馮其波，楊婧，鄭發(fā)家，趙曉華

(1.北京交通大學(xué) 理學(xué)院光電檢測技術(shù)研究所,北京 100044；2.東莞市諾麗電子科技有限公司，廣東 東莞 523050)

0　引言

高速鐵路和城市軌道交通的快速發(fā)展給國民經(jīng)濟(jì)注入了強(qiáng)大的活力，給人們的出行帶來了極大的方便，但同時(shí)給鐵路和城市軌道交通的運(yùn)行安全帶來了巨大的挑戰(zhàn)。世界各國的高速鐵路和城市軌道交通均發(fā)生過不同程度的列車脫軌事故，造成不同程度的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，其中最為災(zāi)難性的當(dāng)數(shù)1998年德國高速列車由輪對(duì)故障引起的脫軌事故和我國723溫州動(dòng)車事故。造成高速列車事故的主要原因包括：人為因素、控制系統(tǒng)失靈、鐵路重要零部件損傷、輪軌配合異常等。根據(jù)美國聯(lián)邦鐵路局安全分析辦公室官方網(wǎng)站的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，美國自1975年以來，機(jī)械與電氣故障引起25884起鐵路事故、造成經(jīng)濟(jì)損失21.13億美元，其中19%的事故以及27%的經(jīng)濟(jì)損失由輪對(duì)故障引起[1]。一項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示，2013年北美鐵路貨車修理費(fèi)用超過12億美元，其中車輪踏面損傷比例達(dá)到56%[2]。

由此可見，輪對(duì)質(zhì)量優(yōu)劣對(duì)鐵路和城市軌道交通運(yùn)行安全有至關(guān)重要的影響。及時(shí)對(duì)已損壞輪對(duì)進(jìn)行檢修，可以有效降低事故發(fā)生率、提高列車?yán)寐剩粚?duì)輪對(duì)幾何參數(shù)進(jìn)行長期跟蹤監(jiān)測，可以為輪對(duì)設(shè)計(jì)與制造、運(yùn)用與維修、輪軌磨耗預(yù)測以及鋼軌型面優(yōu)化提供科學(xué)決策的依據(jù)。因此，如何對(duì)輪對(duì)幾何參數(shù)與擦傷進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測量，成為軌道交通領(lǐng)域迫切需要解決的問題，也是此領(lǐng)域科技人員長期研究的重大課題。到目前為止，輪對(duì)幾何參數(shù)與擦傷測量經(jīng)歷了人工測量、離線自動(dòng)測量與在線測量三個(gè)階段。

人工測量：通過輪徑尺、第四檢查器等工具[3]手動(dòng)測量輪對(duì)幾何參數(shù)。存在測量誤差大、效率低等不足，不能準(zhǔn)確、快速獲取所有列車輪對(duì)的幾何狀態(tài)，造成輪對(duì)“帶傷工作”，存在較大的安全隱患。

離線自動(dòng)測量：即列車運(yùn)行一定周期后強(qiáng)制送到工廠，將所有輪對(duì)從車體上卸下，送入自動(dòng)檢測裝置自動(dòng)測量輪對(duì)參數(shù)。離線自動(dòng)測量主要采用激光器和CCD攝像頭構(gòu)建的激光機(jī)器視覺系統(tǒng)[4]，通過測量系統(tǒng)時(shí)得到輪對(duì)踏面輪廓，經(jīng)過處理得到輪對(duì)的各種尺寸。離線測量與定期檢測制度聯(lián)系在一起。定期檢修制度一方面不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)列車輪對(duì)故障，造成輪對(duì)“帶傷工作”，構(gòu)成安全隱患；另一方面使輪對(duì)沒有故障也要強(qiáng)制檢修，造成財(cái)力物力的浪費(fèi)。這種定期檢修制度無法滿足我國高速鐵路和城市軌道交通快速發(fā)展的需要，因此基于輪對(duì)幾何參數(shù)在線測量的狀態(tài)修成為世界發(fā)達(dá)國家的管理模式。

在線動(dòng)態(tài)測量：即利用軌邊測量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測量所有通過的列車輪對(duì)參數(shù)。該方法不僅可以實(shí)時(shí)快速準(zhǔn)確獲取列車輪對(duì)幾何參數(shù)，而且對(duì)超限輪對(duì)及時(shí)更換、實(shí)現(xiàn)狀態(tài)修，既保證了列車的安全運(yùn)營，又提高了輪對(duì)的使用效率，成為目前國內(nèi)外輪對(duì)幾何參數(shù)測量的發(fā)展趨勢。在線動(dòng)態(tài)測量主要采用激光傳感法、機(jī)器視覺法或激光傳感與機(jī)器視覺相結(jié)合的方法。

