董國(guó)強(qiáng) 上海鐵路局上海動(dòng)車客車段

隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，對(duì)車輛輪對(duì)的運(yùn)行狀態(tài)提出了更高的要求。輪對(duì)承擔(dān)車輛全部重量，且在軌道上高速運(yùn)行，承受著從車體、鋼軌兩方面?zhèn)鬟f來(lái)的各種靜、動(dòng)作用力，受力復(fù)雜。同時(shí)輪對(duì)作為轉(zhuǎn)向架中重要的部件，又是影響車輛運(yùn)行安全性的關(guān)鍵部件之一。輪緣是保持車輛沿鋼軌運(yùn)行，防止脫軌的重要部分。輪緣內(nèi)側(cè)距離和踏面是保證車輛順利通過(guò)曲線、安全脫軌撤叉、直線運(yùn)行中自動(dòng)調(diào)中、提高抗蛇形運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、降低輪軌之間磨耗的重要部分。車輪擦傷、踏面裂紋和剝離是導(dǎo)致列車脫軌的重要原因。同樣，車輪直徑和滾動(dòng)圓的大小對(duì)車輛重心、運(yùn)行阻力、踏面磨耗和通過(guò)軌道凹陷和接縫處時(shí)對(duì)車輛的振動(dòng)等有重要的影響。因此，準(zhǔn)確掌握輪對(duì)各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)是保證車輛正常運(yùn)行的重要前提。

輪對(duì)故障動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)是鐵道部2002年科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目。2006年，在我國(guó)鐵路第六次大提速建設(shè)過(guò)程中，輪對(duì)故障動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)被列入動(dòng)車組運(yùn)用所首批建設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備。

1 輪對(duì)故障動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)介紹

輪對(duì)故障動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)安裝在動(dòng)車組、機(jī)車、車輛及地鐵車輛入庫(kù)線上，采用“光截圖像測(cè)量技術(shù)”和“電磁超聲探傷技術(shù)“（EMAT），在線動(dòng)態(tài)自動(dòng)檢測(cè)輪對(duì)外形尺寸和踏面缺陷狀況。適用于CRH各型動(dòng)車組、各型機(jī)車車輛和各型地鐵車輛。

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由基本檢測(cè)單元、現(xiàn)場(chǎng)控制中心和遠(yuǎn)程控制中心三部分組成，如圖1所示。

圖1 輪對(duì)故障動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)流向

基本檢測(cè)單元位于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，獲取輪對(duì)外形和踏面缺陷的原始檢測(cè)數(shù)據(jù)。由車號(hào)識(shí)別、探傷、尺寸、擦傷及不圓度、車輛接近和離去等檢測(cè)子系統(tǒng)及安防系統(tǒng)等輔助基本單元組成。

現(xiàn)場(chǎng)控制中心設(shè)置于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間，將基本檢測(cè)單元檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理后，傳輸至遠(yuǎn)程控制中心。由現(xiàn)場(chǎng)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控系統(tǒng)主控機(jī)等部分組成。

遠(yuǎn)程控制中心通過(guò)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制中心傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，指導(dǎo)生產(chǎn)作業(yè)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、打印、上傳等，同時(shí)通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。由操作控制臺(tái)、安防監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)綜合分析及管理軟件組成。其中安防監(jiān)控系統(tǒng)用來(lái)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，防盜及聲光報(bào)警，確保現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備的安全，由監(jiān)視攝像機(jī)（帶云臺(tái)）、壁掛顯示器、微波紅外報(bào)警器、壁掛音像、話筒、安防監(jiān)控軟件等單元組成。

1.2 系統(tǒng)功能

(1)輪對(duì)外形幾何尺寸檢測(cè)。

(2)車輪直徑檢測(cè)。

(3)踏面裂紋檢測(cè)。

(4)車輪擦傷檢測(cè)。

(5)車號(hào)和端位自動(dòng)識(shí)別。

(6)檢測(cè)結(jié)果分級(jí)顯示和超限報(bào)警顯示。

(7)檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)、報(bào)表顯示、查詢、統(tǒng)計(jì)、打印、導(dǎo)出以及數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)管理。

