高鐵轉向架在線自動測量系統的研制

（中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095）

0 需求背景

高鐵轉向架是機車的重要核心部件之一，是機車牽引、承載、行走和導向的關鍵裝置。轉向架的生產裝配工藝和最終裝配精度直接影響高鐵的速度和平穩性，因此對新制造及大修后的轉向架必須要進行軸距、對角線、輪對內側面與基準塊間隙等參數檢測和調整[1～5]。傳統轉向架軸距、對角線、輪對內側面與基準塊間隙等參數的檢測采用人工劃線，卡尺測量的方法[6～10]。其弊端如下：其一，輪對內側面與基準塊間隙在調整時不能實時顯示，因此其間隙采用人工調整時，調整精度與調整效率難以提高；其二，對角線測量前須進行刻線影響檢測效率，刻線后采用長度為近3m的卡尺測量對角線，卡尺自重變形及熱漲本身就會限制檢測精度。而近年來，隨著列車運行的高速化，高鐵的高安全性和良好的舒適性對轉向架的裝配質量提出了更高的要求。同時，在國家“一帶一路”戰略下，中國高鐵已經成為走向全球的名片，為滿足高鐵國內與國際市場的旺盛需求，須進一步提高高鐵及轉向架的生產效率，故傳統檢測裝配方法的低效率低精度的特點，無法滿足現代高鐵轉向架自動裝配線的生產要求。針對此需求，本文開展轉向架裝配后的幾何尺寸自動檢測系統研究，系統介紹系統檢測原理、結構組成、補償方案及試驗結果，實現高鐵轉向架軸距、對角線、輪對內側面與基準塊間隙等參數自動在線測量。

1 自動測量系統功能及指標設計分析

1.1 功能設計分析

轉向架在線自動測量系統用于生產線上產品的自動幾何尺寸檢測，首先，節奏需滿足生產線節拍需求；其二，根據產品類型不同可進行軸距變化及測量程序的自動調整計算；其三，檢測內容需涵蓋所有手工檢測尺寸；其四，具備自校準功能。依據以上要求確定如下指標。

1）適用于轉向架裝配生產線上復合生產節拍的節奏需求；

2）軸距范圍（2200～2800）mm，可以設定A=2200、2400、2500、2800四種固定軸距；

3）檢測內容包括前后輪對的軸間距A1、A2、四個輪子中心對角線的長度C1、C2、輪子相對于轉向架定位基準的距離B1、B2、B3、B4；

4）采用非接觸測量、測量過程中無需工裝、無需人工干預；

采用標準器進行自校準，滿足現場校準與溯源需求。

1.2 技術指標設計分析

作為檢測設備，技術指標設計上根據工藝要求的指標的1/3～1/10進行確定。根據工藝要求軸間距尺寸A±1.5mm，要求兩側尺寸之差≤1mm；兩對角線尺寸之差≤1mm；構架基準塊與輪對內側尺寸，要求同一輪對兩側尺寸之差≤1mm，再綜合現有傳感器及成本考慮確定以下技術指標：

1）系統測量標準不確定度0.25mm；

2）每個測量節拍時間不超過10min。

2 系統設計思想及原理

2.1 輪對相對于轉向架定位基準的距離測量

根據轉向架在線自動檢測功能及指標設計要求，轉向架在線測量系統采用非接觸激光位移傳感器作為測量器件，以適應不同類型轉向架的快速測量需求。首先解決間隙測量問題，間隙是輪內側面與轉向架定位基準之間的距離，控制左右側的間隙差值就可以控制輪對在轉向架中間的對稱位置，為此可對稱布置方案如下，圖1所示的傳感器2和傳感器3用于測量輪對內側面與轉向架定位基準面，兩個傳感器的位置L0確定后即可計算出一個間隙B1=L2+L0-L3，通過對稱放置的一組相同傳感器即可獲取同一輪對另一側的間隙B2。

