俞太亮

（無錫地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司車輛部 江蘇無錫）

一、前言

基于設(shè)備可靠性、預(yù)防性維修機(jī)制逐步把定期維修轉(zhuǎn)變?yōu)樵\斷性維修。鐵路系統(tǒng)為適應(yīng)車輛發(fā)展的要求，確保車輛運(yùn)行的安全、可靠性，建立了車輛全面安全防范、預(yù)警系統(tǒng)，即“5T”系統(tǒng)，內(nèi)容包括①紅外線配套車號(hào)智能跟蹤系統(tǒng)（THDS）；②車輛運(yùn)行狀態(tài)地面安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPDS）；③車輛滾動(dòng)軸承早期故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（TADS）；④車輛運(yùn)行故障動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)系統(tǒng)（TFDS）；⑤車輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)（TCDS）。

軌道交通車輛在線檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車輛故障的預(yù)警、預(yù)控，是提高運(yùn)營安全可靠度和車輛檢修質(zhì)量的一種有效手段。系統(tǒng)通常包括的檢測(cè)項(xiàng)目有輪對(duì)尺寸、輪對(duì)踏面缺陷、受流器/受電弓、車號(hào)識(shí)別等。而輪對(duì)組件作為車輛走行部最重要的部位，其技術(shù)狀態(tài)直接影響行車安全，對(duì)其進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)尤為必要。

二、系統(tǒng)概述

目前，輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)技術(shù)主要有光截圖像法、激光位移測(cè)距法和自動(dòng)視覺測(cè)量法。光截圖像法采用線狀激光作為投射光源，面陣CCD（Charge-coupled Device，CCD。電荷耦合元件）相機(jī)作為采集設(shè)備，利用激光三角測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物體的二維尺寸測(cè)量。測(cè)量完畢后與標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)各參數(shù)的最終檢測(cè)。光截圖像法適用于車輛靜態(tài)及低速運(yùn)行狀態(tài)的技術(shù)檢測(cè)。

圖1 光截圖像法原理圖

國內(nèi)外采用光截圖像法對(duì)出入庫車輛（低速運(yùn)行）輪對(duì)尺寸進(jìn)行在線檢測(cè)的有成都主導(dǎo)、哈爾濱威克、美國BEENA、瑞士ELAG等。

激光位移測(cè)距法采用激光位移三角測(cè)量技術(shù)，通過激光位移連續(xù)掃描，得到相對(duì)于傳感器的踏面位置輪廓曲線，以此計(jì)算輪對(duì)外形尺寸。激光位移測(cè)距法的技術(shù)特點(diǎn)是適用于車輛中高速運(yùn)行狀態(tài)的技術(shù)檢測(cè)。

圖2 激光位移測(cè)距法原理圖

國內(nèi)采用激光位移測(cè)距法對(duì)車輛輪對(duì)尺寸進(jìn)行在線檢測(cè)的有廣州復(fù)旦奧特等。

自動(dòng)視覺測(cè)量法采用視頻成像及圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)輪對(duì)尺寸的檢測(cè)，國內(nèi)外采用自動(dòng)視覺測(cè)量法對(duì)車輛輪對(duì)尺寸進(jìn)行在線檢測(cè)的有北京新聯(lián)鐵公司、Lynx公司等。

三、功能實(shí)現(xiàn)

1.檢測(cè)指標(biāo)

輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)主要檢測(cè)指標(biāo)有輪緣高度、輪緣厚度、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距、車輪直徑、QR、踏面磨耗、同一軸上的最大輪徑差、同一轉(zhuǎn)向架上的最大輪徑差和同一節(jié)車的最大輪徑差等。