(8)對(duì)檢測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析、判斷和整理。

(9)提供豐富的數(shù)據(jù)接口：機(jī)車車輛基本信息輸入接口、走行公里數(shù)輸入接口、人工反饋信息輸入接口、段相關(guān)部門和鐵路局的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)接口等。

(10)系統(tǒng)故障自診斷。

(11)配置紅外微波防盜報(bào)警系統(tǒng)及監(jiān)控錄像系統(tǒng)，確保設(shè)備安全。

2 系統(tǒng)使用情況

目前我段已配置使用8套該系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)被檢測(cè)車輛實(shí)行自動(dòng)在線檢測(cè)，無(wú)需停車、停電和人員值守，檢測(cè)效率很高，保障了我段動(dòng)車組運(yùn)用檢修工作。但是該系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中仍然受到許多因素的制約，影響著系統(tǒng)的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性。結(jié)合使用中存在的一些問(wèn)題提出完善建議。

3 系統(tǒng)存在的問(wèn)題和完善建議

3.1 誤報(bào)警現(xiàn)象

圖2 輪對(duì)外形關(guān)鍵尺寸的計(jì)算

因系統(tǒng)輪對(duì)外形關(guān)鍵尺寸的計(jì)算是以輪輞內(nèi)側(cè)基線和輪緣頂點(diǎn)為基準(zhǔn)，如圖2所示。在車輛實(shí)際通過(guò)道岔時(shí)，輪緣與道岔接觸摩擦易產(chǎn)生缺口、凸頂或粘著異物，引起實(shí)際測(cè)量外形曲線的輪緣頂點(diǎn)的變化，系統(tǒng)對(duì)實(shí)際測(cè)量外形曲線和標(biāo)準(zhǔn)外形曲線對(duì)比時(shí)產(chǎn)生誤差，引起外形尺寸的誤報(bào)警。

建議系統(tǒng)提取完整的輪緣和踏面曲線，選取更為穩(wěn)定的測(cè)量基準(zhǔn)。

3.2 受雨雪天氣影響較大

車輛在雨雪天通過(guò)系統(tǒng)時(shí)，LD、CCD等開(kāi)關(guān)罩打開(kāi)，車體上的水容易滴入檢測(cè)相機(jī)鏡頭和激光光源上，滴在相機(jī)鏡頭上會(huì)使拍下的照片模糊，造成輪緣及踏面曲線提取不準(zhǔn)確，影響檢測(cè)精度；滴在激光光源上會(huì)使激光光源發(fā)射的光線散射，造成投射在輪緣及踏面上的光線不夠清晰，影響檢測(cè)精度。

建議考慮一般情況下水膜的厚度對(duì)檢測(cè)精度的影響，對(duì)系統(tǒng)計(jì)算外形尺寸時(shí)增加自動(dòng)調(diào)整、修正和校核功能，以進(jìn)一步提高檢測(cè)精度。

3.3 探傷局限性

系統(tǒng)僅適用于探測(cè)車輪踏面近表面5~10 mm深度的裂紋缺陷，探傷有局限性。根據(jù)對(duì)輪對(duì)后期的實(shí)際檢修情況，踏面以下0~30 mm深度范圍內(nèi)應(yīng)力相對(duì)集中，出現(xiàn)裂紋等缺陷較多。

建議在改進(jìn)原有系統(tǒng)硬件和軟件的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展探傷范圍，發(fā)揮系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)能在車輛運(yùn)行前期及時(shí)發(fā)現(xiàn)踏面以下應(yīng)力相對(duì)集中區(qū)域的缺陷。

3.4 受車速影響較大

系統(tǒng)對(duì)車輛的通過(guò)速度有嚴(yán)格限制，被檢動(dòng)車組應(yīng)在5~12 km/h（最佳檢測(cè)速度10 km/h）范圍內(nèi)勻速一次性通過(guò)檢測(cè)區(qū)。非檢測(cè)車輛通過(guò)檢測(cè)區(qū)段速度限制在30 km/h范圍內(nèi)。當(dāng)被檢測(cè)車速超過(guò)15 km/h時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)單元產(chǎn)生較大沖擊，加快設(shè)備磨損，容易引起檢測(cè)精度下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞設(shè)備，此時(shí)系統(tǒng)為了保護(hù)檢測(cè)單元，將自動(dòng)關(guān)閉擦傷檢測(cè)子系統(tǒng)。

