朱躍，俞秀蓮，邢宗義

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

城軌車輛輪對(duì)尺寸在線測(cè)量系統(tǒng)的研制

朱躍，俞秀蓮，邢宗義

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

針對(duì)城軌車輛輪對(duì)測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題，基于激光輪廓掃描傳感器技術(shù)，開發(fā)了一種城軌車輛輪對(duì)尺寸在線測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用將激光輪廓掃描儀和激光位移傳感器布置在鋼軌的內(nèi)外兩側(cè)。將輪廓掃描儀發(fā)射的激光線投射到車輪踏面上，實(shí)時(shí)測(cè)量經(jīng)過測(cè)量區(qū)域內(nèi)的車輪踏面外輪廓，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行插值運(yùn)算、數(shù)據(jù)平滑運(yùn)算等算法處理，獲得車輛輪對(duì)的輪緣高度、輪緣厚度、車輪直徑等主要參數(shù)。通過對(duì)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)可以完成運(yùn)行中地鐵車輛輪對(duì)參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量。

輪廓掃描；輪對(duì)尺寸測(cè)量；在線檢測(cè)；軌道車輛

0 引言

隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展，在線運(yùn)行的城軌車輛數(shù)量迅速增加，車輛運(yùn)行的安全問題日益突出。輪對(duì)的外形尺寸是車輛運(yùn)行過程中最重要的技術(shù)參數(shù)之一，輪對(duì)的狀況直接關(guān)系到車輛的運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行安全，對(duì)車輛輪對(duì)尺寸參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是保障地鐵車輛安全的一項(xiàng)重要措施。

國(guó)外輪對(duì)尺寸的在線檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，目前已有部分線路安裝了相關(guān)設(shè)備，但設(shè)備規(guī)模大、安裝基礎(chǔ)要求高、價(jià)格昂貴，導(dǎo)致國(guó)外的系統(tǒng)不適合國(guó)內(nèi)地鐵公司的實(shí)際情況[1]。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有部分學(xué)者開展了相關(guān)系統(tǒng)的研究。有國(guó)內(nèi)學(xué)者提出基于CCD圖像測(cè)量技術(shù)的測(cè)量方法[2]，該方法在價(jià)格上相比國(guó)外有優(yōu)勢(shì)，滿足車輛輪對(duì)的在線測(cè)量，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置較為復(fù)雜，外界干擾多。此外，還有學(xué)者提出利用激光傳感器測(cè)量輪輞尺寸，該方法只能對(duì)經(jīng)過檢測(cè)區(qū)的車輪進(jìn)行單次測(cè)量，不能準(zhǔn)確地反映車輪的平均磨耗狀態(tài)[3]。如何準(zhǔn)確測(cè)量運(yùn)行中車輛輪對(duì)參數(shù)已成為我國(guó)城市軌道交通行業(yè)發(fā)展迫切需要解決的技術(shù)難題之一。

相比點(diǎn)激光位移傳感器僅可以測(cè)量有限的幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)，輪廓掃描儀可以快速的測(cè)量物體的整個(gè)輪廓的剖面，精確獲得被測(cè)量物體表面輪廓尺寸[4]。目前，具有高頻率及高精度的激光輪廓掃描儀作為精密測(cè)量?jī)x器在測(cè)量測(cè)試行業(yè)的應(yīng)用十分廣泛，尤其適合測(cè)量精度和速度要求都很高的在線測(cè)量系統(tǒng)。

現(xiàn)提出一種利用激光輪廓掃描儀的方法對(duì)運(yùn)行中的城軌車輛輪對(duì)進(jìn)行在線測(cè)量。該系統(tǒng)不僅提高了輪對(duì)在線檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度，而且改善了輪對(duì)尺寸測(cè)量中外界因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確獲得輪對(duì)的主要參數(shù)。