2.檢測(cè)方法

（1）激光位移測(cè)距法?；诠怆娢恢妹舾刑綔y(cè)器（PSD）的激光位移三角測(cè)量技術(shù)，PSD設(shè)有兩路光電流輸出，當(dāng)光點(diǎn)照射到其接收表面上時(shí)，器件的兩路電信號(hào)輸出與光點(diǎn)在 PSD上的位置有關(guān)，兩路信號(hào)經(jīng)處理后就可以唯一地確定PSD上像點(diǎn)的位置，從而反推出物體被激光照射點(diǎn)到成像透鏡前主面的距離。

輪緣高、輪緣厚度測(cè)量：傳感器以一定角度和距離布置于軌的兩側(cè)，車輛運(yùn)行通過，激光位移傳感器將對(duì)車輪端面掃描，原始波形是與安裝角度有關(guān)的斜剖面圖，由于傳感器相對(duì)于軌的安裝位置是固定的，在得出車輛運(yùn)行速度后，通過幾何運(yùn)算，可以得到二維的車輪外形圖，即可分別計(jì)算輪緣高度和輪緣厚度。

輪對(duì)內(nèi)側(cè)距、輪徑測(cè)量：在鋼軌外側(cè)安裝兩只激光位移傳感器，設(shè)置一定的安裝角度，分別掃描出輪緣及踏面的端面后，以厚度測(cè)量為基礎(chǔ)，確定滾動(dòng)圓，在速度已知的條件下，可得到弦長(zhǎng)，而兩激光束相對(duì)于軌面高度是確定的，通過幾何運(yùn)算可得車輪直徑。

（2）光截圖像法。細(xì)帶狀光源照明系統(tǒng)沿踏面法線方向照射在車輪表面形成從輪緣到踏面的光截曲線，反映車輪外形尺寸的截面。軌道外側(cè)與光入射面成一定夾角的高速面陣CCD攝像機(jī)拍攝光源在車輪上形成的光截曲線，經(jīng)過圖像實(shí)時(shí)采集、處理，得到單像素的畸變（由CCD的斜向拍攝引起）車輪外形曲線，再經(jīng)圖像校正還原出非畸變的外形曲線，最后經(jīng)系統(tǒng)定標(biāo)得到真實(shí)的車輪外形曲線——車輪磨耗曲線。通過將檢測(cè)的車輪外曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線比較就能得到輪緣磨耗和踏面磨耗，再通過車輪外形關(guān)鍵尺寸間的關(guān)系獲得輪緣高度、厚度、輪徑等外形尺寸。為了更合理地反映車輪外形尺寸，對(duì)同一個(gè)車輪重復(fù)使用3套相同的光截圖像測(cè)量系統(tǒng)，分別獲取車輪圓周上3點(diǎn)（近似等間距分布）的測(cè)量值以提高檢測(cè)精度。另外對(duì)同一車輪進(jìn)行3點(diǎn)測(cè)量還能檢測(cè)出車輪的不圓度。

輪對(duì)內(nèi)側(cè)距測(cè)量：軌道內(nèi)側(cè)安裝兩只相同型號(hào)的激光傳感器，車輛通過時(shí)分別檢測(cè)傳感器距兩個(gè)輪內(nèi)側(cè)面的距離d1，d2，輪對(duì)內(nèi)距D與激光傳感器的測(cè)量值d1，d2及兩傳感器端面距離L有以下關(guān)系D=L+（d1+d2），L是恒定值，輪對(duì)內(nèi)距的測(cè)量轉(zhuǎn)化為激光傳感器到輪內(nèi)側(cè)面距離的測(cè)量。由圖3可以看出輪對(duì)的橫向竄動(dòng)不影響輪對(duì)內(nèi)距的測(cè)量值。

圖3 輪對(duì)內(nèi)側(cè)距測(cè)量原理圖

四、安裝要求

1.安裝方式

（1）獨(dú)立安裝。設(shè)備整體支架固定在深埋的水泥樁上，支架與鋼軌、軌枕均不接觸，傳感器受輪軌沖擊小，但會(huì)引起傳感器與輪對(duì)的相對(duì)位置不固定。

