逯紅霞 張亞彤 劉莉

摘 要：隨著鐵路列車運(yùn)行速度的提高，鐵路車輛和軌道之間相互作用力逐漸增強(qiáng)，使得車輪踏面失圓的問題不容小覷。對此研發(fā)了一款軌道車輛輪對不圓度檢測儀。使用釹鐵硼磁力開關(guān)，將設(shè)備吸附在鋼軌上，待測輪對旋轉(zhuǎn)帶動金屬滾輪使旋轉(zhuǎn)編碼器工作，自復(fù)位高精度電子尺持續(xù)采集輪對踏面徑跳信息，霍爾感應(yīng)開關(guān)判斷輪對旋轉(zhuǎn)一周后自動鎖死，嵌入式微處理器經(jīng)過計算后將輪對徑跳、平均直徑等信息顯示在MCGS組態(tài)顯示屏上，為車輪鏇修提供參考。

關(guān)鍵詞：便攜式 輪對不圓度 踏面徑跳信息

1 引言

軌道車輛在運(yùn)行一定里程后，車輪踏面會產(chǎn)生不均勻的多邊形磨耗，當(dāng)磨耗到達(dá)一定值后將導(dǎo)致車輛產(chǎn)生附加振動、沖擊、噪聲等，影響車輛的平穩(wěn)性，對列車運(yùn)行安全造成嚴(yán)重威脅。車輪失圓所引起的噪聲還會影響乘坐的舒適度。高速列車對運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性有更高的要求，如果車輪失圓的情況不能及時發(fā)現(xiàn)，將會繼續(xù)發(fā)展成為行車安全的極大隱患，因此需要定期測量輪對不圓度以便修復(fù)或者更換輪對。傳統(tǒng)的方法是人工測量，這種測量方法不僅誤差大，精度不高，而且耗時耗力。

本項目旨在設(shè)計、制作一種便攜式輪對不圓度檢測儀，可以在車輛輪對不拆卸的基礎(chǔ)上，使用接觸式測量方式與嵌入式系統(tǒng)結(jié)合替代人工檢測，可以連續(xù)測量輪對在圓周方向上的半徑變化，并使用觸摸屏對測量數(shù)據(jù)與曲線進(jìn)行顯示，可以在現(xiàn)有靜態(tài)測量方式的基礎(chǔ)上大大提高人工檢測的效率，減少勞動強(qiáng)度。

2 產(chǎn)品設(shè)計思路

車輪圓度的監(jiān)測方法主要分為靜態(tài)監(jiān)測和動態(tài)監(jiān)測。靜態(tài)監(jiān)測需要在列車停止或車輪拆卸的情況下進(jìn)行，不僅占用列車的周轉(zhuǎn)時間，且速度慢，勞動強(qiáng)度大，目前國內(nèi)對車輪圓度的監(jiān)測方法主要是靜態(tài)監(jiān)測。動態(tài)監(jiān)測分為車載式和地面式。車載式監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測車軸振動的加速度來間接獲得踏面外形參數(shù)，需要在每根車軸上安裝傳感器，既不經(jīng)濟(jì)又不方便，一般不被采用；地面式監(jiān)測系統(tǒng)將車輪外形測量系統(tǒng)安裝在在線路上，適用于監(jiān)測運(yùn)行中的機(jī)車車輛，在國外被廣泛應(yīng)用，該種監(jiān)測方式需要固定監(jiān)測設(shè)備，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時沒有替代產(chǎn)品，且成本較高。

通常來說，列車日常檢修時輪對是不落輪的，由于在車下測量的操作空間有限，用現(xiàn)有的專用機(jī)械測量器具很難實(shí)現(xiàn)在輪對圓周方向上的連續(xù)測量和連續(xù)記錄，因此，無法方便快捷地獲得半徑在圓周方向上的連續(xù)變化值，從而很難對列車輪對圓度誤差進(jìn)行評定。所以我打算設(shè)計制作一種便攜式輪對不圓度檢測儀，該設(shè)備包括：鋁合金外殼，可延XY軸運(yùn)動的滑臺，旋轉(zhuǎn)編碼器，金屬滾輪，接近開關(guān)，自動復(fù)位電子尺，電阻式觸摸顯示屏，釹鐵硼磁力座。外殼內(nèi)部安裝電池，單片機(jī)模塊，電源模塊。該產(chǎn)品利用CATIA制作計算機(jī)虛擬模型，根據(jù)模型的機(jī)械尺寸購買高精度導(dǎo)軌、傳感器等硬件設(shè)備，并根據(jù)計算機(jī)虛擬模型制作真實(shí)測量設(shè)備，最后在真實(shí)測量設(shè)備的基礎(chǔ)上完成軟件測試功能。該產(chǎn)品采用高精度自復(fù)位接觸式測量技術(shù)，以此來采集車輪徑向跳動值；采用嵌入式微處理智能分析控制系統(tǒng)，計算車輪平均半徑；采用基于組態(tài)環(huán)境的云端存儲系統(tǒng)儲存數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品具有檢測效率高、檢測范圍廣，可識別不同輪對型號，檢測數(shù)據(jù)可視化、便攜性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于鐵路客貨車輪對定期檢修，能大大提工作效率。