圖1 間隙測量原理圖

2.2 前后輪對的軸間距測量

輪對與轉向架裝配完成后軸部全部被遮擋，只能通過測量輪對踏面數據獲取軸距，且考慮到方便自動測量，本方案設計豎直踏面測量傳感器1結合磁柵尺（如圖1所示）數據進行軸距測量。此種方法需具備兩個條件：首先需要有基準保證傳感器1沿軸距方向移動時測量的基準是一致的，為此設計龍門結構架并安裝精密導軌用于龍門梁的導向，保證測量基準的統一；其次，裝配后轉向架需要與傳感器1測量基準保持平行，故設計的以軸箱體下部加工平面為定位基準進行支撐的四個支撐腳需充分調平。定義X方向為輪對軸距方向，Y方向為豎直方向。傳感器1能夠沿著X方向的導軌移動，移動距離通過加裝在X方向的磁柵尺測量。定距離的采集并保存磁柵尺數據xi及激光測距傳感器數據yi；前輪完成5～9組數據的采集后，傳感器1移動到后輪，并完成對后輪的數據采集，得到前后組離散測量點集（xi，yi），（i=1，2，3，…，k），將數據二次擬合求取最高點的距離即時所求的軸距位置A1，左右各設計一個則傳感器，可同時實現A1，A2的測量。

圖2 前后輪軸間距測量原理圖

2.3 對角線長度的測量

輪對裝配后對角線是指對角輪的內側偏移固定量的面與輪對踏面相交圓的最高點的距離。本文利用測量間隙的傳感器3的數據測量輪內側面位置，利用軸距傳感器1的及磁柵尺數據獲取最高點位置，事先標出傳感器1、3兩組傳感器之間的距離，則可實現對角線長度測量，如圖3所示。

圖3 對角線測量示意圖

具體原理如圖3所示。1號、3號傳感器位置如圖4所示，傳感器1A、1B之間的距離W1，傳感器3A、3B之間的距離W2事先標出，則1號、3號傳感器位置完成圖3所示的掃描過程后輪對在軸向上的距離則可測出，結合擬合數據則可求出空間坐標P1(m1,n1,k1)，P2(m2,n2,k2)，P3(m3,n3,k3)，P4(m4,n4,k4)。利用點到點的距離即可求出對角線長度。

2.4 考慮到實際轉向架安裝位置時的測量

實際測量過程中，轉向架通過輸送系統自動進入調整臺位并定位，其放置方向與測量導軌方向存在夾角，該值直接影響測量結果。本文采用算法補償方式進行測量值的修正。

圖4 轉向架實際放置情況示意圖

由于前后輪對在調整前安裝位置并不對稱，分別采用前輪對和后輪對中兩個輪子的最高點計算轉向架安裝時相對于導軌的偏角α。計算方法是根據二次擬合值獲取最高點所對應的導軌位置：XL、XR，則有：由于有前后兩個輪對，考慮到安裝時的誤差，可分別計算前輪對和后輪對的安裝角αF、αB，對二者取平均，得出輪子相對于轉向架定位基準的距離、前后輪對的軸間距、對角線長度測量值均需根據偏轉角進行修正，才能作為給出的實際測量值。

3 系統的研制

3.1 整體系統構架

根據前節論述原理，研制的轉向架測量系統包括龍門運動單元、運動控制單元、掃描測量單元、自校準單元、定位支撐單元、數據采集處理單元及自動測量軟件單元，整體測量系統構架如圖5所示。龍門運動單元用于安裝掃描測量單元，并根據自動測量軟件單元傳輸到運動控制單元的指令自動執行測量任務，數據采集處理單元則將掃描測量單元采集的數據經濾波處理后傳輸到自動測量軟件單元進行數據分析并顯示測量結果。定位支撐單元用于轉向架及自校準單元的支撐。自校準單元為模擬輪對及轉向架基準塊尺寸的標準器，尺寸通過三坐標測量，用于轉向架測量系統的標定。

