蘇釗頤，張海強，邢宗義，王曉浩

(1.廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州510335;2.南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京210094)

0 引言

車輪是保證軌道列車安全運行的關(guān)鍵部件，不僅承載著列車的全部重量而且承受運行中產(chǎn)生的動作用力，因此必須保持良好的技術(shù)狀態(tài)［1］。輪緣是車輪的重要組成部分，保證列車安全可靠地通過彎道和道岔，對列車行駛的安全性及平穩(wěn)性具有重要作用。在列車運行過程中，車輪隨著營運里程的增加而產(chǎn)生磨耗，從而造成輪軌關(guān)系的變化，降低車輛動力性能和乘車舒適度［2］，因此應(yīng)定期對車輪參數(shù)進行測量，獲取輪緣高和輪緣厚等數(shù)值，判斷是否超過檢修限度，對超標(biāo)車輪依據(jù)維修決策進行鏇修或更換，從而保障列車行車的安全性與舒適性［3］。

在列車運行過程中，不同車輪的輪緣磨耗不盡相同，且同一列車中車輪的服役時間也存在差異，因此車輪的輪緣形狀變化較大，使得輪緣測量成為車輪尺寸測量中的難題。在現(xiàn)有檢測方法中，主要分為接觸式測量和非接觸式測量兩種方式。接觸式測量在國內(nèi)主要是第四種檢查器［4］或多連桿磁爬式工具［5］，其測量原理簡單但勞動輕度大、人為誤差難以消除。國外廠家采用激光位移傳感器研制的便攜式輪緣參數(shù)測量儀，通過橫向平移的機械傳動裝置使激光傳感器依次掃描整個踏面，獲取完整的踏面輪廓線，從而實現(xiàn)輪緣參數(shù)的計算［6］。非接觸式測量主要是采用PSD 或CCD 激光法［7-10］，采用圖像識別的方式獲取踏面輪廓線，但該方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受環(huán)境影響大，可靠性較差。

本研究提出一種基于2D 激光位移傳感器的非接觸式在線測量方法。激光位移傳感器安裝在軌道內(nèi)外兩側(cè)，其輸出經(jīng)過坐標(biāo)變換與數(shù)據(jù)融合等算法處理后，得到車輪踏面輪廓線，并經(jīng)輪廓線幾何關(guān)系得到輪緣尺寸。

1 車輪輪廓線與檢測方案

1.1 車輪輪廓線與輪緣尺寸

列車車輪輪廓線為車輪圓心垂向的表面曲線，由踏面和輪緣兩部分組成，車輪輪廓線示意圖如圖1所示。

圖1 車輪輪廓線示意圖

車輪滾壓在鋼軌上的接觸部分稱為踏面，車輪踏面內(nèi)側(cè)有一沿圓周突起的凸緣稱為輪緣。距離輪緣內(nèi)側(cè)基準線70 mm 處踏面上的點被稱為基點?；c和輪緣之間的高度稱為輪緣高，距離基點12 mm 高處輪緣的厚度稱為輪緣厚［11］。

在檢修車輪時，主要通過測量車輪外形參數(shù)來判斷車輪的磨耗程度，這些參數(shù)包括車輪直徑、輪緣厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等，其中以輪緣厚度、踏面磨耗最為關(guān)鍵。為了及時掌握輪緣厚、輪緣高等尺寸的變化情況，對輪緣尺寸進行精確檢測就顯得尤為必要。

1.2 檢測方案

安裝于軌道內(nèi)外側(cè)的兩組2D 激光位移傳感器以一定的幾何關(guān)系鏡面對稱安裝于軌道兩側(cè)，每個2D 激光位移傳感器與軌道的相對距離L1、L2均為100 mm ～450 mm，兩組傳感器的激光探測面處于同一平面并使得整體裝置低于軌面，每個傳感器與垂線的夾角β1、β2為45°。

