地鐵車輪不圓度多點非接觸檢測系統設計

趙永興，堯輝明

(上海工程技術大學城市軌道交通學院，上海 201620)

0 引 言

地鐵車輪不圓是指發生在車輪踏面上的一種磨耗現象，發生在車輪踏面磨耗的形式有多種，帶有孤立的踏面擦傷與帶有不規則波長的多邊形磨耗都屬于車輪不圓度磨耗[1-2]。當這種不圓度磨耗產生且得不到及時控制，會對地鐵的運行安全構成嚴重威脅，不僅會加速車輪磨耗的惡化，而且會嚴重影響乘客乘車舒適度。

針對車輪踏面圓周出現的不圓度磨耗問題，需要及時通過檢測設備采集踏面的原始數據進行磨耗評估。測量方法可分為靜態測量和動態測量兩種方式。靜態測量有德國BBM振動與聲學系統有限公司的m|wheel輪對粗糙度測試設備，該設備采用接觸式位移傳感器去采集磨耗信息[3]。文獻[4]提到了一種接觸式滾輪機械設備測量車輪踏面數據。文獻[5]設計了一款便攜式軌道車輪不圓度及直徑測量設備，并給出了測量原理及算法誤差。但是上述檢測設備都采用接觸式傳感器，長時間使用會產生磨損，進而影響以后的測量精度。日本鐵路利用2臺CCD攝像機來拍攝車輪外形輪廓，通過計算機運算處理來獲取車輪外形信息，但是誤差只能控制在0.5 mm[6]。動態測量是通過加速度傳感器或者壓電傳感器間接獲取車輪不圓度數據。文獻[7]利用軸箱垂向加速度進行車輪高階多邊形的診斷。文獻 [8]提出一種將 PVDF (Polyvinylidene fluoride)壓電傳感技術運用到鐵路輪軌檢測的方法。但是動態檢測的精度卻無法達到靜態檢測的高度。

結合現有設備存在的優缺點，本文選擇靜態無接觸測量方式，利用非接觸式激光傳感器來獲取車輪不圓度數據，三個激光傳感器可以同時獲取車輪踏面信息，編碼器同步獲取采集步長，通過上位機將數據進行顯示分析。檢測系統避免接觸式傳感器長時間使用的磨損誤差，三個激光傳感器同時采集數據提高系統檢測效率，同時可以更全面地評估車輪故障。檢測設備結構簡單、方便攜帶、精確度高。在信號去噪方面，采用小波濾波濾除原始信號中的高頻噪聲，通過濾波前后均值和方差的對比，表明小波濾波處理車輪不圓度信號具有很好的降噪效果。

1 車輪不圓度檢測系統總體設計

檢測系統總體設計包括檢測設備和計算機上位機兩個部分，通過檢測設備獲得激光位移傳感器數據，通過上位機對數據處理得到車輪的直徑并還原車輪滾動圓輪廓。總體設計框圖如圖1所示。

圖1 車輪不圓度檢測系統總體設計

2 不圓度測量原理

2.1 輪對的主要幾何參數

列車車輪踏面示意圖如圖2所示，踏面的基點位于距輪緣內側面70 mm處，以基點為起點繞車輪一周組成的滾動圓，該滾動圓直徑即車輪直徑[9]；輪緣高度為基點和輪緣最高點的垂直距離；輪緣厚度為輪緣內側面和輪緣上距基點垂直距離為10 mm處的水平距離。車輪在列車的行駛過程中會與鋼軌發生撞擊和摩擦，運行一段時間后會產生磨損與擦傷，所以需要定期對車輪進行檢測并修補以確保列車的安全行駛。