本論文就輪對(duì)狀態(tài)參數(shù)定義進(jìn)行介紹，概述國內(nèi)外輪對(duì)幾何參數(shù)與擦傷測量方法，分析各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹近20年來我們?cè)谳唽?duì)幾何參數(shù)與缺陷動(dòng)態(tài)在線檢測方面的工作，并討論未來輪對(duì)檢測的發(fā)展趨勢。

1　輪對(duì)狀態(tài)參數(shù)定義

如圖1 (a)所示，將兩個(gè)相同的車輪和一根車軸壓裝在一起形成的整體即為輪對(duì)。輪對(duì)是機(jī)車和車輛最重要的運(yùn)動(dòng)部件，車輪與鋼軌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[5-6]，如圖1(6)所示。輪對(duì)狀態(tài)參數(shù)分為幾何尺寸(車輪直徑、輪緣厚、輪緣高度、QR值、輪輞寬、踏面磨耗、內(nèi)側(cè)距，見圖1)、位置和形狀(踏面滾動(dòng)圓不圓度、內(nèi)側(cè)面平行度、輪廓)、缺陷(擦傷、剝離與損傷)三類。

圖1　輪對(duì)幾何參數(shù)的定義

列車運(yùn)行一段時(shí)間后，輪對(duì)踏面會(huì)發(fā)生磨損，出現(xiàn)輪對(duì)參數(shù)異常、磨耗超限、擦傷、裂紋等情況。尺寸超限影響輪軌配合，可能造成脫軌；擦傷引起振動(dòng)和沖擊，對(duì)線路固定設(shè)施(如軌道結(jié)構(gòu)、橋梁等)及車輛結(jié)構(gòu)造成了極大的損害，加大了維修成本；損傷和裂紋可造成輪對(duì)開裂和列車重大事故。要保證軌道交通的運(yùn)行安全、降低系統(tǒng)的維護(hù)成本，需要通過檢測判斷輪對(duì)是否存在內(nèi)部缺陷、輪對(duì)與鋼軌的位置及配合是否存在異常。需要測量的輪對(duì)主要幾何參數(shù)有：

車輪直徑：踏面上距離車輪內(nèi)側(cè)面70 mm處為基點(diǎn)，通過基點(diǎn)且垂直于車軸形成的圓稱為滾動(dòng)圓，滾動(dòng)圓的直徑即車輪踏面直徑。

輪緣厚度：做一條垂直于車輪內(nèi)側(cè)面的直線，并使直線與基點(diǎn)的距離為12 mm，直線和輪緣相交，兩交點(diǎn)之間的距離稱為輪緣厚度。

輪輞寬：車輪的內(nèi)側(cè)面是在生產(chǎn)車間中加工車輪時(shí)的基準(zhǔn)面，內(nèi)、外側(cè)面之間的距離被定義為輪輞寬。

踏面磨耗：使用后的輪對(duì)踏面基點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)踏面基點(diǎn)之間的垂直距離[5-6]。

2　輪對(duì)幾何尺寸測量方法

輪對(duì)幾何尺寸、位置和形狀都屬于幾何量，測量方法比較類似，目前主要采用激光傳感法[7-10]、機(jī)器視覺法[11-20]、激光傳感與機(jī)器視覺結(jié)合法[21]進(jìn)行測量。由于直徑測量屬于大尺寸測量，且其測量精度受車輪姿態(tài)影響較大，成為輪對(duì)幾何參數(shù)測量的重點(diǎn)與難點(diǎn)。根據(jù)以上分類，對(duì)輪對(duì)幾何參數(shù)和直徑的測量方法進(jìn)行介紹。

2.1　激光傳感器法

1990年，Danneskiold-samsoe U等人提出一種基于激光傳感器的列車車輪踏面磨耗測量方法[7]：列車車輪經(jīng)過時(shí)，外側(cè)1D激光位移傳感器測量一條踏面輪廓曲線，內(nèi)側(cè)1D激光傳感器測量內(nèi)側(cè)面位置，修正測量的輪廓曲線，可降低蛇行對(duì)測量結(jié)果的影響，對(duì)比修正后的踏面輪廓曲線與標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲線，得出踏面磨耗。當(dāng)列車以30～100 km/h速度經(jīng)過時(shí)，磨耗測量精度為0.1 mm。該方法結(jié)構(gòu)簡單、測量速度快、精度高，但測量精度受車速影響。設(shè)置多套外側(cè)激光位移傳感器可以在一瞬間得到踏面輪廓曲線上的多個(gè)點(diǎn)，可不受車速影響，但成本大大提高。