圖5 整體系統構架

3.2 系統結構設計

根據要求，定位支撐單元首先需要滿足變軸距需求，用于轉向架的測量支撐。本文設計的四個獨立的轉向架定位支撐柱裝置分布在前后兩個水泥臺上，高度經調整后固定鎖緊，保證支撐穩定性，每個定位支撐柱底部設計有精密導軌并采用銷定位結構實現軸距的調整。測量系統的龍門運動單元采用龍門結構設計，被測轉向架放置在中間，六只傳感器構成的掃描測量單元分兩組對稱安裝在測量龍門架中間，測量龍門架通過精密導軌安裝在縱梁上，兩側縱梁分布有三根縱梁支柱支撐，縱梁支柱固定安裝在已調平的支撐座上，兩側縱梁經精加工并在安裝時調整平行等高，保證導軌運行測量基準不發生變化。龍門量兩側采用雙磁柵尺進行同步閉環反饋，確保測量龍門梁同步驅動，整體結構如圖6所示。

圖6 結構設計圖

3.3 系統軟件設計

轉向架自動測量軟件是面向轉向架自動生產的自動檢測分析軟件，功能上實現運動的控制、測量數據的分析管理及報告生成等。軟件共分為登錄，控制及測量，數據管理及分析三個界面。控制及測量界面負責對系統進行運動控制，確認所有設備能否正常連接，導軌運行狀態是否正常，并完成對轉向架等對象的測量任務；數據管理及分析界面負責對全部測量數據進行管理，具有自動保存功能、測量結果分析功能、測量報告生成功能。

圖7 系統軟件

4 系統測量不確定度分析與試驗

4.1 系統測量不確定度分析[11]

根據系統原理及構造，系統測量不確定度主要源于以下原因：磁柵尺本身誤差及龍門梁直線度誤差引入的測量不確定度、傳感器測長誤差引入的不確定度、傳感器位置校準誤差引入的測量不確定度和材料溫度測量點與整體溫度不一致誤差引入的測量不確定度等。現就不同測量參數進行誤差分析。

表1 測量誤差分項表

表2 測量值對比分析結果

輪對相對于轉向架定位基準的距離測量由傳感器2、3完成，其測量誤差包括傳感器2、3的測量誤差及位置校準誤差，則其合成不確定度為：

由此得到的擴展不確定度為：U=2u=0.14mm，（k=2）。滿足設計要求。

前后輪對的軸間距測量由傳感器1，傳感器3及測長磁珊尺完成，其測量誤差包括傳感器1、3的測量誤差、磁柵尺及龍門梁的直線度誤差引起的測長誤差, 溫度補償時材料溫度變化不一致引入的熱漲誤差，則其合成不確定度為：

由此得到的擴展不確定度為：U=2u=0.16mm，（k=2）。滿足設計要求。

對角線長度的測量由傳感器1，傳感器3及測長磁珊尺完成，其測量誤差包括傳感器1、3的測量誤差、磁柵尺及龍門梁的直線度誤差引起的測長誤差, 溫度補償時材料溫度變化不一致引入的熱漲誤差，則其合成不確定度為：

由此得到的擴展不確定度為：U=2u=0.22mm，（k=2）。滿足設計要求。

4.2 試驗

為驗證系統精度，采用經標定的模擬輪對及轉向架基準塊的一體標準器進行比對測量，轉向架在線測量系統測量6組數據，與跟蹤儀測量的值進行分析，測量數據表明輪對相對于轉向架定位基準的距離測量誤差為0.10mm，滿足設計分析需求。

5 結論

本文分析了高鐵轉向架傳統檢測方法的不足，并以檢測工藝指標為切入點分析轉向架自動化檢測的功能需求及技術指標；系統介紹輪對相對于轉向架定位基準的距離、前后輪對的軸間距、對角線長度及考慮到實際轉向架安裝位置時的測量方法；之后從系統研制角度介紹系統構架、結構與軟件設計方案，最后分析系統測量誤差，并給出了實際測量結果，測量結果表明測量不確定度滿足設計需求，測量節拍小于10min，實現高鐵轉向架輪對內側面與基準塊間隙、軸距、對角線等參數在線自動測量，滿足現場在線自動化檢測需求。