圖2 輪對幾何參數圖

2.2 測量原理

車輪直徑是車輪幾何參數中最難精確測量的參數之一，如果車輪直徑超限，或者與鄰近車輪直徑的差值超限，會引起一系列懸掛改變，從而會影響列車的安全性與平穩性，嚴重時可能會導致列車脫軌。車輪踏面發生踏面擦傷或踏面剝離都有可能造成列車車輪直徑差值超限以及車輪不圓等危害[10-11]。為了更全面地評估車輪的損傷程度，需要對踏面基點以及基點兩側的車輪滾動圓進行檢測，根據重復性試驗要求，必須對車輪同一條線進行3次測量[12]，為了加快檢測效率，所以設備采用三個激光傳感器同時采集車輪基點及鄰近基點的滾動圓數據，如圖3所示。激光傳感器1、2、3采用并排安裝的方式，可以同時獲取基點以及基點兩側20 mm位置的車輪滾動圓數據。

圖3 激光傳感器測量

激光具有高亮度、高單色性和高方向性等特點從而實現激光位移傳感器的非接觸測量，并且很大程度上提高位移測量的精度，保證測量的可靠性[13]。本設備采用的激光傳感器型號為HG-C1030，該傳感器的重復準確度達到了10 μm，測量的中心距離為30 mm，測量范圍為 ± 5 mm。激光位移傳感器輸出的信號為模擬量，信號與實測距離的比例呈線性關系，如圖4所示，通過標定操作可以將采集的信號轉換成實際距離。

圖4 模擬電壓與實測距離線性關系

為更精確的測量車輪不圓度信息，需要合理控制采集步長。系統通過增量式編碼器控制采集步長，對應的編碼器型號為歐姆龍E6B2-CWZ6C，脈沖數為360/r，輸出方式為集電極開路輸出（NPN輸出）。同步輪周長為200 mm，編碼器由同步輪帶動，當同步輪隨車輪同步轉動時，采集數據的步長為0.556 mm。在采集數據過程中，避免讓車輪和同步輪產生相對滑動，所以同步輪選用磨砂橡膠材料。

2.3 車輪直徑測量方法

車輪直徑采用弓高弦長測量方法來確定，弓高弦長測量方法也稱為弦高法，其測量原理如圖5所示。

圖5 車輪直徑測量方法

如圖所示，兩個同步輪半徑為r，兩個同步輪之間弦長距離為2Y，激光傳感器激光發射點與弦長的距離為X，x為激光傳感器實測距車輪踏面的距離，車輪半徑為R。其中Y、X、r的數值由機械結構設計確定，根據勾股定理有：

2.4 最小二乘法擬合圓

為更直觀的分析車輪實際情況并和標準車輪進行對比，需要將采集的數據擬合成圓周。為確定車輪幾何圓心，本文結合最小二乘法擬合圓的方法擬合車輪圓周外形并確定車輪幾何圓心[14]。具體步驟如下：

3 檢測系統具體方案設計

3.1 檢測系統方案設計

設備采用的激光傳感器準確度為10 μm，通過對激光傳感器輸出模擬量的換算可以得到實際距離值，利用增量式編碼器控制空間等距離數據采集。圖6為檢測設備結構簡圖，磁力吸座1將檢測設備固定在鋼軌上，防止檢測設備在檢測過程中發生移動，滑臺3可以橫移微調激光傳感器8的檢測位置。通過結構7可以調整激光傳感器8的角度，使激光傳感器8對準車輪6圓心，同步輪10緊貼車輪6，當車輪6轉動時就會帶動同步輪10轉動，編碼器9會和同步輪10同步轉動并產生脈沖。霍爾傳感器4通過對磁鐵5的感應控制檢測工作的開始和結束，采集的數據通過串口通信發送至上位機11進行處理。設備整體結構設計精簡而實用，使得檢測設備具有很好的便攜性與易操作性。

圖6 結構簡圖

3.2 檢測系統設計組成

根據檢測系統測量原理分析，設計系統包括數據采集測量與采集控制單元、機械結構、數據采集板、數據顯示與上位機分析單元，其各自功能如下：

1）數據采集測量與采集控制單元：將激光位移傳感器、編碼器和霍爾傳感器搭建在機械結構上，利用機械結構幾何設計對準車輪圓心，通過激光傳感器測量車輪不圓度信息；編碼器協同激光傳感器實現等距離采樣；霍爾傳感器控制采集工作的開始和結束。

