楊姝

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院，四川 成都 611731）

車輪不均勻磨損激光位移測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與測(cè)試

楊姝

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院，四川 成都 611731）

為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量車輪踏面圓周方向的不均勻磨損情況，基于激光位移測(cè)量方法設(shè)計(jì)一種新型車輪不均勻磨損測(cè)量?jī)x。設(shè)計(jì)中利用轉(zhuǎn)輪與編碼器同步轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)不均勻磨損的等步長(zhǎng)測(cè)量，通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信與采集控制。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明：激光車輪不均勻磨損測(cè)量?jī)x能在現(xiàn)場(chǎng)方便快捷地測(cè)量車輪圓周表面不均勻磨損，結(jié)果具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，其測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)0.1μm。

不均勻磨損；激光位移傳感器；測(cè)量?jī)x；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

0 引言

車輪作為鐵路機(jī)車和車輛的重要行走部件，需要安全可靠地承擔(dān)載荷并在鋼軌上快速行駛。在鐵路車輪踏面圓周方向上出現(xiàn)的不均勻磨損[1-3]，將引起車輛軌道系統(tǒng)一系列動(dòng)力響應(yīng)的變化，對(duì)行車穩(wěn)定性、安全性、舒適性以及車輛軌道系統(tǒng)各個(gè)部件使用壽命產(chǎn)生很大影響[4-5]。

為了研究車輪踏面圓周不均勻磨損的形成與發(fā)展機(jī)理，首先要對(duì)出現(xiàn)不均勻磨損的車輪進(jìn)行測(cè)量以獲得磨損形狀。王捷等[6]提出了一種機(jī)械式車輪不圓度測(cè)量設(shè)備，但由于傳感器的接觸會(huì)帶來(lái)一定的磨損現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的精度和重復(fù)性。李劍波[7]研究了一種利用平行四邊形機(jī)構(gòu)的在線式車輪不圓度檢測(cè)裝置。洪燎等[8]開(kāi)發(fā)了一款便攜式軌道車輪不圓度及直徑測(cè)量裝置，給出了測(cè)量原理、算法及誤差。Johansson[9]分析了車輪不圓度接觸測(cè)量方法，研究了車輪不圓度對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)行為的影響。Ben H J[10]通過(guò)圖像監(jiān)測(cè)法研究了車輪實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)裝置，可實(shí)現(xiàn)車輪不圓度的在線監(jiān)測(cè)。

現(xiàn)場(chǎng)要求對(duì)車輪進(jìn)行不拆卸的直接測(cè)量[11]，因此測(cè)量設(shè)備必須是便攜式，能方便地移動(dòng)、安裝和拆卸，且測(cè)量精度高。本文基于激光位移傳感測(cè)量設(shè)計(jì)了一種新型車輪不均勻磨損測(cè)量?jī)x，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)方便快捷地測(cè)試車輪圓周表面不均勻磨損。

1 測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)方便快捷地測(cè)量車輪踏面不均勻磨損情況，所設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x必須能快速安裝定位。車輪不均勻磨損測(cè)量?jī)x主要由激光位移傳感器、控制器、轉(zhuǎn)輪與編碼器、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)等組成?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)示意圖

工作原理如下：激光位移傳感器感測(cè)頭10發(fā)出的激光束（圖1中紅線）直接照射到被測(cè)車輪1的磨損表面，經(jīng)車輪表面反射的激光通過(guò)激光位移傳感器接收器鏡頭接收，可計(jì)算出傳感器與被測(cè)物體之間的相對(duì)距離。測(cè)量過(guò)程中手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)車輪1，由于摩擦作用轉(zhuǎn)輪3與車輪實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，并使得與轉(zhuǎn)輪3連接的編碼器4旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生測(cè)量脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)輸送到控制器11可控制激光位移傳感器進(jìn)行一次相對(duì)距離測(cè)量和記錄，通過(guò)控制器11的串口通信把測(cè)量結(jié)果送入計(jì)算機(jī)12進(jìn)行處理。

為方便快捷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與拆卸，測(cè)量?jī)x的固定采用可控磁力座7，8實(shí)現(xiàn)，把激光位移傳感器和轉(zhuǎn)輪均通過(guò)磁力座快速固定在鋼軌上面。

1.2 測(cè)量轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)

激光傳感器的測(cè)量受編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)決定，編碼器產(chǎn)生的脈沖是由轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生，而轉(zhuǎn)輪是由車輪踏面摩擦產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)，這就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪與車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的一致性。因此，傳感器測(cè)量點(diǎn)均勻分布在車輪圓周方向上，和車輪轉(zhuǎn)動(dòng)是否勻速及速度大小沒(méi)有關(guān)系。

為充分反映車輪踏面圓周方向的不均勻磨損情況，需要合理控制測(cè)量的步長(zhǎng)。編碼器是將信號(hào)或者數(shù)據(jù)進(jìn)行編制，并轉(zhuǎn)換成可用于傳輸和存儲(chǔ)信號(hào)的一種設(shè)備。設(shè)計(jì)中選用600脈沖信號(hào)的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。選定轉(zhuǎn)輪的半徑為R=50mm，當(dāng)轉(zhuǎn)輪與車輪之間不存在相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，則測(cè)量步長(zhǎng)為

為確保車輪與轉(zhuǎn)輪之間不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，必須增加兩者之間的摩擦力，故把轉(zhuǎn)輪圓周設(shè)計(jì)成O型橡膠圈材料。同時(shí)在轉(zhuǎn)輪固定桿上設(shè)計(jì)拉伸彈簧6以增加轉(zhuǎn)輪與車輪踏面之間的接觸壓力，更好地實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.3 激光位移傳感器