1 輪對(duì)尺寸測(cè)量原理

1.1 輪對(duì)與踏面磨損

列車輪對(duì)是指壓裝在同一根軸上的兩個(gè)車輪組成的整體[5]。輪對(duì)幾何參數(shù)包括車軸直徑尺寸和車輪有關(guān)尺寸，車輪踏面外形參數(shù)定義如圖1所示。車輪在鋼軌上運(yùn)行中與鋼軌接觸的部分稱為踏面，踏面內(nèi)測(cè)突起的凸緣稱為輪緣，距離輪緣內(nèi)測(cè)基準(zhǔn)線70mm處踏面上的點(diǎn)被稱為基點(diǎn)?；c(diǎn)和輪緣之間的高度稱為輪緣高度，距離基點(diǎn)12mm高處輪緣的厚度稱為輪緣厚度，實(shí)際測(cè)量出的輪緣外形尺寸與該型號(hào)車輪標(biāo)準(zhǔn)尺寸的差值為踏面磨耗量[6]。

圖1 車輪踏面截面的示意圖

車輛檢修部門對(duì)各型車輛輪對(duì)輪緣的磨耗限度有著明確的規(guī)定，主要是通過測(cè)量輪緣厚度、輪緣高度、車輪直徑、輪輞厚度和寬度以及輪對(duì)內(nèi)側(cè)距等判斷輪對(duì)的服役狀態(tài)[7]。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，上述參數(shù)通過間隔120°的3個(gè)斷面求平均值確定。

1.2 激光輪廓掃描儀

激光輪廓掃描儀是針對(duì)物體的輪廓、二維尺寸和二維位移量進(jìn)行測(cè)量的儀器。輪廓掃描儀測(cè)量物體外形尺寸主要基于三角測(cè)量法和光截法原理[8]。

圖2為利用三角測(cè)量法和光截法原理測(cè)量車輪踏面外形的示意圖。在列車行進(jìn)的過程中，以特定的入射角度α將激光線照射在車輪表面，使其在車輪的表現(xiàn)形成一條光截線，車輪反射出去的激光線被掃描儀內(nèi)置的CCD圖像傳感器接收。通過傳感器內(nèi)置的FPGA處理核心對(duì)接收到得激光線進(jìn)行A/D變換及信號(hào)處理，最終輸出車輪被測(cè)量處得輪廓曲線。

圖2 系統(tǒng)測(cè)量方式示意圖

1.3 測(cè)量方案

激光輪廓掃描儀固定安裝在軌道外側(cè)的探測(cè)箱內(nèi)。車輪在運(yùn)行的過程中，安裝在軌道外側(cè)的激光輪廓掃描儀，對(duì)踏面及輪緣內(nèi)側(cè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描。如圖3(a)所示，當(dāng)車輪進(jìn)入掃描區(qū)域時(shí)，激光輪廓掃描儀開始對(duì)車輪輪緣和踏面內(nèi)測(cè)進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)車輪輪緣和踏面完全進(jìn)入有效掃描區(qū)域時(shí)，輪緣和踏面的表面被激光輪廓掃描儀完全測(cè)量。系統(tǒng)采用高頻率激光輪廓掃描儀，在有效掃描區(qū)域內(nèi)可以多次對(duì)車輪踏面和輪緣外形測(cè)量，通過后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析，通過求取多次采集的平均值來提高測(cè)量系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確度。

車輪運(yùn)行過程中，車輪踏面與軌道接觸部分被持續(xù)地被磨損，當(dāng)車輛急剎車或發(fā)生打滑時(shí)踏面也會(huì)被磨損。為了保持車輪踏面形狀在規(guī)定范圍內(nèi)，車輛部門需要對(duì)車輪進(jìn)行旋修，車輪直徑也會(huì)隨著不斷縮小。

圖3 測(cè)量位置意圖

車輪直徑的變化導(dǎo)致激光輪廓掃描儀采集到的尺寸變成了實(shí)際車輪踏面形狀發(fā)生畸變的輪廓曲線，因此輪對(duì)尺寸測(cè)量系統(tǒng)需要利用圖形校正等手段進(jìn)行處理以獲得沒有發(fā)生畸變的車輪輪廓曲線，并通過與標(biāo)準(zhǔn)車輪相對(duì)比，獲得車輪外形的尺寸參數(shù)及磨耗值等。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及算法原理簡(jiǎn)介

