鐵路貨車狀態(tài)修車輪尺寸的非接觸測量研究

杜彪　范帆　郭志遠

摘要：針對輪軸檢修車間車輪尺寸檢測工序采用人工檢測的情況，對車輪尺寸的非接觸測量方式進行進探索改造，降低給測量工序的人工參與，提高檢修流程的自動化程度。

Abstract： In view of the fact that manual inspection is adopted in the wheel dimension inspection process of the axle overhaul workshop， the non-contact measurement method of wheel dimension is explored and reformed to reduce the manual participation in the measurement process and improve the automation degree of the maintenance process.

關(guān)鍵詞：輪軸;檢修;自動化;機械手

Key words： axle;overhaul;automation;mechanical arm

0 ?引言

隨著當(dāng)前社會經(jīng)濟和科技的不斷發(fā)展，鐵路運輸也得到飛快的進步，鐵路車輛作為鐵路運輸?shù)闹匾ぞ咴阼F路運輸與發(fā)展過程中起著十分重要的作用。在國內(nèi)，鐵路運輸線路布局廣泛，營業(yè)路程遍布祖國大江南北，使得鐵路運輸成為國民經(jīng)濟的重要組成之一[1]。在鐵路車輛的實際運行過程中，車輛輪對是保證其安全運行的重要組成部件，因而保證車輛輪對的質(zhì)量是非常重要的。

傳統(tǒng)檢修模式存在很多弊端。首先，事后檢修模式存在的問題是打亂了鐵輪貨車正常運行計劃，同時，人力、物力等資源的供應(yīng)也使得整個檢修過程處于緊張、忙碌、效率低的狀態(tài)。而定期檢修模式存在的問題是定期檢修必須有大量的人力和物力投入，在某種程度上具有盲目性，浪費了資源的利用率。因此，本文提出對輪對檢測實行狀態(tài)檢修的方式，貫徹預(yù)防為主、執(zhí)行定期檢查的制度。對維護設(shè)備質(zhì)量、保證日常運輸需要，起到了一定的作用。

1 ?國內(nèi)外現(xiàn)狀

國外眾多研究機構(gòu)較早進行了輪對尺寸在線檢測技術(shù)與系統(tǒng)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(tǒng);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參數(shù)，測量誤差精度相對較高。國內(nèi)部分研究機構(gòu)也在近年開發(fā)了輪對尺寸在線檢測系統(tǒng)：成都主導(dǎo)科技公司研制的LY系統(tǒng)輪對動態(tài)檢測系統(tǒng)[4]，廣州負擔(dān)奧特公司研制的AUT-3500輪對尺寸在監(jiān)測系統(tǒng)[6]均實現(xiàn)了輪對幾何參數(shù)的自動測量。上述系統(tǒng)主要是采用光截圖像法[7]，當(dāng)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，同時告訴CCD（電荷耦合元件）拍攝，對所拍攝的圖像經(jīng)過濾波和細化處理，抽出激光圖像的中心線，算出輪對尺寸，該方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易受環(huán)境干擾，重復(fù)測量精度低。在國內(nèi)，仍然有許多鐵路貨運車輛采用人工測量的方式，測量精度低，浪費勞動資源。因此，本文針對鐵路貨運車輛輪對收入檢測背景，開發(fā)出一套輪對踏面尺寸智能檢測系統(tǒng)具有重要意義，同時，將這套系統(tǒng)應(yīng)用到鐵路貨車輪對狀態(tài)修中以預(yù)防為主、定期檢查當(dāng)中去，對整個狀態(tài)修的執(zhí)行提供技術(shù)上的輔助作用，進而保證狀態(tài)修的順利、有效的執(zhí)行。

2 ?系統(tǒng)組成及主要功能

輪對在線檢測系統(tǒng)主要包含六個組成部分：車輪尺寸測量激光位移傳感器、車軸尺寸測量激光位移傳感器、激光傳感器陣列結(jié)構(gòu)基座、車輪轉(zhuǎn)動勻速驅(qū)動裝置、激光位移傳感器陣列控制系統(tǒng)、車輪尺寸采集測量軟件。激光位移傳感器陣列控制系統(tǒng)與車輪尺寸采集測量軟件采用socket通信的方式，激光位移傳感器陣列控制系統(tǒng)負責(zé)發(fā)送指令，車輪采集測量軟件主要負責(zé)同步采集輪對踏面數(shù)據(jù)和計算輪對踏面尺寸、磨損等參數(shù)并給予通信應(yīng)答，在車輪采集測量軟件進行傳感器數(shù)據(jù)采集的同時，不進行其他通信指令的執(zhí)行。