激光位移傳感器利用激光的高方向性、單色性以及高亮度等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸測(cè)量。為提高測(cè)量準(zhǔn)確度，所設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x使用LK-G35激光位移傳感器、LK-G3001V控制器。LK-G35激光位移傳感器的工作參照距離為30 mm，測(cè)量范圍±5 mm，重復(fù)準(zhǔn)確度0.05μm。LK-G3001V控制器可擴(kuò)展連接兩個(gè)激光位移傳感器，故所設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x能同時(shí)實(shí)現(xiàn)一個(gè)輪對(duì)的不均勻磨損測(cè)量，大大提高了測(cè)量的速度。同時(shí)LK-G3001V控制器具有串口通信功能，這為實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)的通信傳輸提供了技術(shù)支持。

從圖2中可知，固定桿一端連接激光位移傳感器感測(cè)頭，一端連接磁力座，磁力座固定在鐵軌上，從而對(duì)感測(cè)頭進(jìn)行定位。固定桿下端要做成螺紋，從而和磁力座上部的螺紋孔進(jìn)行連接。上端安裝激光位移傳感器的設(shè)計(jì)滿足了在車輪軸向上的移動(dòng)要求，從而可測(cè)量車輪踏面任意橫向位置處的不均勻磨損情況。

2 數(shù)據(jù)通信與采集實(shí)現(xiàn)

利用激光位移傳感器控制器中的RS-232C串口通信功能連接計(jì)算機(jī)通信串口，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量?jī)x測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸與記錄。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄與分析處理，基于Java設(shè)計(jì)了車輪不均勻磨損測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，如圖3所示。

圖2 激光位移傳感器定位設(shè)計(jì)

圖3 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)界面

數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)由系統(tǒng)界面、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析等模塊組成。測(cè)量顯示包括動(dòng)態(tài)測(cè)量值、最大值、最小值、峰谷值、直徑、不圓度等。數(shù)據(jù)分析主要通過(guò)程序函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的頻譜分析，計(jì)算出不均勻磨損的階次。同時(shí)軟件可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示最大值、最小值、不圓度等，還可根據(jù)具體要求進(jìn)行較為復(fù)雜的傅里葉變換等數(shù)據(jù)分析。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)

用本文設(shè)計(jì)的新型車輪不均勻磨損測(cè)量?jī)x對(duì)車輪踏面出現(xiàn)的不均勻磨損情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，如圖4所示。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果與分析如圖5所示。通過(guò)對(duì)車輪踏面圓周方向進(jìn)行不均勻磨損測(cè)量發(fā)現(xiàn)，車輪踏面圓周方向出現(xiàn)了明顯的波浪形磨損現(xiàn)象（見(jiàn)圖5（a））。利用數(shù)據(jù)采集分析軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，可獲得車輪圓周波浪形磨損的階次。通過(guò)圖5（b）分析可知，所測(cè)車輪踏面不均勻磨損階次主要為8階次，這說(shuō)明車輪沿圓周呈8次不均勻規(guī)律分布（見(jiàn)圖5（b））。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試照片

圖5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果與分析

圖6 測(cè)量結(jié)果對(duì)比

對(duì)比圖6結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所研制的激光測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果與高精度ODS輪軌表面粗糙度測(cè)量?jī)x（丹麥生產(chǎn)，主要用于輪軌表面粗糙度測(cè)量，精度0.1 μm、量程1 mm，傳感器為接觸式位移傳感器）結(jié)果具有很好的一致性。多次測(cè)量結(jié)果表明激光測(cè)量?jī)x具有很好的測(cè)量準(zhǔn)確度和結(jié)果重復(fù)性，其測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)0.1 μm。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的激光位移測(cè)量?jī)x能現(xiàn)場(chǎng)方便快捷地測(cè)量車輪圓周表面不均勻磨損情況，實(shí)現(xiàn)了等步長(zhǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量與記錄，測(cè)量速度快；通過(guò)擴(kuò)展連接兩個(gè)激光位移傳感器可實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量一個(gè)輪對(duì)的不均勻磨損，極大提高了測(cè)試效率。設(shè)計(jì)的激光測(cè)量?jī)x測(cè)量量程達(dá)±5mm，測(cè)量準(zhǔn)確度0.1μm，能自動(dòng)采集并分析數(shù)據(jù)，完全滿足車輪圓周表面不均勻磨損現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求。

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Design and test of wheel uneven-wear measuring instruments based on laser displacement sensors

YANG Shu
（Chengdu College，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

To carry out field measurement on uneven wear in the circumferential direction of wheel tread，a novel wheel uneven-wear measuring instrument was designed based on laser displacement measurement.During the design，equal-step detection for uneven-wear was realized through synchronous rotation between a rotary wheel and an encoder，and serial communication was adopted for data communication and acquisition control between the measuring instrument and a computer.The field test indicates that this instrument can be applied to measure uneven wear on wheel circumference surface in convenient and rapid manners due to high repeatability and stability and 0.1μm-measurement accuracy.

uneven wear；laser displacement sensor；measuring instrument；field testing

A

：1674-5124（2015）05-0079-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.020

2014-10-22；

：2014-12-28

四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2011JY0129）

楊 姝（1982-），女，四川德陽(yáng)市人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)測(cè)量與設(shè)計(jì)研究。