1998年，Naumann H J研制出一套基于多個(gè)1D激光位移傳感器的列車車輪幾何參數(shù)測量系統(tǒng)[8]：列車經(jīng)過時(shí)，多個(gè)1D激光位移傳感器發(fā)射的激光分別投射到車輪輪廓不同位置，通過對(duì)各傳感器測得結(jié)果進(jìn)行處理，獲得輪對(duì)幾何參數(shù)。該系統(tǒng)安裝于軌邊時(shí)，可以判斷速度高于72 km/h的列車是否有磨耗過大的車輪；該系統(tǒng)安裝于車間時(shí)，可以測量速度低于9.6 km/h的列車輪對(duì)的輪緣高、輪緣厚、輪輞寬、直徑以及磨耗等參數(shù)。

2008年起，我們提出多種基于激光傳感的車輪直徑測量方法[9-10]，精度從最初的1.5 mm提高到0.3 mm。

單1D激光位移傳感器測量方法如圖2(a)所示。1D激光位移傳感器在原點(diǎn)A以α角度出射的激光照射在車輪踏面上，在B點(diǎn)形成光斑，得到原點(diǎn)A與B點(diǎn)間距l(xiāng)1；設(shè)車輪圓周的最低點(diǎn)與x軸(即鋼軌)相切于C點(diǎn)，C點(diǎn)與A點(diǎn)相距L1。將B點(diǎn)坐標(biāo)(l1cosα，l1sinα)與C點(diǎn)坐標(biāo)(L1，0)代入車輪圓周方程(x-L1)2+(y-R)2=R2，有

(1)

已知1D激光位移傳感器安裝角α，當(dāng)車輪到達(dá)C點(diǎn)時(shí)測量l1即可根據(jù)式(1)得到車輪半徑R。在C點(diǎn)設(shè)置一個(gè)渦流傳感器時(shí)，通過判斷傳感器輸出曲線最低點(diǎn)定位車輪。由圖2(b)可以看出，越靠近最低點(diǎn)輸出曲線變化越緩慢，導(dǎo)致定位精度相對(duì)較低。若在圖2(a)中沿C點(diǎn)對(duì)稱的D1，D2兩點(diǎn)分別設(shè)置兩個(gè)渦流傳感器，當(dāng)車輪位于C點(diǎn)時(shí)兩個(gè)渦流傳感器的曲線斜率較大，通過兩個(gè)渦流傳感器差分后的過零點(diǎn)定位車輪，可提高沿x軸方向的定位精度[10]，從而提高測量直徑的精度。

圖2　單1D激光位移傳感器直徑測量

圖2(a)和式(1)成立的前提是準(zhǔn)確定位車輪最低點(diǎn)即C點(diǎn)。通過雙渦流差分定位可以提高沿x軸方向的定位精度，但無法減小由于車輪姿態(tài)與蛇形引入的橫向定位誤差。為此我們提出如圖3(a)所示的雙1D激光位移傳感器測量方法：在與C點(diǎn)相距L2的G點(diǎn)上增加一個(gè)1D激光位移傳感器，以β角度出射的激光照射在車輪踏面的E點(diǎn)上，得到G，E兩點(diǎn)間距l(xiāng)2。與式(1)類似，根據(jù)E點(diǎn)與C點(diǎn)計(jì)算車輪半徑R。

(2)

取式(1)、式(2)平均值作為被測車輪半徑R。

(3)

若α=β，L=L1=L2，可將式(3)進(jìn)一步簡化為

(4)

當(dāng)R=450 mm，L=450 mm，α=β=45°時(shí)，由于渦流位移傳感器橫向定位不準(zhǔn)造成的半徑測量誤差的仿真計(jì)算結(jié)果如圖3(b)所示：當(dāng)渦流位移傳感器橫向定位誤差在±4 mm內(nèi)時(shí)，造成的半徑測量誤差小于0.2 mm。

圖3　雙1D激光位移傳感器直徑測量

當(dāng)給定半徑的車輪沿一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其中的一個(gè)1D激光位移傳感器的輸出在增加，而另一個(gè)1D激光位移傳感器的輸出在減少，結(jié)果使得兩個(gè)1D激光位移傳感器的輸出之和基本不變。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過輸出之和最低點(diǎn)也可以實(shí)現(xiàn)車輪定位，得到被測直徑的大小，渦流傳感器可以去掉。