2）機械結構：利用磁力吸座將檢測設備固定在鋼軌上方，使檢測設備的同步輪和車輪充分貼合保證可以同步轉動，通過幾何結構的設計使激光傳感器對準車輪圓心，通過滑臺可以實現激光傳感器檢測位置橫向移調整，保證可以檢測到踏面的不同位置。

3）數據采集板：作為檢測系統控制的核心，完成對傳感器輸出信號的采集、計算，并將數據實時上傳至PC端。

4）數據顯示與上位機分析單元：通過上位機操作控制檢測設備工作并實現對采集的不圓度數據進行波形顯示，利用通信接口實現和下位機數據采集板的通信。

3.3 檢測系統機械結構設計

檢測設備機械機構設計需實現固定、調節和校準等功能。校準功能需實現機械結構的檢測方向必須對準車輪的圓心，通過幾何結構設計，采用弓高弦長的方法使激光位移傳感器的檢測方向對準車輪圓心。調節功能需實現檢測結構的轉動，方便激光傳感器檢測位置對準車輪圓心，同時該功能需實現車輪踏面檢測位置的細節調整。固定功能需保證檢測設備在檢測過程中不會發生移動，以免造成數據誤差。檢測設備的3個激光傳感器并排固定在支撐架上，結合實際檢測環境，以及對設備便攜性和易安裝的考慮，設計的機械結構如圖7所示。

圖7 檢測設備機械結構

3.4 檢測系統下位機硬件設計

檢測設備下位機采用STM32C8T6作為主控芯片，通過RS-232串口通信與上位機實現數據的交互。硬件設計包括最小系統電路和外圍電路的設計，通過單片機與外設之間的信息交互實現數據的采集和傳輸。

外圍電路包括電源模塊電路、光耦隔離電路、運放電路、232串口通信電路。電源管理電路將12 V鋰電池電壓轉化為 24 V、5 V、3.3 V 供芯片和外設使用。霍爾傳感器用來控制采集工作的開始和結束，保證采集到車輪踏面滾動圓周的完整數據。編碼器和主控芯片之間設計光耦隔離電路，使輸入端與輸出端完全電氣隔離，抗干擾能力強，同時起到電平轉換作用。增量式編碼器每旋轉一圈都會產生360個脈沖信號，單片機定時器T3對編碼器輸出脈沖進行捕獲來觸發中斷事件，保證設備可以等距采樣。激光傳感器和主控芯片之間設計運放電路，通過運算可以讓單片機讀取激光傳感器模擬電壓值，同時起到濾除雜波作用。232串口通信電路實現硬件和上位機信息交互的功能。圖8為硬件系統總體結構框圖。

圖8 硬件系統框圖

3.5 不圓度檢測系統上位機設計

軟件系統采用Visual Studio為開發環境，利用C#語言編寫上位機操作界面。軟件系統可以實現不圓度數據采集、不圓度數據處理及不圓度曲線圖和極坐標圖顯示等功能，采集到的數據可以存儲到PC電腦指定位置。軟件實現流程圖如圖9所示。

圖9 軟件設計流程圖

將檢測設備固定到鐵軌上面，使同步輪緊貼在車輪踏面表面，將霍爾傳感器感應的小磁鐵吸附在車輪側面，然后霍爾傳感器探頭對準磁鐵塊，打開檢測設備電源，上位機可以檢測到串口存在，輸入檢測人員信息后就可以進行數據采集工作或者對歷史數據進行查詢：如果選擇測量，需要勻速轉動車輪，此時數據通過232串口傳輸到上位機，并生成圖像，霍爾傳感器重新對準磁鐵塊，采集工作結束，最后可以對數據進行其他方式的分析操作和保存；如果選擇查詢，可以對歷史數據進行查看和編輯，這樣可以方便用戶結合歷史數據對車輪的狀態進行評估。