其安裝示意圖如圖2所示。

圖2 傳感器安裝示意圖

2 輪緣尺寸檢測算法

輪緣尺寸測量及數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 算法流程圖

系統(tǒng)開始工作時，傳感器采集并保存數(shù)據(jù)，將獲取的數(shù)據(jù)進行踏面數(shù)據(jù)分段、數(shù)據(jù)預(yù)處理、坐標(biāo)變換、數(shù)據(jù)融合、關(guān)鍵數(shù)據(jù)組選擇等步驟的算法處理。

2.1 數(shù)據(jù)分段

列車通過檢測區(qū)域時，激光傳感器處于連續(xù)采樣工作狀態(tài)，因此無法直接區(qū)分每個車輪所對應(yīng)的原始數(shù)據(jù)。本研究所選用的激光傳感器，其有效測量范圍為特定的距離區(qū)間，距離過近或過遠時傳感器均不輸出數(shù)據(jù)，因此筆者依據(jù)該特性對采集到的原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分段:車輪進入激光傳感器有效測量范圍時傳感器輸出數(shù)據(jù)，離開其有效測量范圍時傳感器停止輸出數(shù)據(jù)，則該段數(shù)據(jù)為對應(yīng)車輪的有效數(shù)據(jù)段。針對車輪潤滑裝置或其他異物觸發(fā)的傳感器數(shù)據(jù)，由于與車輪數(shù)據(jù)明顯不一致，可在數(shù)據(jù)分段時直接濾除，實現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2.2 坐標(biāo)變換

激光位移傳感器的安裝位置與水平面及軌向均存在一定的角度，因此直接測得的部分輪廓線曲線會存在畸變，應(yīng)對傳感器輸出的有效數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)變換以矯正變形的曲線。為便于理解，本研究將傳感器本身的坐標(biāo)系稱為物理坐標(biāo)系，坐標(biāo)變換之后的坐標(biāo)系稱為中間坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)融合之后的坐標(biāo)系稱為融合坐標(biāo)系。

外側(cè)激光傳感器1 和內(nèi)側(cè)激光傳感器2 的物理坐標(biāo)系分別表示為x(1)o(1)y(1)和x(2)o(2)y(2)，其相對位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 傳感器物理坐標(biāo)系關(guān)系圖

外側(cè)激光傳感器1 和內(nèi)側(cè)激光傳感器2 的中間坐標(biāo)系分別表示為u(1)o(1)v(1)和u(2)o(2)v(2)，則外側(cè)激光傳感器1 的坐標(biāo)變換如圖5所示。

圖5 外側(cè)激光傳感器數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換圖

其坐標(biāo)變換公式為:

內(nèi)側(cè)激光傳感器2 的坐標(biāo)變換如圖6所示。

圖6 內(nèi)側(cè)激光傳感器數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換圖

其坐標(biāo)變換公式為:

式中:(x(2)n，yn(2))—物理坐標(biāo)系x(2)o(2)y(2)內(nèi)任意一點;θ'—該點與y(2)軸的夾角;(u(2)n，v(2)n)—該點中間坐標(biāo)系在u(2)o(2)v(2)內(nèi)的坐標(biāo)值。

2.3 數(shù)據(jù)融合

單個激光傳感器只能獲取車輪輪廓線的部分，因此需要將兩個傳感器的測量數(shù)據(jù)進行融合，從而在融合坐標(biāo)系中得到完整的輪廓線數(shù)據(jù)。外側(cè)激光傳感器1 和內(nèi)側(cè)激光傳感器2 的中間坐標(biāo)系u(1)o(1)v(1)、u(2)o(2)v(2)與融合坐標(biāo)系的關(guān)系如圖7所示。

圖7 兩個激光傳感器數(shù)據(jù)融合示意圖

其數(shù)據(jù)融合公式為:

式中:a，b—o(1)在融合坐標(biāo)系u(0)o(0)v(0)下的橫縱坐標(biāo);c，d—o(2)在融合坐標(biāo)系u(0)o(0)v(0)下的橫縱坐標(biāo)。