考慮到實(shí)際安裝時(shí)，很難保證雙1D激光位移傳感器與渦流傳感器共面，為了進(jìn)一步提高測量精度，故提出三點(diǎn)測圓法：通過機(jī)械加工保證三個(gè)激光位移傳感器位于同一平面，測量同一踏面滾動(dòng)圓上三點(diǎn)的空間坐標(biāo)，根據(jù)三點(diǎn)坐標(biāo)擬合得到滾動(dòng)圓方程，從而得到輪對(duì)直徑。通過該方法對(duì)同一輛地鐵車輛(含24組輪對(duì))9次入庫時(shí)進(jìn)行輪對(duì)直徑測量，其結(jié)果如圖4所示。左右兩側(cè)車輪實(shí)測精度分別為0.37 mm與0.31 mm，明顯高于國內(nèi)外產(chǎn)品標(biāo)稱0.5 mm精度，解決了踏面直徑高精度動(dòng)態(tài)測量關(guān)鍵問題。

圖4　現(xiàn)場同一輛車(24組輪對(duì))9次測量結(jié)果圖

2.2　機(jī)器視覺法

上世紀(jì)90年代，Ionescu Octavian用縫隙式照明裝置結(jié)合攝像機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)了最大速度為10～12 km/h的車輪輪廓與磨耗的在線測量[11]。隨著機(jī)器視覺測量技術(shù)的發(fā)展，基于結(jié)構(gòu)光的測量成為常用的輪對(duì)幾何參數(shù)在線測量方法，測量系統(tǒng)如圖5所示，激光器與攝像機(jī)構(gòu)成結(jié)構(gòu)光視覺傳感器，兩個(gè)結(jié)構(gòu)光視覺傳感器分別安裝于鋼軌內(nèi)外兩側(cè)，同時(shí)測量得到一條完整車輪輪廓曲線，與標(biāo)準(zhǔn)車輪輪廓對(duì)比，可得到直徑、輪緣厚、輪輞寬、踏面磨耗等參數(shù)。

2015年張廣軍等人利用該原理，實(shí)現(xiàn)了車速100 km/h時(shí)，踏面磨耗測量誤差為0.18 mm[14]。在此基礎(chǔ)上提出的結(jié)構(gòu)光車輪直徑測量系統(tǒng)，通過擬合車輪踏面圓上均勻分布的八個(gè)特征點(diǎn)得到車輪直徑[15]，結(jié)合全局標(biāo)定技術(shù)[22-23]，在車速小于80 km/h時(shí)，直徑測量極限誤差為0.54 mm。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光測量方法一次只能獲得一條車輪輪廓，當(dāng)采用車輪輪廓計(jì)算直徑時(shí)，需要設(shè)置多套結(jié)構(gòu)光視覺傳感器拍攝多幅圖像，增加系統(tǒng)成本。張渝等人提出將正弦條紋光投射到輪對(duì)踏面，利用小波變換輪廓術(shù)實(shí)現(xiàn)車輪表面三維重構(gòu)，拍攝幾幅圖像就可實(shí)現(xiàn)車輪幾何參數(shù)與擦傷檢測[16]。該方法重建精度受條紋方向影響，僅進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，并未用于實(shí)際測量。

圖5　基于結(jié)構(gòu)光的車輪參數(shù)檢測系統(tǒng)[14]

經(jīng)過對(duì)結(jié)構(gòu)光輪對(duì)幾何參數(shù)動(dòng)態(tài)測量多年的研究，目前，提出圖6所示的一體化結(jié)構(gòu)光的輪對(duì)幾何參數(shù)測量方法：對(duì)結(jié)構(gòu)光視覺傳感器進(jìn)行一體化封裝，當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)，可減小由于震動(dòng)引入的測量誤差。此外，采用“張正友標(biāo)定”法，通過拍攝三幅以上的棋盤格圖像，對(duì)現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器進(jìn)行標(biāo)定，得到傳感器的內(nèi)參、外參和畸變系數(shù)，對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)并獲得三維重建的基礎(chǔ)。