4 小波去噪

針對激光傳感器采集信號中的高頻噪聲問題，采用數字濾波的方法對初始信號進行去噪處理。移動平均濾波是一種快速有效的濾波方法。其原理是：定義一個數組，數組隨著數據個數的增加依次移動，用數組中元素的均值代替原數據值。濾波前后信號圖如圖10所示。通過對比發現，這種方法對噪聲有一定的抑制作用，但是濾波后的信號還不夠平滑，仍存在部分噪聲。由于車輪不圓度信號為低頻、隨機非平穩的時變信號。所以需要一種靈敏度更高的濾波方法。

圖10 移動平均濾波前后對比圖

小波濾波在針對此類信號有其獨特優勢。首先，小波濾波在處理隨機非平穩時變信號時有其獨特優勢，這主要是因為小波函數具有快速衰減性的特性；其次，小波變換可以將信號以不同尺度進行分解，通過重構可以將信號中的高頻部分濾除；最后，由于小波變換的正交性，小波變換算法的計算速度相比傳統傅立葉變換更快[15]。

小波濾波是建立在小波分析理論基礎上的去噪理論，其本質是對采集的信號進行小波分解，然后通過帶通或者帶阻濾波器將其中高頻信號的系數濾除，之后再將其低頻部分進行重構，從而達到濾除噪聲的目的。這里通過一個數學模型表達初始信號：

式中：s(k)——初始信號；

f(k)——有效信號；

ε——噪聲系數的標準偏差；

e(k)——噪聲。

通常來說，信號分解后的低頻部分都是有效信號，而高頻部分包含較多的噪聲信號。通過對初始信號s(k)進行小波分解，將信號中的高頻部分舍棄，低頻部分保留，就達到了小波去噪的目的。

小波去噪的步驟如圖11所示，第一步是對初始信號進行小波分解；第二步選取合適的閾值及閾值函數將信號中的高頻部分舍棄，低頻部分保留；第三步是將保留的低頻分量進行重構，重構后的信號就是有效信號。

圖11 小波去噪流程

經過對比分析采用coif5小波函數對原始信號進行分解，分解尺度系數選為5，采用啟發式閾值（heursure），閾值函數為軟閾值函數，對分解后的信號進行篩選。濾波前后信號圖如圖12所示。

圖12 小波濾波前后對比圖

從上圖可以看出，信號經過濾波后曲線相對平滑，毛刺基本消除。濾波前后均值未發生改變，為0.018，方差從 0.0622 降到了 0.0203，說明小波濾波對原始信號的降噪效果十分明顯。

5 徑跳值分析

徑跳值是評價車輪不圓度的重要指標，將檢測系統測量得到的車輪滾動圓圓周展開長度作為橫坐標，激光傳感器測量差值作為縱坐標，繪制曲線圖如圖13（a）所示，如圖所示，綠線對應1號激光傳感器獲取數據，紅線對應2號傳感器數據，藍線為3號傳感器數據，右上角為徑跳值數據。為更直觀地觀測車輪不圓度情況，將數據轉化到極坐標中顯示，圖13（b）為車輪不圓度差值在極坐標中的分布情況，圖13（c）為車輪外形曲線實際分布情況。由圖可知，車輪踏面圓周方向出現明顯的不圓度磨耗，徑跳值在0.8～0.9 mm之間，通過圖形可以直觀判斷車輪磨耗的具體情況，為鏇修車輪提供依據。

圖13 現場測量結果圖示

6 結束語

本文設計的車輪不圓度多點激光檢測系統可以實現對車輪不圓度方便快捷地檢測，采用激光傳感器可以有效避免接觸式測量所固有的缺陷，減少維護費用，加裝三個激光傳感器實現多點測量，提高檢測效率，上位機的數據分析給車輪鏇修提供可靠依據。采用小波濾波去除信號中的高頻噪聲，將初始信號中的有效信號篩選出來，達到非常好的去噪效果。檢測設備體積小，重量輕，方便攜帶和操作，適用于各種復雜檢測現場。