2.1 車輪尺寸測量激光位移傳感器

在輪對尺寸測量系統(tǒng)中包含四個車輪尺寸測量激光位移傳感器，兩個用于車輪外側(cè)尺寸測量，兩個用于車輪內(nèi)側(cè)尺寸測量。

車輪內(nèi)、外側(cè)尺寸測量激光位移傳感器時域特征：

由二維激光位移傳感器得到車輪外側(cè)激光線型，經(jīng)過圖像的后期處理，將外側(cè)圖像進行定位、切割、重構(gòu)，得到完整的輪緣外側(cè)形狀。通過標(biāo)定裝置，對輪對踏面測量激光位移傳感器進行標(biāo)定，得到左外側(cè)和左內(nèi)側(cè)、右外側(cè)和右內(nèi)側(cè)所在坐標(biāo)系的空間變換關(guān)系。假設(shè)系統(tǒng)標(biāo)定后得到左外側(cè)激光位移傳感器在世界坐標(biāo)系下在X、Y平面空間的水平夾角分別是α，那么，根據(jù)幾何關(guān)系可以得到新坐標(biāo)系下的變換關(guān)系如下：

x1=x*cosα+y*sinα

y1=y*cosα-x*sinα

2.2 車軸尺寸測量激光位移傳感器

打到車軸尺寸測量激光位移傳感器的數(shù)據(jù)利用Doolittle[2]分解法計算得到軸心位置坐標(biāo)。用于后續(xù)計算車輪的輪緣直徑。

2.3 激光傳感器陣列結(jié)構(gòu)基座

水平安裝架為激光傳感器陣列結(jié)構(gòu)基座示意圖，該結(jié)構(gòu)基座主要是為了固定車輪尺寸測量激光位移傳感器和車軸尺寸測量激光位移傳感器。與此同時，還將保證車輪內(nèi)側(cè)尺寸測量激光位移傳感器和車輪外側(cè)尺寸測量激光位移傳感所打出的激光線條在踏面重合，保證采集到有效的車輪踏面數(shù)據(jù)。當(dāng)兩個二維激光位移傳感器對準(zhǔn)同一個剖面照射鐵軌時，由于2段激光投射線有相互干涉，因此采用兩種不同顏色的光，一個為紅光，一個為藍光。

2.4 激光位移傳感器陣列控制系統(tǒng)

激光位移傳感器陣列控制系統(tǒng)主要是控制傳感器的同步工作，來保證上位機可以同步、精準(zhǔn)的采集到車輪尺寸測量激光位移傳感器的數(shù)據(jù)和車軸尺寸測量激光位移傳感器的數(shù)據(jù)。同時，控制車輪轉(zhuǎn)動勻速驅(qū)動裝置的工作，來保證車輪勻速轉(zhuǎn)動，進而使得上位機連續(xù)采樣輪對踏面曲線速率的同步，最終完成多角度輪對踏面曲線的采集。

2.5 車輪尺寸測量軟件

車輪尺寸測量軟件主要是分為兩個部分：一是同步控制采集部分，同步控制采集主要是對車輪外側(cè)踏面曲線和車輪內(nèi)側(cè)踏面曲線的同步采集控制。二是算法部分。其中算法部分包含輪對尺寸計算和輪對踏面磨損算法。最終將得到輪對尺寸測量數(shù)據(jù)和踏面磨損區(qū)域信息以報文形式發(fā)送給遠端上位機，以方便現(xiàn)場工作人員查看、分析和核對。此外，整個測量系統(tǒng)具有對數(shù)據(jù)進行存儲、統(tǒng)計、歷史數(shù)據(jù)查詢功能、對檢測數(shù)據(jù)提供報表、繪制歷史曲線趨勢圖，并進行實時的顯示、打印。

