轮对几何参数动态测量系统.pdf

第5期 轮对几何参数动态测量系统 镕 墨 ； t PI P4平行四边形机构；S1 s10激j匕传感器；KI—K2触发开 关；W1一w6位涡流传感器 图2系统组成示意图 边测量系统以及数据采集与处理系统3部分各系 统的组成及功能如下 触发系统主要由2个涡流传感器(Kl和K2) 组成，完成启动整个测量系统、对列车运行方向的 辨别和对列车运行速度的测量 轨边测量系统包括以下3个系统 车轮踏面圆周磨耗及擦伤深度测量系统主要由 4套平行四边形机构(Pl—P4)和安装在对应平 行四边形机构测量尺下面的4个涡流位移传感器 (wl w4)组成，完成对车轮踏面圆周磨耗及擦 伤深度与长度的动态测量 车轮直径测量系统主要由4个激光位移传感器 (S7一SlO)和对应的2个涡流位移传感器(W5， W6)组成，完成对车轮直径的动态测量 轮缘厚度、轮辋宽度与轮对内测距测量系统主 要由6个激光位移传感器(S1～S6)组成，2个 (S2和S3)安装在钢轨内侧面，4个(S1，S4， 55和S6)安装在钢轨外侧其中52和S3用来动 态测量轮对内测距；SI与52以及S3与S4分别 用来动态测量轮对左右2个车轮的轮缘厚；S2与 S6以及S3与S5分别用来动态测量轮对左右2个 车轮的轮辋宽。

数据采集与处理系统主要由轨边箱数据转换与 传输、计算机数据采集以及处理软件组成，实现对 整个测量系统时序控制、数据实时采集、数据处 理、存储与显示等功能 3车轮踏面圆周磨耗及擦伤测量原理 就车轮踏面擦伤和磨耗的测量，首先提出一种 基于平行四边形测量机构的测量原理，在不同场合 得到了应用[ioq2]，图3所示为车轮踏面擦伤及磨损 动态测量的原理示意图当列车通过此测量装置 时，车轮轮缘顶部压下平行四边形机构的上平板 使得此平板产生平动，非接触式位移传感器可以直 接测量平板相对于钢轨的垂直位移 图3车轮擦伤及磨损测量原理图 理想情况下，如果平行四边形机构及钢轨不存 在加工误差，平行四边形机构与钢轨之间处于理想 的装配条件，新车轮和磨损擦伤车轮通过传感器得 到的输出波形如图4所示，通过简单的数据处理可 以直接测量出踏面擦伤及磨损量 图4传感器得到的理想波形 实际上，由于机构的各种加工和安装误差，实 际输出信号与理想情况有所不同，如图5所示(纵 坐标为涡流传感器的输出；横坐标为车轮在平行四 边形机构上平板的位移)为单个车轮压过平行四边 形机构后涡流传感器的输出波形，通过数据处理同 样可以得到踏面擦伤与圆周磨耗。

图5中的波形噪 声主要来源于车轮冲击及踏面擦伤冲击造成平行四 边形测量机构的振动通过合理选择与设计平行四 边形机构的弹性与阻尼、采用数字滤波等技术可以 减少机构振动给测量带来的影响为避免2个车轮 同时踏在同一个平板上，应使①在单根钢轨一侧至 少安装2套相同的平行四边形机构和相应的位移传 感器，同时2个平行四边形长板的长度之和应大于 踏面轮缘的展开周长；②单个平行四边形机构的平 140 中国铁道科学 第29卷 板长度必须小于最小轴距，避免2个车轮同时压上 1套平行四边形测量机构，无法得到擦伤车轮的位 置在本系统中，测量板长L为l 500 mm l() 8 之6 趟 脚4 2 350 70() 1 050 1 400 位移／mm 图5涡流传感器实际得到的波形 本测量方法以轮缘顶部为测量基准来测量踏面 磨损和擦伤，这与在工作车间中手工测量所使用的 基准一致，此外由于整个测量机构固定在钢轨上， 避免了钢轨本身振动给测量结果带来的影响，提高 了测量精度 4激光动态测量车轮直径的工作原理 设计了3种测量方案，分别是①采用弓高测量 原理法形成的U型槽测量方法；②基于单个摄像 头配合激光线光源的图像方法；③基于单个和2个 激光位移传感器的激光测量方案。