圖6　一體化結(jié)構(gòu)光車輪參數(shù)檢測裝置

基于結(jié)構(gòu)光的輪廓測量方法難點(diǎn)在于激光器投射的激光平面與被測輪對(duì)圓心不重合。造成結(jié)構(gòu)光不過圓心的主要原因(如圖7所示)：①被測車輪直徑不一致，例如針對(duì)直徑為2R的標(biāo)準(zhǔn)車輪設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)輪通過定位點(diǎn)C點(diǎn)時(shí)，結(jié)構(gòu)光過圓心O，當(dāng)直徑為2R′的磨耗輪通過定位點(diǎn)C點(diǎn)時(shí)，結(jié)構(gòu)光不過圓心O′；②由于機(jī)械加工與安裝引入的誤差，結(jié)構(gòu)光實(shí)際出射角度α′與設(shè)計(jì)角度α不一致，也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)光不過圓心；③由于定位不準(zhǔn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)光不過圓心。當(dāng)結(jié)構(gòu)光不過車輪圓心時(shí)，測得的輪廓與被測車輪踏面輪廓存在一定的坐標(biāo)平移與旋轉(zhuǎn)，給測量結(jié)果帶來誤差。為了修正這一誤差，需要精確測量安裝參數(shù)α和車輪直徑，提高車輪定位精度。在我們研制的輪對(duì)幾何參數(shù)與缺陷動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)中包含高精度的車輪直徑測量系統(tǒng)，可根據(jù)該系統(tǒng)測得的車輪直徑，結(jié)合安裝參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)光不過圓心進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。

圖7　結(jié)構(gòu)光不過車輪圓心示意圖

為此，我們提出一種基于多線結(jié)構(gòu)光的輪對(duì)幾何參數(shù)動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)[17]，其基本結(jié)構(gòu)如圖8所示，包括一個(gè)定位傳感器與兩個(gè)對(duì)稱分布的多線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器。多線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器由一個(gè)多線激光器和一個(gè)攝像機(jī)組成。列車經(jīng)過時(shí)，定位傳感器觸發(fā)多線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器拍攝包含如圖9所示多線結(jié)構(gòu)光光條的車輪輪廓信息，通過算法可以成功提取大部分光條。若干組基本結(jié)構(gòu)分布在軌道的內(nèi)外側(cè)，形成一個(gè)檢測區(qū)域，輪對(duì)在檢測區(qū)域轉(zhuǎn)動(dòng)一周后，若干多線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器完成對(duì)車輪踏面不同區(qū)域的拍攝，對(duì)所有圖像進(jìn)行融合與三維重建后，可以得到整個(gè)輪對(duì)的完整輪廓，與標(biāo)準(zhǔn)輪廓相比，得到車輪幾何參數(shù)。目前，該方法實(shí)驗(yàn)室測得直徑、輪緣高與輪緣厚的極限誤差分別為±0.38，±0.06，±0.21 mm。

圖8　基于多線結(jié)構(gòu)光的輪對(duì)狀態(tài)自動(dòng)測量系統(tǒng)

圖9　多線結(jié)構(gòu)光光條提取

除了采用上述分離式結(jié)構(gòu)光傳感器[12-15]之外，還可采用一體式2D激光位移傳感器[18-20]進(jìn)行輪對(duì)幾何尺寸在線測量。分離式結(jié)構(gòu)光傳感器可以通過多線結(jié)構(gòu)光等方法拍攝一幅圖像得到多條車輪輪廓，但測量結(jié)果受安裝誤差影響較大；一體式2D激光位移傳感器測量精度高，且受安裝誤差影響較小，一個(gè)傳感器只能得到一條輪廓曲線，要得到完整的車輪輪廓需要多個(gè)二維激光傳感器，成本較高。

2.3　激光傳感與機(jī)器視覺結(jié)合法

圖10　基于2D激光位移傳感器的輪對(duì)幾何參數(shù)測量系統(tǒng)[19]

2015年，我們提出如圖10所示的輪對(duì)幾何參數(shù)測量方法[19]：2D激光位移傳感器測量車輪外側(cè)踏面曲線，1D激光位移傳感器確定內(nèi)側(cè)面空間位置，由于車輪輪緣內(nèi)側(cè)基本不產(chǎn)生磨耗與擦傷，確定內(nèi)側(cè)面位置以及外側(cè)輪廓即可求出車輪直徑、輪緣厚、輪緣高、磨耗與內(nèi)側(cè)距等參數(shù)。該方法具有系統(tǒng)簡單、成本低、系統(tǒng)可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。

為了提高直徑測量精度，采用激光傳感法測量直徑與機(jī)器視覺測量輪廓相結(jié)合的方法對(duì)車輪的幾何尺寸進(jìn)行在線測量，實(shí)現(xiàn)了20 km/h以下車速經(jīng)過時(shí)，車輪直徑極限誤差±0.3 mm，其他幾何參數(shù)極限誤差±0.2 mm。