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輪對(duì)尺寸測(cè)量系統(tǒng)主要由激光輪廓掃描儀、激光位移傳感器、高速數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及顯示設(shè)備等構(gòu)成，如圖4所示。其中，G1為車輪軸位傳感器，安裝在軌道的內(nèi)側(cè)，用于檢測(cè)列車車輪是否到達(dá)檢測(cè)區(qū)域，當(dāng)傳感器檢測(cè)到列車車輪到達(dá)檢測(cè)區(qū)域時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)。A為車號(hào)識(shí)別天線，用于識(shí)別通過檢測(cè)區(qū)域列車的車號(hào)。L1，R1為激光輪廓掃描儀，安裝在軌道的外側(cè)。L2，R2為激光位移傳感器，安裝在軌道的內(nèi)側(cè)。L1與R1，L2與R2分別構(gòu)成一組檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)通過該檢測(cè)范圍內(nèi)的車輪表面輪廓進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描。L1，L2，R1，R2均安裝在帶有自動(dòng)開關(guān)門的保護(hù)裝置內(nèi)，防止灰塵和水等造成測(cè)量錯(cuò)誤。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)軟件采用基于C++編程語言，利用C++的接口能力，內(nèi)置基于C的處理算法。該系統(tǒng)可以在-20℃～85℃的范圍內(nèi)正常工作，適應(yīng)城市軌道交通現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

2.2 系統(tǒng)工作流程

如圖5所示系統(tǒng)工作流程：檢測(cè)系統(tǒng)通電復(fù)位，系統(tǒng)開始進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)車輪傳感器G1采集到來車信號(hào)，傳感器開始采集并保存數(shù)據(jù)，當(dāng)所有輪對(duì)完全移除車輪傳感器時(shí)，系統(tǒng)定時(shí)器開始啟動(dòng)，定時(shí)器結(jié)束說明車輛完全移除監(jiān)測(cè)區(qū)域。在車輛離開檢測(cè)區(qū)域后檢測(cè)系統(tǒng)開始運(yùn)行輪對(duì)尺寸監(jiān)測(cè)算法，并將結(jié)果以圖表和數(shù)據(jù)等形式顯示在數(shù)據(jù)顯示前端。同時(shí)，按照預(yù)設(shè)定的報(bào)警等級(jí)對(duì)超出預(yù)定閥值的故障車輪報(bào)警。

圖5 系統(tǒng)流程圖

2.3 算法處理流程

在線輪對(duì)尺寸測(cè)量系統(tǒng)算法流程如圖6所示，算法主要包括取通道數(shù)據(jù)、提取通道數(shù)據(jù)中有效數(shù)據(jù)段、對(duì)有效數(shù)據(jù)段進(jìn)行差值處理、數(shù)據(jù)平滑處理等運(yùn)算分析。經(jīng)過處理后的車輪踏面外形數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面及輪緣外形數(shù)據(jù)對(duì)比求差值。差值求解后的踏面曲線為被測(cè)量位置的踏面曲線，通過計(jì)算車輪多個(gè)位置的踏面曲線平均值，求取車輪的平均磨耗狀態(tài)，重構(gòu)車輪踏面外形曲線。重構(gòu)后的車輪踏面外形求取車輪尺寸參數(shù)，分析被測(cè)量車輪是否超過系統(tǒng)設(shè)定的閥值，對(duì)超過閥值的進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)，系統(tǒng)可以通過轉(zhuǎn)向架中4車輪的尺寸參數(shù)，分析該轉(zhuǎn)向架狀態(tài)參數(shù)，對(duì)超出系統(tǒng)設(shè)定閥值的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行報(bào)警。

圖6 算法處理流程圖

2.3.1 插值處理

車輪在高速移動(dòng)過程中，采集到的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)不連續(xù)的情況。需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化差值處理，將信號(hào)變成沿x方向等間距離散信號(hào)[9]。為了實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)處理和提高處理結(jié)果的精度，在系統(tǒng)中選擇采用三次樣條差值法。