根据3种方案研 制了相对应的测量装置，并经过了现场试验“ 经过理论分析和现场试验结果，最后在实际使用测 量系统中选择采用了激光测量方案 4．1 单个激光位移传感器测量车轮直径原理 单位激光位移传感器测量车轮直径的原理如图 6所示图中0为车轮圆心，D为车轮与钢轨的接 触点，F为激光On,0量线与DO延长线的交点，BA 为激光位移传感器对应的测量值z，BD为激光位 移传感器和电涡流传感器的安装距离L，设激光光 线与钢轨位移传感器安装角度 ABD为a 当列车从测量装置上通过时，由激光位移传感 器可连续测量出传感器到车轮踏面表面对应点之间 的距离，当电涡流传感器检On,4到车轮离涡流传感器 距离最小时，即检测到D点此时激光位移传感 器到车轮踏面之间的距离为z，就可按下式计算得 到车轮的半径R： 尺一 一 ㈩ 实际上由于车轮在快速动态滚动，涡流传感器 存在定位误差，如图7所示为涡流传感器存在定位 误差时给车轮直径测量带来的误差仿真计算结果 若涡流传感器的定位误差C在一4～4 mm之间变 化时，实际直径D为930 mm的车轮，其对应的 测量值为929．75～930．25 mm，造成的误差为± 0．25 ITIITI。

图6单个激光位移传感器测量车轮直径原理图 Q 定位误差C／ram 图7单个激光位移传感器时D与c的关系曲线 4．2采用2个激光传感器测量车轮直径的原理 为减少涡流传感器定位误差给直径i贝0量带来的 误差，提出双激光位移传感器动态测量车轮直径的 i910量方案，即钢轨下面安装起定位作用的涡流传感 器，在涡流传感器两侧分别安装2个激光位移传感 器测量原理如图8所示，当车轮运行至2个激光 位移传感器的测量范围内时，激光位移传感器开始 记录一系列的数据 和 ，通过涡流传感器判断 车轮的最低点经过涡流传感器的时刻t时 刻对应的2个激光位移传感器测量值 和 可以 求得被测车轮的直径 若涡流传感器的定位误差C在一10～10 mm 之间，当车轮运行至2个激光位移传感器的测量范 围时，在不同的时刻就可以得到一系列的z ，zz 值通过仿真计算得到D与C的关系曲线如图9 所示，通过仿真计算得到实际测量到的(z + )值 与待测车轮直径的关系如图l0所示，实际2个激 光传感器输出的波形如图11所示 第5期 轮对几何参数动态测量系统 141 激光 巨 删 g 誉 萋 是 望 瞳 图8 2个激光位移传感器测量轮径示意图 图9 2个激光传感器时D与c的关系曲线 之 幽 锄 罚 螓 ，l+l,~／lnm 图lO D与( 1+f2)的关系 时间／ins 图11激光传感器的输出波形 通过图9所示的关系曲线可知：在使用2个激 光位移传感器的情况下，涡流传感器的安装误差在 一4～4 mm，实际直径为930 mm的车轮，其对应 的测量值为930～930．001 mm，测量误差仅为 0．001 mm，因此采用2个激光位移传感器测量带 来的误差远远小于单个激光位移传感器测量带来的 误差，此时实际上可以不采用涡流传感器。

5轮缘厚度、轮辋宽与轮对内测距测 』 里 完全按照轮缘厚度的定义来动态测量其尺寸大 小是比较困难的，这里巧妙地利用了钢轨与钢轨之 间的有缝接头缝隙让来自激光位移传感器的激光从 中通过，并打在钢轨顶部下面12 mm处，也就是 轮缘的定义测点，直接得到车轮通过时轮缘厚度的 变化 图12所示为单侧钢轨激光位移传感器测量车 轮轮缘厚度、轮辋宽的测量原理示意图使用激光 位移传感器S2和对应的激光位移传感器S3可以 动态测量轮对内测距 s1，s2，s6分别为激光位移传感器；1为轮缘，2为钢轨；3为传 感器支撑饭 图12轮缘厚度、轮辋宽与轮对内测距激光测量原理图 如图12所示，S1和S2配合用于测量轮缘厚 度，其中51射出的激光从钢轨接缝(接缝间距1O mm左右)穿过，正好射到轮缘厚度的测点，并直 接测量出该点到传感器的距离L ，激光位移传感 器S2能测量出轮缘内侧面到该传感器的距离L ， 得到轮缘的厚度为 丁1===L h1一(L1+L2) (2) 依照相同的原理可以得到轮对另外2个车轮的 轮缘厚、轮辋宽和轮对内测距的计算公式为 T2一Lb2一(L3+L4) (3) H1一L H_一(L2+L6) (4) H2一LH 一(L3+L；) (5) L—LL+(L2-[-L3) (6) 142 中国铁道科学 第29卷 式中：丁 ， 分别为轮对2个车轮的轮缘厚度； H ，Hz分别为轮对2个车轮的轮辋宽；L为轮对 内测距；L 一Le分别为激光位移传感器S1 s6 的读数值；L ，L 分别为传感器S1与S2以及 S3与s4之间的距离；L H_，LHo分别传感器s2与 S6以及S3与s5之间的距离； 为传感器S2与 S2之间的距离。