3　擦傷測量方法

車輪踏面為車輪在鋼軌面上滾動(dòng)接觸的部位。踏面的擦傷、磨損等缺陷會(huì)給車輛與鋼軌帶來振動(dòng)和噪聲,尤其是踏面擦傷會(huì)給車輪軸承與鋼軌帶來巨大的額外沖擊載荷,其附加沖擊的大小隨擦傷的深度、長度及列車的速度、載重量的不同可達(dá)到車輪靜載荷的幾倍到幾十倍,是引起輪對(duì)軸承損傷、造成軸溫升高、輪軸斷裂、鋼軌和混凝土軌枕斷裂的主要原因之一[24]。因此踏面缺陷測量也是車輪狀態(tài)測量的重要部分，踏面缺陷測量主要是測量擦傷。20世紀(jì)80年代初，國外曾研制了軌道電路中斷時(shí)間法和渦流法測量擦傷的儀器[25]，但測量精度不高，已不再使用。目前常用的擦傷測量方法包括應(yīng)力應(yīng)變法[26-35]、超聲法[36-38]、平行四邊形法[39-40]等。

3.1　應(yīng)力應(yīng)變法

列車在行駛過程中，輪對(duì)與鋼軌相互作用，狀態(tài)良好的車輪對(duì)鋼軌產(chǎn)生的沖擊力是周期性的，而有擦傷的車輪在擦傷處撞擊鋼軌時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的非周期性沖擊力。通過在鋼軌沿線不同位置安裝一系列應(yīng)變計(jì)[26-27]、光纖傳感器[28-32]、加速度計(jì)[33-35]等傳感器對(duì)鋼軌狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，可以得到列車蛇形、鋼軌擦傷與磨耗等參數(shù)。使用該方法進(jìn)行踏面缺陷判斷時(shí)，會(huì)受到列車載重與速度影響。為消除列車載重影響，通常采用多個(gè)輪對(duì)經(jīng)過時(shí)的平均應(yīng)力/應(yīng)變作為動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力/應(yīng)變，當(dāng)某個(gè)輪對(duì)應(yīng)力/應(yīng)變明顯超過動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力/應(yīng)變時(shí)，認(rèn)為該輪對(duì)存在擦傷。該方法適用范圍廣、裝置結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)難度較低，但只能定性判斷車輪是否存在擦傷，無法得到準(zhǔn)確擦傷值。

2006年，Belotti V等人對(duì)加速度計(jì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，可以準(zhǔn)確測量列車速度，并對(duì)不同車速下輪對(duì)踏面擦傷進(jìn)行檢測和量化。通過如圖11所示的帶有不同擦傷長度車輪的測試車，以50～100 km/h范圍內(nèi)不同速度通過檢測路段時(shí)，可以準(zhǔn)確識(shí)別所有的擦傷車輪，但車速超過80 km/h后會(huì)誤報(bào)[35]。

圖11　基于振動(dòng)加速計(jì)法的輪對(duì)踏面擦傷測量系統(tǒng)[35]

3.2　超聲法

超聲法分為電磁超聲法[36]與超聲測距法[37-38]。

2008年，Salzburger H J等人提出如圖12所示的電磁超聲輪對(duì)表面缺陷在線測量方法[36]，車輪通過時(shí)，嵌入鋼軌表面的電磁超聲探頭與車輪踏面接觸，探頭將會(huì)激發(fā)超聲波在車輪內(nèi)部傳播，當(dāng)車輪存在擦傷或缺陷時(shí)產(chǎn)生回波，分析接收到的回波信號(hào)可獲得輪對(duì)踏面處信息。該方法適用于車速低于15 km/h時(shí)，無需耦合劑，測量方便，但安裝時(shí)會(huì)破壞鋼軌原有結(jié)構(gòu)。

圖12　基于電磁超聲探頭的輪對(duì)擦傷測量系統(tǒng)[36]

圖13　基于瑞利超聲回波的輪對(duì)踏面擦傷測量系統(tǒng)[38]

俄羅斯在二十世紀(jì)九十年代中期研制出的基于超聲測距法的“輪對(duì)參數(shù)自動(dòng)化檢測裝置”[24]。當(dāng)列車以不超過5 km/h經(jīng)過該系統(tǒng)時(shí)，可得到踏面缺陷等參數(shù)。該套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，調(diào)試安裝較困難，且不能準(zhǔn)確判定缺陷性質(zhì)和大小。2010年，Brizuela J等人提出了如圖13所示的使用瑞利波檢測踏面磨耗的方法[37-38]：在鋼軌一端安裝超聲發(fā)生與探測裝置，超聲波脈沖沿軌道表面向前傳播，遇到輪對(duì)接觸點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生回波，通過超聲波脈沖往返于輪軌接觸點(diǎn)的時(shí)間不同來判斷車輪接觸面磨損度。該方法不受輪對(duì)磨耗程度與不圓度影響。當(dāng)列車車速控制在10.8 km/h經(jīng)過時(shí)，測得的擦傷長度誤差小于5%。