2.3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)平滑方法

使用激光法來獲取踏面尺寸數(shù)據(jù)，由于多方面的原因，如被踏面表面粗糙度、表面波紋以及其他一些表面缺陷等，以及有測(cè)量系統(tǒng)本身的系統(tǒng)誤差，如電噪聲、熱噪聲、CCD的非線性誤差、分辨率等，測(cè)量的過程中不可避免的會(huì)混雜有各種噪聲點(diǎn)，導(dǎo)致測(cè)量的曲線不光滑。因此，測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)際上是原始數(shù)據(jù)f(t)和誤差成分ε(t)兩者的疊加結(jié)果[10]。在檢測(cè)數(shù)據(jù)中存在著部分干擾信號(hào)會(huì)影響系統(tǒng)的測(cè)量精度和后續(xù)數(shù)據(jù)處理，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理[11]。在系統(tǒng)中選擇使用基于中值濾波的點(diǎn)云數(shù)據(jù)平滑方法。

2.3.3 尺寸差值求解

被測(cè)車輪經(jīng)過激光輪廓掃描儀，將測(cè)量得到的數(shù)值經(jīng)插值處理、數(shù)據(jù)平滑后復(fù)原成車輪踏面和輪緣外形相對(duì)尺寸曲線，確定基準(zhǔn)點(diǎn)位置，分析兩條曲線隨x軸變換兩Δz，求出實(shí)際輪緣厚度、輪緣高度與標(biāo)準(zhǔn)輪緣高度之差得到踏面的磨耗值。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

表1為人工測(cè)量結(jié)果與系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果在輪緣厚度、輪緣高度、車輪直徑三個(gè)數(shù)據(jù)上的對(duì)比，其最大差值不超過0.2mm。

圖7為系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果圖對(duì)比圖，圖7(a)為掃描儀測(cè)量的踏面曲線，圖7(b)為系統(tǒng)處理后踏面曲線。使用人工列車車輪輪廓測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果繪制車輪踏面曲線，并將人工測(cè)量曲線與系統(tǒng)測(cè)量曲線相對(duì)比，如圖7(c),圖7(d)所示。通過試驗(yàn)與與分析結(jié)果說明本文提出的測(cè)量方法和系統(tǒng)是有效的。

表1 輪對(duì)參數(shù)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

mm

左輪右輪人工系統(tǒng)人工系統(tǒng)輪緣高度13.1513.3213.4213.53輪緣厚度16.4316.3116.5516.46車輪半徑194.82194.76193.68193.67

(a)掃描儀測(cè)量的踏面曲線

(b)系統(tǒng)處理后踏面曲線

(c)人工測(cè)量踏面曲線

(d)人工與系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖7 測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖

4 結(jié)論

利用激光輪廓掃描儀測(cè)量車輪踏面輪廓是切實(shí)可行的方案，能夠滿足地鐵車輛輪對(duì)在線檢測(cè)系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)采用的算法可以消除由于傳感器、測(cè)量方法等引起的誤差以及系統(tǒng)本身引入噪聲信號(hào)。同時(shí)，系統(tǒng)可以滿足對(duì)運(yùn)行中輪對(duì)輪緣厚度、輪緣高、踏面磨損、等外觀形狀參數(shù)和長(zhǎng)度量的測(cè)量與計(jì)算。

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Design of On-line Measuring System for Wheel Pairs of Rail Vehicles

ZHU Yue, YU Xiu-lian, XING Zong-yi

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

When the traditional way is used to measure the parameters of wheel pairs of rail vehicles,it needs great effort and takes much time.To solve this problem, based on the laser contour scanning method, an on-line measuring system is developed. In this system, the laser contour scanner and the laser displacement sensor are placed on both inner and outer sides of the rails. The laser rays are projected on the surface of wheels so that a real-time measurement of the outer contour of wheel surface can be conducted. Algorithms such as interpolation and smoothing algorithm are used to calculate the measured results，so that the main parameters of the wheel pairs can be more precise. The result shows that this system can be used to automatically measure the parameters of the wheel pairs of the rail vehicles.

laser contour scanning; measurement of parameters of wheel pairs ; on-line measuring; rail vehicles

軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(RCS2011K010)； 國(guó)家863計(jì)劃(2011AA110501)；科技支撐計(jì)劃(2011BAG01B02)

朱躍(1989-)，男，安徽淮北人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)槌擒壛熊嚢踩诰€監(jiān)測(cè)。

U279；TP29

B

1671-5276(2014)02-0036-04

2013-03-06