2.6 多傳感器測量數(shù)據(jù)的融合與統(tǒng)一

將左外側(cè)輪對踏面測量激光位移傳感器和左內(nèi)側(cè)輪對踏面測量激光位移傳感器通過數(shù)據(jù)過濾、坐標(biāo)系變換、最高點拼接擬合等計算后，會得到完整的左側(cè)車輪踏面曲線，如圖1所示。

根據(jù)重構(gòu)的車輪踏面二維形廓圖可計算出車輪的主要幾何尺寸。由圖2可以得到，以輪對內(nèi)側(cè)面為基準(zhǔn)找到距內(nèi)側(cè)面70mm處的踏面基準(zhǔn)線和輪徑測量基線，踏面基準(zhǔn)線至輪緣頂點的距離稱為輪緣高度，輪徑測量基線向輪緣頂點方向平移10mm與輪緣的交線長稱為輪緣寬度。系統(tǒng)能夠自動測量輪對各關(guān)鍵尺寸，包括輪緣高度、輪緣厚度、圓周磨耗、垂直磨耗、輪輞厚度等參數(shù)，并對踏面是否存在損傷提出預(yù)警與報警。

關(guān)于車輪內(nèi)側(cè)距的計算，依據(jù)系統(tǒng)標(biāo)定角度進行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)后，會得到兩個坐標(biāo)系在水平方向的偏移量。依據(jù)水平方向的偏移量Δx和標(biāo)定物的絕對長度l，得到車輪內(nèi)側(cè)距的計算公式如下：

L=Δx+l

針對直徑的測量，系統(tǒng)標(biāo)定過程中，會獲知車軸尺寸測量激光位移傳感器所在坐標(biāo)系與左側(cè)輪對踏面測量激光位移傳感器坐標(biāo)系和右側(cè)輪對踏面測量激光位移傳感器坐標(biāo)系在垂直方向的偏移量Δy1和Δy2。在實際測量中，根據(jù)車軸尺寸測量激光位移傳感器的采集數(shù)據(jù)，利用Doolittle直接分解算法，準(zhǔn)確的得到軸心位移坐標(biāo)（x，y），進而計算得到左側(cè)和右側(cè)車輪直徑的計算公式如下：

D1=2*（maxY1-y-Δy1）

D2=2*（maxY2-y-Δy2）

其中maxY1和maxY2分別是左側(cè)輪對踏面曲線最高點的縱坐標(biāo)以及右側(cè)輪對踏面曲線最高點的縱坐標(biāo)。

由于收入回來的車輪存在不同程度的磨損，因此車輪輪對尺寸測量系統(tǒng)采取分別對輪對不同位置進行采樣分析，最終得到可供參考的三組有效數(shù)據(jù)來供現(xiàn)場測量人員進行參考。

表1為現(xiàn)場的部分測量數(shù)據(jù)結(jié)果。

表2為真實數(shù)據(jù)結(jié)果。

3 ?研究結(jié)果與實現(xiàn)意義

本文提出了針對鐵路貨車輪對收入的在線輪對尺寸測量系統(tǒng)，經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)分析，直徑、內(nèi)側(cè)距、輪輞厚度、圓周磨耗、輪緣高度等測量指標(biāo)精度在-1mm～1mm范圍內(nèi)。與此同時，安裝工況結(jié)合具體測量環(huán)境，與以往基于激光三角法進行輪對在線尺寸檢測系統(tǒng)具有很大創(chuàng)新性和實用性。在實際運行過程中，鏡頭不干凈、空氣中灰塵量大、或者是激光傳感器陣列結(jié)構(gòu)基座發(fā)生移動等等也會或多或少的造成傳感器采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，進而影響測量的精度。因此，在設(shè)備的實際運行過程中需要定期維護，在大多數(shù)情況下，系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)比較可靠，并且該設(shè)備能夠節(jié)約人力成本、提高設(shè)備工作效率、降低設(shè)備工作時長，能夠穩(wěn)定的長時間工作。因此，對輪對尺寸進行非接觸的技術(shù)檢測，進而保證鐵路貨車車輪的正常使用，對實現(xiàn)狀態(tài)修監(jiān)測，提高鐵路貨車車輪的使用效率具有一定的現(xiàn)實意義。

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作者簡介：杜彪（1985-），男，陜西榆林人，本科，工程師，研究方向為車輛工程。