鐵路貨車狀態修車輪踏面損傷非接觸檢測研究

劉瑞軍　趙永鋼　馬宏偉

摘要：針對輪軸檢修車間多種輪軸檢測設備部分檢測環節的手動行為，進行傳感器部件安裝方法的自動化改造，降低檢測設備的人工參與環節，提高設備的自動化程度。提高檢測效率。

Abstract： In view of the fact that manual inspection is adopted in the wheel dimension inspection process of the axle overhaul workshop， the automatic transformation of the installation method of the sensor components is carried out to reduce the manual participation in the measurement process and improve the automation degree of the maintenance process and improve detection efficiency.

關鍵詞：輪軸;檢修;自動化;機械手

Key words： axle;overhaul;automation;mechanical arm

0 ?引言

鐵路被公認為是國民經濟的大動脈，是一個國家工業化水平和基礎設施建設水平的重要衡量指標之一，而鐵路貨運則是經濟社會發展的重要推助器。隨著國民經濟發展需求不斷增長和科學技術的不斷進步，鐵路貨運車輛運輸速度和載重量也相應的不斷提升，其帶來的安全隱患也必將隨之加大。在鐵路貨車運行過程中，其荷載全部由輪對承載，因此，有效的檢測排查輪對踏面擦傷是保障貨車安全運行的必要條件之一[1]。

1 ?國內外現狀

對貨車輪對踏面的檢測，檢測比較早的國家有德國、瑞典、美國、日本、俄羅斯等。近年來我國在這方面也越來越重視，對其研究取得了很大的進步。在20世紀80年代末，日本利用光電檢測法研制的輪對自動檢測裝置能夠獲得車輪踏面的磨耗量。德國的弗朗霍菲研究所最初剔除電磁超聲檢測法，并且該研究已經研制出用于輪對表面缺陷動態檢測裝置的成熟產品：AUROPA系統。美國也利用該技術開發除了輪對踏面損傷動態檢測的相關產品[2]。目前國內應用比較多的是靜態檢測法，還有些是人工檢測，自動化程度低，人力成本大。因此，針對貨車輪對檢入，對車輪踏面擦傷非接觸檢測進行深入研究具有重要意義[4][8]。

當前，鐵路設備維修工作根據時間段的不同可以分為三種，分別是預防性維修、狀態監控檢修和事后維修。預防性維修是定期對設備進行預防性檢查，從而確定設備中的狀態;狀態監控檢修指的是采用一定的故障檢測技術和設備對設備是否存在故障進行監測和維修;事后維修指的是設備已經出現了一定的故障后采取的維修措施。本文采用了激光三角法，實現對輪對踏面損傷的非接觸的檢測，并期望將該系統應用到鐵路貨車狀態修的監測環節，能夠更加有效、準確的保證輪對踏面磨損的檢測精度，對推動鐵路貨車輪對狀態修檢測的實現具有一定的現實意義。

2 ?系統組成及主要功能

輪對在線檢測系統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、激光傳感器陣列結構基座、車輪轉動勻速驅動裝置、激光位移傳感器陣列控制系統、車輪尺寸采集測量軟件。激光位移傳感器陣列控制系統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負責發送指令，車輪采集測量軟件主要負責同步采集輪對踏面數據和計算輪對踏面尺寸、磨損等參數并給予通信應答，在車輪采集測量軟件進行傳感器數據采集的同時，不進行其他通信指令的執行。

2.1 車輪踏面測量激光位移傳感器

通過標定裝置，對輪對踏面測量激光位移傳感器進行標定，得到左外側和左內側、右外側和右內側所在坐標系的空間變換關系。假設系統標定后得到左外側激光位移傳感器在世界坐標系下在X、Y平面空間的水平夾角分別是α，那么，根據幾何關系可以得到新坐標系下的變換關系如下：

x1=x*cosα+y*sinα

同理，其他三個輪對踏面測量激光位移傳感器也會有如上相應的關系。

根據輪對各參數測量標準，系統將會自動計算出輪對各關鍵尺寸。以輪對內側面為基準找到距內側面70mm處的踏面基準線和輪徑測量基線，踏面基準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。系統能夠自動測量輪對各關鍵尺寸，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。

關于車輪內側距的計算，依據系統標定角度進行坐標系轉后，會得到兩個坐標系在水平方向的偏移量。依據水平方向的偏移量Δx和標定物的絕對長度l，得到車輪內側距的計算公式如下：