图13分别为车轮连续通过传感器S2，S1和 S6得到的典型波形 之 幽 矗 撵 之 幽 弓| 簿 之 幽 脚 羽 撂 时间／nrs (a)车轮内侧面 时闻／n1s fb)车轮轮缘 时间／Ins (c)车轮外侧面 图13激光传感器s2，s1和s6得到的典型波形 6实验结果与分析 研制的测量系统安装在呼和浩特铁路局包头车 辆段呼和浩特运用车间客车库六道，如图14所示 1，2．3，4为平行四边形机构；5，6为轮径测量装置；7，8为轮 缘厚、轮对内侧距和轮辋宽测量装置；9为触发装置；10为钢轨； 11为轨边箱；12为终端处理单元 图14呼和浩特铁路局包头车辆段呼和浩特运用车问客车 库六道的系统现场安装图 2007年6月5日组织了重复性试验，用1台 机车牵引3节车厢以5～15 km·h一 的不同速度来 回6次通过测量机构另外，为作对比分析，手工 测量内侧距、左右轮缘厚度、左右踏面磨耗及左右 轮辋宽以第3节车厢为例，4个轮对的测得结果 如表1一表3所示 从表1中可以看出，手工测量极限误差分别 为：轮缘厚度1．3 mm，磨耗1．1，轮辋宽1．0 mm车轮几何参数不均匀和人为测量误差是造成 这些综合误差的主要原因，其中内测距由于现场测 量困难，只进行了单点测量，车轮直径为现场无法 测量，不能得到测量值。

从表2可以看出，6次测量的极限误差大部分 符合铁道部相关标准的要求，个别参数偏大，可能 是由于轮对不均匀造成的，表l手测结果也证明了 表1手工测量3次平均值及极限误差 轮对 3 1 3 2 3—3 3—4 内侧距 左轮缘厚 ．右轮缘厚 左磨耗 右磨耗 左轮辋宽 右轮辋宽 34．6(1．0) 32．0(0．1) 32．0(0．1) 31．5(0．7) 注：()内为3次测量的极限误差 第5期 轮对几何参数动态测量系统 143 这一点车轮直径测量结果偏大主要原因是：①自 行研制的激光传感器的测量精度为±0．2 ITlm，偏 低，②由于安装测量的钢轨为43号轨，车轮滚过 轮径测量装置时造成钢轨变形使得激光光线的方向 发生变化，目前还没有对这一变化进行补偿 造成自动测量与手工测量之间差异的主要原因 在于：①轮对几何参数存在不均匀以及手工测量点 与自动测量点不可能重合；②自动测量和手工测量 均存在误差 表2自动测量6次平均值及极限误差 wLrn 7结语 本文提出了激光动态测量车轮直径、轮缘厚 度、轮辋宽度和轮对内测距的方法，研制了相对应 的试验装置，实现了客车入库时对其车轮直径、踏 面圆周磨耗及擦伤、轮缘厚度、轮辋宽度和轮对内 测距等几何参数的动态测量。

并在现场安装试 验，试验结果验证了测量方法的可行性测量系统 具有安装简单、不破坏原有线路，所采用传感器均 为非接触式，故障率低等优点 参 考 文 献 刘惠民．铁道车辆构造检修及装备[M]．北京：中国铁道出版社，2004． 孙善超，王成国，李海涛，等．轮／轨接触几何参数对高速客车动力学性能的影响[J]．中国铁道科学，2006，27 (5)：93—98． (SUN Shanchao，WANG Chengguo，LI Haitao，et a1．Analysis of Wheel／Rail Contact Geometric ParameterK Effect on the Dynamic B。