3.3　平行四邊形法

利用平行四邊測量機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)定量測量車輪踏面擦傷的方法[40]其測量原理示意圖與整個(gè)測量系統(tǒng)構(gòu)造分別如圖14、圖15所示。測量系統(tǒng)主要包括：平行四邊形機(jī)構(gòu)、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)四大部分。其測量原理是：當(dāng)列車通過此測量裝置時(shí)，車輪輪緣頂部壓下平行四邊形機(jī)構(gòu)的上平板，使得此平板產(chǎn)生平動(dòng)，非接觸式位移傳感器可以直接測量平板相對(duì)于鋼軌的垂直位移。理想情況下，如果平行四邊形機(jī)構(gòu)及鋼軌不存在加工誤差，平行四邊形機(jī)構(gòu)與鋼軌之間處于理想的裝配條件，新車輪和磨損擦傷車輪通過傳感器得到的輸出波形如圖16所示，通過簡單的數(shù)據(jù)處理可以直接測量出踏面擦傷及磨損量。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)表明：當(dāng)列車速度低于15 km/h時(shí)，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量精度和準(zhǔn)確率很高。系統(tǒng)測量誤差為0.2 mm。

圖14　平行四邊形機(jī)構(gòu)測量車輪擦傷磨損原理圖

圖15　平行四邊形機(jī)構(gòu)測量車輪擦傷磨損系統(tǒng)構(gòu)成

圖16　車輪踏面存在磨耗及擦傷、剝離的波形

3.4　結(jié)構(gòu)光法

如圖17所示，在鋼軌內(nèi)外兩側(cè)設(shè)置多套如圖8所示的結(jié)構(gòu)光幾何參數(shù)測量系統(tǒng)，當(dāng)列車經(jīng)過該區(qū)域時(shí)，可以拍攝整個(gè)車輪踏面完整一周的輪廓，從而進(jìn)行擦傷測量[41]。如圖18(a)所示，根據(jù)算法將提取后的結(jié)構(gòu)光線條分解為輪輞、踏面、輪緣三部分，以便于對(duì)踏面部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)分析；當(dāng)車輪踏面存在擦傷時(shí)，攝像機(jī)拍攝的光條發(fā)生如圖18(b)所示的明顯彎曲，根據(jù)彎曲曲線的長短和數(shù)量，可以計(jì)算出擦傷面積和深度，通過深度信息可以清楚的區(qū)分出踏面臟污與擦傷，從而避免檢測誤報(bào)。

圖17　基于多線結(jié)構(gòu)光的輪對(duì)擦傷自動(dòng)測量系統(tǒng)

圖18　基于多線結(jié)構(gòu)光的輪對(duì)擦傷自動(dòng)測量系統(tǒng)

4　輪對(duì)幾何參數(shù)與缺陷動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)

盡管目前國內(nèi)外市場出現(xiàn)了一些輪對(duì)在線測量系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)普遍存在兩大不足：

1)整個(gè)檢測系統(tǒng)集成度低、整體性差，沒有對(duì)動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，造成測量的可靠性和準(zhǔn)確性差。

目前國內(nèi)輪對(duì)檢測系統(tǒng)普遍采用CCD和激光線分離方法測量，整個(gè)測量系統(tǒng)由10多個(gè)不同大小的監(jiān)測箱體組成，由于各箱體無法安裝在同一個(gè)基準(zhǔn)上，各箱體之間的位置會(huì)隨環(huán)境變化、列車振動(dòng)而發(fā)生變化，給測量帶來誤差。此外，由于測量裝置安裝在軌道旁，環(huán)境惡劣，環(huán)境溫度變化大，列車通過測量機(jī)構(gòu)時(shí)引起的振動(dòng)，造成測量機(jī)構(gòu)、鋼軌、地基等變形，不同列車的車速、自重與載重、滿載與空載等情況變化，均會(huì)引入測量誤差，造成測量結(jié)果重復(fù)性差，目前均未對(duì)此類誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償。

2)國內(nèi)外均缺乏對(duì)輪對(duì)進(jìn)行全壽命周期管理的方法與手段。

目前國內(nèi)外所有輪對(duì)檢測系統(tǒng)均為單個(gè)獨(dú)立的檢測系統(tǒng)，尚未建立輪對(duì)制造、運(yùn)用、維修、報(bào)廢等過程的全壽命周期管理方法、手段與體系，不能對(duì)輪對(duì)的使用狀態(tài)進(jìn)行跟蹤、預(yù)警。

根據(jù)國家和行業(yè)重大需求，針對(duì)輪對(duì)檢測存在的主要不足，在數(shù)十年研究的基礎(chǔ)上，我們開展列車輪對(duì)檢測研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化工作，研制出多套輪對(duì)幾何參數(shù)與缺陷測量系統(tǒng)。