2.4 關(guān)鍵數(shù)據(jù)組選擇

車輪在通過傳感器有效檢測區(qū)域時，隨著列車運行速度及傳感器采樣頻率的不同，激光傳感器會輸出數(shù)量不等的多組數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)融合后即可得到完成踏面輪廓線，可根據(jù)踏面幾何關(guān)系得出每組數(shù)據(jù)的輪緣尺寸。對多組數(shù)據(jù)的處理應(yīng)以傳感器發(fā)射的激光線穿過車輪圓心時刻所對應(yīng)的一組數(shù)據(jù)為關(guān)鍵數(shù)據(jù)組，根據(jù)該組數(shù)據(jù)進行輪對尺寸計算。

設(shè)激光探測面過輪心時刻所測的輪緣高為h，其他時刻所測的輪緣高為h'，激光線過輪心示意圖如圖8所示。

圖8 激光線過輪心示意圖

由圖8 可見，h'均產(chǎn)生了拉伸變形，h' ＞h，因此在不同時刻中所測輪緣高最小值對應(yīng)著關(guān)鍵數(shù)據(jù)組，以該時刻的輪緣尺寸計算值作為車輪的最終輪緣尺寸值。

3 試驗與分析

為了驗證本研究提出的輪緣尺寸檢測方法的有效性和檢測精度，筆者在廣州市地下鐵道總公司赤沙車輛段運轉(zhuǎn)庫19 道進行了現(xiàn)場試驗，包括輪對試驗和過車試驗兩部分。

在輪對試驗中，筆者將單獨一個輪對放置在軌道上，人工推動輪對勻速通過檢測系統(tǒng)。該車輪的輪緣尺寸由首先由人工進行測量，其中輪緣高為28.2 mm，輪緣厚為32.1 mm，然后人工推動進行6 次自動系統(tǒng)測量，其結(jié)果如表1所示。可見系統(tǒng)測量誤差為±0.1 mm。

表1 輪對試驗結(jié)果(單位:mm)

第1 次測量時激光位移傳感器采集的原始數(shù)據(jù)如圖9所示。經(jīng)過算法處理后得到的融合坐標(biāo)系下的車輪輪廓線如圖10所示。

圖9 傳感器原始采集數(shù)據(jù)

圖10 融合坐標(biāo)系中的輪廓線

2014年6月30日至7月9日，本研究對6162 車的BC 車的8 個車輪進行了10 次輪緣厚測量試驗。每次試驗均進行人工測量與系統(tǒng)自動測量，10 次測量結(jié)果求取平均值作為測量值如圖11、表2所示。輪緣厚的人工測量值和系統(tǒng)測量值的偏差均在0.2 mm 范圍之內(nèi)，證明了本研究提出的檢測系統(tǒng)具有很高的精度;10 次測量得到的輪緣厚最大值與最小值如圖12所示?？梢娽槍? 個測試車輪，人工測量的最大最小值偏差均大于檢測系統(tǒng)的偏差，從而證明了本研究提出的檢測系統(tǒng)一致性優(yōu)于人工測量。

表2 輪緣厚人工測量與機測比較(單位:mm)

4 結(jié)束語

本研究提出了一種基于2D 激光位移傳感的輪對輪緣尺寸測量方法，實現(xiàn)了輪緣尺寸的在線非接觸式測量。在軌道兩側(cè)安裝激光位移傳感器進行車輛踏面數(shù)據(jù)采集，并經(jīng)過分析處理獲取車輪輪廓線，從而計算得到輪緣尺寸值。

通過現(xiàn)場進行的輪對試驗和過車試驗兩組試驗結(jié)果，得出該測量方法的偏差為±0.2 mm，系統(tǒng)測量的一致性優(yōu)于人工測量，即系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性都較好，能滿足現(xiàn)場實際測量要求，為及時掌握輪緣尺寸的變化提供了保障。與傳統(tǒng)的人工測量或圖像識別法相比，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和測量準確等優(yōu)點，是軌道交通車輛輪緣測量應(yīng)用的有益嘗試。

圖11 輪緣厚機測與人工平均值比較

圖12 輪緣厚機測與人工最值比較

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