進行融合。

(5)

(6)

由融合后的踏面輪廓離散點得到完整的踏面輪廓線，再根據踏面幾何關系求取輪緣高和輪緣厚。

2.2 輪徑測量原理

輪徑是通過安裝在鋼軌旁的激光對射傳感器并結合輪緣高計算得到的。當車輪經過激光對射傳感器時，激光對射傳感器會輸出對應的時間序列。先通過該時間序列以及傳感器安裝參數，獲得車輪經過的瞬時速度；然后結合瞬時速度與時間序列，獲得激光線在車輪上劃過的一條弦長，在已知輪緣高的前提下求取車輪的直徑值。

當車輪經過時，激光對射傳感器接受裝置R1、R2會分別經歷“導通—截止—導通”的狀態，系統記錄下各狀態變化的時刻，如圖5所示：1) R1由“導通—截止”的時刻t1；2) R1由“截止—導通”的時刻t2；3) R2由“導通—截止”的時刻t3；4) R2由“截止—導通”的時刻t4。

圖5 車輪時刻序列示意圖

列車通過時的瞬時速度通過式(7)計算得出：

(7)

式中：L1為S1、S2的間距。S1和S2激光為對射傳感器發射裝置。

S1激光線在車輪上劃過的弦長l1為：

(8)

設通過S1求得輪緣頂點圓半徑為R1，根據勾股定理有：

(9)

(10)

H1為S1發射的激光線在車輪內側面上留下的光斑到軌道上表面水平面垂直高度，h為由踏面輪廓離散點求取的輪緣高，圖6為直徑計算原理圖。

圖6 直徑計算原理圖

通過S1求取的車輪的直徑為：

(11)

同理得到S2激光線在車輪上劃過的弦長l2：

(12)

通過S2求取的車輪的直徑為：

(13)

由于2次誤差權重相同，故取2次測量的平均值作為車輪直徑最終測量結果，即列車車輪的直徑值為：

(14)

3 實驗與分析

為了驗證本文提出的輪對尺寸檢測方法的有效性、檢測精度和穩定性，對某公司的車輛段進行了試驗。

在2016年4月19日至4月21日對7172車的AB車的8個車輪進行了8次輪對尺寸測量試驗，并對其進行人工測量。將8次人工測量值求平均作為標準值，將8次系統測量值與標準值進行比較，如圖7所示。將每個車輪的8次系統測量值求取平均作為系統測量值，以輪徑值例，比較8個車輪的系統測量值與人工測量值，見表1。

表1 輪徑人工測與系統測平均值比較 mm

圖7 系統測量值與人工測量值比較

從圖7可知，8次系統測量值與人工測量平均值的偏差均滿足輪緣高和輪緣厚誤差范圍0.2mm，輪徑誤差范圍0.5mm，且8次系統測量值基本平均分布于人工測量平均值上下兩側，說明系統測量具有很好的穩定性。從表1可知，輪徑的系統測量值與人工測量值均在0.4mm范圍內，說明本文所研究的檢測系統具有很高的測量精度，完全滿足現場檢修要求。

4 結語

本文提出了一種基于激光位移傳感器的輪對尺寸測量方法，實現了輪對尺寸的在線非接觸式測量。通過2D激光位移傳感器和1D激光位移傳感器探測車輪踏面計算輪緣高和輪緣厚，通過激光對射傳感器探測車輪經過時的時間間隔計算輪徑。并在現場進行試驗，試驗結果表明本裝置測量精度高且一致性好，滿足現場測量的誤差要求。因此本文提出的輪對尺寸測量系統能夠取代現有的人工測量，從而減輕測量勞動強度，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。