圖19　輪對(duì)幾何參數(shù)與缺陷動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)

2007年，以平行四邊形測量機(jī)構(gòu)為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)踏面擦傷及磨耗的在線測量；以雙激光位移傳感器測量踏面直徑方法，克服已有方法車輪定位誤差給直徑測量帶來的影響，實(shí)現(xiàn)客車入庫時(shí)對(duì)輪對(duì)幾何參數(shù)進(jìn)行在線測量，速度范圍5～15 km/h，輪緣厚、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距、圓周磨耗等參數(shù)測量精度為0.5 mm，輪輞寬測量精度為0.8 mm，踏面直徑受自制激光器精度所限，測量精度僅為1 mm。

近兩年研制了如圖19所示的輪對(duì)幾何參數(shù)與缺陷動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由車號(hào)讀取模塊、基于平行四邊形的擦傷測量模塊、基于機(jī)器視覺的擦傷與剝離測量模塊、基于結(jié)構(gòu)光的幾何尺寸測量模塊以及基于激光傳感的直徑測量模塊組成，該系統(tǒng)安裝于車輪入庫的在線路上，對(duì)經(jīng)過的輪對(duì)幾何參數(shù)進(jìn)行測量，對(duì)超限輪對(duì)進(jìn)行報(bào)警實(shí)現(xiàn)狀態(tài)修；同時(shí)可對(duì)輪對(duì)進(jìn)行長期跟蹤測量，實(shí)現(xiàn)超限預(yù)警和輪對(duì)從制造出廠到報(bào)廢的全壽命周期管理。2017年1月在南寧安裝了測量系統(tǒng)，對(duì)同一列車(24組輪對(duì)共48個(gè)車輪)進(jìn)行了5次測量，結(jié)果如表 1所示。

表1　輪對(duì)幾何參數(shù)重復(fù)性測量結(jié)果　mm

5　發(fā)展趨勢

總體來看，目前國內(nèi)外輪對(duì)檢測與管理向如下兩個(gè)方面發(fā)展：

一是測量方法和手段向激光、機(jī)器視覺以及兩者結(jié)合的方面發(fā)展。美國、日本、意大利、羅馬尼亞、英國以及中國等已經(jīng)先后研制出不同類型的動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)，這些測量系統(tǒng)主要采用激光測量、激光視覺測量技術(shù)。其中最為典型的為意大利TECNOGAMMA公司開發(fā)的輪對(duì)輪廓與直徑測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由8臺(tái)一體式的激光視覺傳感器構(gòu)成，每2臺(tái)傳感器為一組，分別位于同一條鋼軌的內(nèi)外兩側(cè)，同時(shí)拍攝獲取一條完整的踏面輪廓，4組傳感器分別獲取2個(gè)車輪前后兩側(cè)的踏面輪廓，與標(biāo)準(zhǔn)輪廓對(duì)比計(jì)算幾何參數(shù)，利用三點(diǎn)法計(jì)算車輪直徑，采用一體式的激光視覺傳感器，提高測量系統(tǒng)的可靠性，但測量成本高。

二是輪對(duì)由定期檢修向狀態(tài)修發(fā)展。定期修即車輛運(yùn)行一定里程或時(shí)間后，送入工廠解體檢測維修，是目前我國采用的車輛檢修制度。這種檢修制度會(huì)造成有些輪對(duì)“帶傷工作”，給列車運(yùn)行安全帶來隱患；而有些輪對(duì)則“無病提前進(jìn)入病房”，造成不必要的浪費(fèi)。因而，根據(jù)輪對(duì)的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行維修是發(fā)展的必要趨勢。例如，日本東鐵正在發(fā)展智能維護(hù)理念，通過列車固定檢查，連續(xù)不斷監(jiān)測線路狀態(tài)，正在由基于時(shí)間維護(hù)向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變。有效獲得和使用各種檢測手段得來的維修數(shù)據(jù)是“智能維修”理念的核心，檢測儀器是關(guān)鍵。

基于高速鐵路和城市軌道交通快速發(fā)展的需要，建立輪對(duì)全壽命周期跟蹤管理功能的輪對(duì)運(yùn)營狀態(tài)智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從人工檢測、人工管理到自動(dòng)在線監(jiān)測、智能分析管理，不僅為輪對(duì)設(shè)計(jì)和管理提供設(shè)計(jì)與科學(xué)決策的依據(jù)，還能滿足現(xiàn)代城市軌道交通和鐵路發(fā)展的實(shí)際需求。