L=Δx+l

針對直徑的測量，系統標定過程中，會獲知車軸尺寸測量激光位移傳感器所在坐標系與左側輪對踏面測量激光位移傳感器坐標系和右側輪對踏面測量激光位移傳感器坐標系在垂直方向的偏移量Δy1和Δy2。在實際測量中，根據車軸尺寸測量激光位移傳感器的采集數據，利用Doolittle直接分解算法，準確的得到軸心位移坐標（x，y），進而計算得到左側和右側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分別是左側輪對踏面曲線最高點的縱坐標以及右側輪對踏面曲線最高點的縱坐標。

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據來供現場測量人員進行參考。

2.2 激光傳感器陣列結構基座

水平固定架為激光傳感器陣列結構基座的示意圖，該機構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，還將保證車輪內側尺寸測量激光位移傳感器和車輪外側尺寸測量激光位移傳感所打出的激光線條在踏面重合，從而通過上述算法得到有效的輪對踏面測量曲線。當兩個二維激光位移傳感器對準同一個剖面照射鐵軌時，由于2段激光投射線有相互干渉，因此采用兩種不同顏色的光，一個為紅光，一個為藍光。

激光位移傳感器能夠利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點可實現無接觸遠距離測量。激光位移傳感器就是利用激光的這些優點制成的新型測量儀表，它的出現，使位移測量的精度、可靠性得到極大的提高，也為非接觸位移測量提供了有效的測量方法[7]。

激光位移傳感器的操作主要是基于光學三角測量原理。半導體激光器的輻射是由一條直線上的光源投射到透鏡上形成的對象。從物體上散射的光被鏡頭收集起來，并定向到二維空間CMOS圖像傳感器。分析了所形成的物體輪廓圖像FPGA和信號處理器，用于計算到目標的距離（z坐標）沿著物體上激光線的集合的每個點（x坐標）。

2.3 車輪轉動勻速驅動裝置

車輪轉動勻速驅動裝置是整個系統中必不可少的一部分，它主要是用來驅動車輪低速、勻速轉動，進而可以均勻采集車輪踏面的數據樣本，為后續輪對踏面損傷檢測提供有效的數據集合。

輪對驅動系統位于車輪下方的車輪內側，由驅動尼龍輪、橫向氣缸推桿、低速液壓馬達構成。其作用是為車輪提供轉動扭力。動作時氣缸伸長，將尼龍輪推向車輪內側，保證驅動尼龍輪與輪緣內側緊密接觸，液壓馬達啟動后通過尼龍輪驅動車輪轉動。該裝置的作用是轉動車輪，調整輪軸端蓋可以周期性勻速通過激光位移傳感器的探測區域。對不同故障類型和故障部位的軸承進行不同載荷和轉速的組合試驗，發現單一轉速無法有效激發全部故障樣本的故障特征。當載荷為24.5kN、轉速為250r/min和450r/min組。

2.4 激光位移傳感器陣列控制系統

激光位移傳感器陣列控制系統主要有兩個作用。第一，用來保證輪對測量激光位移傳感器和車軸測量激光位移傳感器同步運行和工作。進而來保證車輪尺寸測量系統可以有效的采集到輪對踏面數據和車軸測量數據，最終獲得準確的輪對尺寸測量數據。第二，激光傳感器陣列控制系統還將間接的控制車輪勻速驅動裝置正常工作，來保證車輪勻速、低速運轉，此時來完成輪對踏面多角度的采集和輪對踏面全圓周的采集，從而為輪對踏面磨損算法提供有效的、全面的數據支撐。

2.5 系統控制軟件

系統控制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踏面曲線和車輪內側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據和踏面磨損區域信息以報文形式發送給遠端上位機，以方便現場工作人員查看、分析和核對。此外，整個測量系統具有對數據進行存儲、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，并進行實時的顯示、打印。

2.6 踏面磨損算法

近十幾年來研究人員提出了許多方法用于檢測與跟蹤序列圖像中的運動目標，其中絕大多數方法都假設用于獲取序列圖像的攝像機是靜止的，而大多數實際情況也滿足這一假設。目前常用的運動目標檢測方法有：幀差法、背景差法、塊匹配法、光流法和運動能量法等。甚至有的將一些優秀的算法（如小波變換或者遺傳算法等方法）應用到檢測與跟蹤序列圖像中的運動目標，但是由于受到計算機運算和魯棒性方便的影響，性能總是不太理想，若沒有特定的硬件支持一般很難滿足實時處理的要求，在實時監控系統中人們更熱衷于使用幀差法及背景差法來獲得期望的結果[5]。本文利用了背景差算法的原理，找到當前幀數據與標準幀數據之間的差異，然后將所有幀之間的差異性，進行統計分析或者聚類分析，最終得到每個獨立的磨損區域，進而計算出磨損區域的大小信息等。