（2）道床基礎(chǔ)安裝。設(shè)備均安裝于道床的整體沉箱內(nèi)（類似于整體道床），傳感器受沖擊小，但現(xiàn)場(chǎng)施工、維護(hù)難度較大。

（3）卡軌安裝。設(shè)備安裝于卡在鋼軌的結(jié)構(gòu)平臺(tái)上，此安裝方式被測(cè)對(duì)象與傳感器相對(duì)位移小，但傳感器受沖擊大。

2.環(huán)境影響

雨、雪、霧、振動(dòng)等因素對(duì)設(shè)備檢測(cè)精度影響大，避免安裝在露天或在碎石道床區(qū)，最好安裝在庫棚內(nèi)或隧道內(nèi)且在整體道床區(qū)域。

五、應(yīng)用情況

國外車輛輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)技術(shù)發(fā)展較成熟，應(yīng)用較多。目前國內(nèi)各城市地鐵開始陸續(xù)嘗試裝備車輛在線檢測(cè)系統(tǒng)（局部功能），并在車輛故障預(yù)防方面起到了明顯效果，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。各地鐵單位在選擇應(yīng)用時(shí)，有的只在出入庫段線安裝了此部分單項(xiàng)檢測(cè)設(shè)備，或只在正線區(qū)間某一個(gè)點(diǎn)安裝了部分單項(xiàng)檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)系統(tǒng)功能全面應(yīng)用性還不夠，裝設(shè)的檢測(cè)點(diǎn)偏少。

車輛輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用意義在于車輛故障狀態(tài)預(yù)警及狀態(tài)趨勢(shì)分析，作為車輛輪對(duì)作業(yè)的重要裝備，在應(yīng)用中可以研究輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)和不落輪鏇床之間的配合應(yīng)用，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，提高作業(yè)效率。

六、結(jié)束語

車輛輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)裝置的核心設(shè)備都是高精密零部件，有的裝載在車輛上，有的裝設(shè)在軌道兩旁，有的甚至裝設(shè)在露天、野外道床旁，受車輛振動(dòng)、軌道狀態(tài)影響較大，裝置投入使用后定期及時(shí)的調(diào)校、保養(yǎng)工作很重要，這一點(diǎn)不可忽視。隨著各城市地鐵新線陸續(xù)開通，車輛保有量不斷增加。隨著車輛使用年數(shù)的增加，車輛故障率也會(huì)不斷增高，車輛狀態(tài)的檢測(cè)全部靠人工來檢測(cè)，效率低、成本高、質(zhì)量難以控制。車輛在線檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用是車輛檢修現(xiàn)代化發(fā)展的一種趨勢(shì)，為了更好的了解及掌握車輛在線檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，建議各城市地鐵單位盡快建立車輛在線檢測(cè)方面的技術(shù)聯(lián)盟。另外，車輛在線檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用也不單單局限于輪對(duì)尺寸、輪對(duì)踏面缺陷、受流器/受電弓、軸溫、車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)等其中的某一項(xiàng)，應(yīng)從綜合檢測(cè)方面考慮。檢測(cè)涵蓋范圍更廣又基于無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)是未來發(fā)展方向，這方面的技術(shù)應(yīng)用信息應(yīng)不斷跟蹤、研究。

1 高靜濤.輪對(duì)狀態(tài)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用綜述[J].鐵道技術(shù)監(jiān)，2009，37（7）：10-12

2 陳剛.車輛輪對(duì)狀態(tài)在線檢測(cè)研究[J].城市軌道交通研究，2012，15(10)：79-81

3 張廣軍.視覺測(cè)量[M].北京：科學(xué)出版社，2008.3

4 李曉彤.幾何光學(xué).像差.光學(xué)設(shè)計(jì)[M].浙江：浙江大學(xué)出版社，2007.12-01

5 張劍清.攝影測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.06

6 夏才初.地下工程測(cè)試?yán)碚撆c監(jiān)測(cè)技術(shù)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1999.08