因車速的控制有較大的人為因素，同時(shí)大部分系統(tǒng)限速牌安裝在系統(tǒng)檢測(cè)棚與系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)觸發(fā)單元之間，司機(jī)在已通過(guò)系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)觸發(fā)單元后，才能看到系統(tǒng)限速牌，不能及時(shí)有效地將車速控制在最佳通過(guò)速度。

建議合理安裝系統(tǒng)限速牌的位置；司機(jī)嚴(yán)格控制車輛的最佳通過(guò)速度；進(jìn)一步完善系統(tǒng)的抗振動(dòng)和抗沖擊的穩(wěn)定性。

3.5 維護(hù)復(fù)雜

(1)校驗(yàn)和標(biāo)定復(fù)雜。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)和標(biāo)定時(shí)要通過(guò)筆記本電腦聯(lián)網(wǎng)控制，通過(guò)人工模擬進(jìn)車狀態(tài)對(duì)各傳感器、光電開(kāi)關(guān)、LD/CCD、探頭和激光光源等部件逐一檢測(cè)，才能完成對(duì)系統(tǒng)外形尺寸、車輪擦傷、踏面裂紋探傷等關(guān)鍵模塊的校驗(yàn)和標(biāo)定。按照相關(guān)文件規(guī)定，系統(tǒng)正常狀態(tài)下校驗(yàn)每月一次；標(biāo)定每三個(gè)月1次，每次需2人4~5 h才能完成；每次校驗(yàn)和標(biāo)定工作重復(fù)3次左右；同時(shí)針對(duì)不同的車型，需要對(duì)校驗(yàn)和標(biāo)定的參數(shù)等進(jìn)行調(diào)整。

(2)系統(tǒng)屬于軌邊設(shè)備，日常的臨修、小修、整修和中修需要聯(lián)系相關(guān)單位和部門做好天窗點(diǎn)協(xié)調(diào)工作和安全防護(hù)工作。

(3)系統(tǒng)各模塊的控制相互獨(dú)立，且模塊較多，控制較復(fù)雜，給故障維修工作帶來(lái)了困難。

建議進(jìn)一步改善系統(tǒng)的集成化，減少校驗(yàn)和標(biāo)定流程，提高使用維護(hù)效率。同時(shí)系統(tǒng)維修時(shí)有些傳感器不能通過(guò)軟件判斷其是否損壞，必須由人工手動(dòng)判斷，增加了維修工作量，建議改進(jìn)設(shè)備，使之能夠通過(guò)軟件判斷傳感器是否損壞。

3.6 安裝位置有待進(jìn)一步優(yōu)化

(1)部分系統(tǒng)受安裝環(huán)境的制約，無(wú)法安裝防護(hù)棚，系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元裸露在室外，受雨雪、高溫、風(fēng)沙等天氣的影響大，導(dǎo)致系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)誤差大。

(2)部分系統(tǒng)的選址在車站或離動(dòng)車組運(yùn)用所太遠(yuǎn)，不便于對(duì)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元和現(xiàn)場(chǎng)控制單元的日常維護(hù)管理。

建議在后續(xù)工程建設(shè)中，設(shè)計(jì)部門綜合調(diào)研系統(tǒng)的安裝環(huán)境，使系統(tǒng)的安裝在滿足技術(shù)條件下，盡可能降低外界因素的影響，同時(shí)方便用戶的維護(hù)管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

輪對(duì)故障動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)采用先進(jìn)的光截圖像測(cè)量技術(shù)和電磁超聲探傷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)輪緣高度和厚度、踏面磨耗和裂紋或剝離、QR值、車輪直徑和擦傷深度、輪對(duì)內(nèi)距等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，同時(shí)直觀地對(duì)超限數(shù)據(jù)報(bào)警，并指導(dǎo)生產(chǎn)安排復(fù)核工作，保障了車輛的運(yùn)行安全。