由上述內容可知，車輪轉動勻速驅動裝置將車輪進行驅動，保證其低速、勻速轉動，此時，車輪尺寸采集測量軟件開始采集車輪踏面測量激光位移傳感器的數據，經過現場調試，在保證一定低速、勻速轉動速率的情況下，需要采集3500幀數據，能夠保證數據覆蓋到整個車輪踏面區域。并且算法能夠滿足實時性要求。踏面磨損算法流程主要分為三個部分。

第一步：目的是獲得沒有異常數據跳動的一幀數據作為標準幀。其主要思想是利用二階導數代表該組數據斜率的變化情況。

第二步：差分法。差分法的主要思想是在獲得標準幀以后，將整個輪對踏面采集到的3500幀數據依次對標準幀做減法。并且設定相應的所關心的磨損深度和磨損寬度的閾值。把符合條件的數據點篩選出來。

第三步：劃分磨損區域。主要是利用聚類分析[3]的方法把一個數據集分割成不同的類或者簇，使得同一個簇內的數據對象的相似性盡可能大，同時不在同一個簇中數據的差異性也盡可能大，達到同一類的數據盡可能聚集到一起，不同數據盡量分離[6]，最終得到每一個小的磨損區域。算法步驟如下：

①將步驟2得到的數據，依據幀號的連續性可以得到在幀方向的分割區域。

②聚類分析：首先要利用數據本身之間的距離來將數據集進行分割，來得到幀序列方向的磨損區域。然后對每一個幀序列方向的磨損區域再次以距離作為判斷標準，進行二次聚類分析。最終得到若干個磨損的小區域依次為area1，area2，area3……

③計算每個磨損區域的深度和寬度以及面積和體積。寬度、面積、體積算法。依次遍歷每個磨損區域的數據點，找到數據點集中最遠的兩個點，其距離即為最大磨損寬度。對每個磨損區域中所有數據點進行遍歷，絕對值最大的點detaY，即為磨損的深度DeepY。根據離散數學中求導思想獲得磨損區域面積以及體積。如下所示：

Area=Area+detaX*detaZ

Vol=Vol+deta_Area*Deep（i）（j）

注釋：detaZ=兩幀之間的實際距離（mm），根據車輪直徑可以獲知車輪圓周長度，再利用車輪轉動速率，可以得到兩幀數據之間的實際距離。

3 ?研究結果與實現意義

如圖1所示，左側為在現場制造出來的磨損，右側為實際采集數據進行三維轉換后得到的擦傷示意圖。可以看到，通過連續采集整個車輪踏面的數據點，可以準確獲得車輪踏面磨損的形狀、大小。

經過上述計算得到擦傷的報文信息如表1，和實際人工測量結果比較接近，誤差精度在：-0.5mm～0.5mm之間。

本文提出了一種基于輪對踏面擦傷檢測的新算法，根據現場測量數據和最終的三維重構圖像可知，基于上述的幀差法進行輪對踏面磨損的定位和計算能夠準確的得到踏面磨損信息。

并且算法復雜度能夠滿足實時性要求，能夠準確的給出磨損區域的深度、面積、體積等有效信息，因此、能夠有效的輔助現場的測量人員進行輪對踏面磨損的檢測并找到相應磨損的位置。與此同時，整個工況的安裝有別于已有的鐵軌兩側式的安裝方法，能夠有效的降低安裝難度，經過長期測試，測量系統能夠穩定、準確的運行。因此，將該系統應用到鐵輪貨車車輪磨損狀態修的監測環節中，實現對其進行故障檢測，能夠有效的提高維修的效率，保證維修質量，對實現鐵路貨車車輪磨損的狀態修檢測實現具有一定的推動作用和現實意義。

參考文獻：

[1]趙長波，陳雷.鐵路貨車安全監測與應用概論[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

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[3]聚類分析及其應用研究[D].電子科技大學，2010.

[4]楊凱.車輪踏面擦傷檢測系統的研究[D].西南交通大學，2005.

[5]陳瑋，薛琴，魏勝利，等.差影算法在輪對踏面磨耗檢測中的應用[J].自動化技術與應用，2007，26（6）：74-76.

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[7]朱萬彬.激光位移傳感器在物體表面形狀測量中的應用[J].光機電信息，2010，27（10）.

[8]高向東，徐曉東，高宇，等.基于激光傳感的輪對踏面擦傷及剝離檢測[J].機械工程學報，2003，39（9）：139-141.

作者簡介：劉瑞軍（1987-），男，陜西榆林人，本科，工程師，研究方向為車輛工程。