圖中標(biāo)記分別表示：1-釹鐵硼磁力座，2-鋁合金外殼，3-可延XY軸運(yùn)動的滑臺，4-電阻式觸摸顯示屏，5-電池，6-單片機(jī)模塊，7-電源模塊，8-接近開關(guān)，9-旋轉(zhuǎn)編碼器，10-自動復(fù)位電子尺，11-金屬滾輪。

3 產(chǎn)品設(shè)計原理

便攜式輪對不圓度檢測儀硬件至少包括有釹鐵硼磁力座、鋁合金外殼、可延XY軸運(yùn)動的滑臺、電阻式觸摸顯示屏、電池、單片機(jī)模塊、電源模塊、接近開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器、自動復(fù)位電子尺和金屬滾輪。

顯示器采用電阻觸摸式TFT LCD顯示屏，單片機(jī)采用意法半導(dǎo)體有限公司生產(chǎn)的STM32F103C8單片機(jī)，自動復(fù)位電子尺采用西域電子公司生產(chǎn)的PM11-R1-15L自動復(fù)位電子尺，旋轉(zhuǎn)編碼器采用歐姆龍E6B2-CWZ3E旋轉(zhuǎn)編碼器，接近開關(guān)采用德力西CDJ10-I1A12BF接近開關(guān)。

3.1 旋轉(zhuǎn)編碼器

歐姆龍E6B2-CW1X型旋轉(zhuǎn)編碼器利用電磁感應(yīng)原理將兩個平面型繞組之間的相對位移轉(zhuǎn)換成電信號的測量元件，用于長度測量工具。

3.2 自復(fù)位電位計（電子尺）

傳感器為位置測量型，用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)（控制系統(tǒng)）和測量系統(tǒng)中，對位移和長度進(jìn)行直接測量，輸出直流電壓信號，也可以通過內(nèi)置或者外置的V/A變送模塊講信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的0-5V、0-10V或者4-20mA直流信號，也可以遠(yuǎn)距離傳輸控制要求。KPMR12自復(fù)位式電阻尺（別名：電子尺，電位器，位移傳感器）輸出位移變化：0-100%給定輸入工作電壓（隨位移變化而變化）。

3.3 霍爾感應(yīng)開關(guān)

霍爾感應(yīng)開關(guān)是一種無需與運(yùn)動部件進(jìn)行機(jī)械直接接觸而可以操作的位置開關(guān)，當(dāng)物體霍爾感應(yīng)開關(guān)的感應(yīng)面到動作距離時，不需要機(jī)械接觸及施加任何壓力即可使開關(guān)動作，從而驅(qū)動直流電器或給計算機(jī)（plc）裝置提供控制指令。

3.4 釹鐵硼磁力座開關(guān)

釹鐵硼磁力座外殼為兩塊導(dǎo)磁體，中間用不導(dǎo)磁的銅板隔開。內(nèi)部有一個可以旋轉(zhuǎn)的磁體，此磁體沿直徑方向為N、S極。當(dāng)磁體旋轉(zhuǎn)到中間位置，磁力線分別在兩塊導(dǎo)磁體中形成閉路時表座可以輕易取走；旋轉(zhuǎn)90度后，NS極分別對著兩塊導(dǎo)磁體，此時從N極到導(dǎo)磁體到導(dǎo)軌到另一塊導(dǎo)磁體到S極，形成磁力線閉合，可以牢牢的附著在鋼軌上。

4 工作流程

便攜式高精度軌道車輛輪對不圓度檢測儀的控制程序由STM32單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊與MCGS觸摸屏顯示模塊兩部分構(gòu)成，單片機(jī)負(fù)責(zé)采集輪對踏面的徑跳信息和旋轉(zhuǎn)直徑，MCGS觸摸屏負(fù)責(zé)將輪對不圓度曲線顯示在虛擬界面上。具體工作原理圖如圖６所示。

5 結(jié)論

本文設(shè)計制作一款便攜式輪對不圓度檢測儀，具有以下4個特點(diǎn)：①采用嵌入式微處理器與MCGS組態(tài)顯示屏相結(jié)合的方式，將體積縮小至不落輪鏇床的1/30，可在不分解輪對的情況下隨車即檢，以解決不落輪鏇床只能固定點(diǎn)檢測的弊端。②采用輪系轉(zhuǎn)動帶動編碼器記錄輪對旋轉(zhuǎn)距離，輪對旋轉(zhuǎn)一周霍爾開關(guān)自動鎖死，并將檢測數(shù)據(jù)同步顯示在組態(tài)屏，提高了檢測效率。③采用高精度穩(wěn)壓源結(jié)合位移傳感器接觸測量的方式，持續(xù)采集輪對踏面經(jīng)跳信息，實(shí)現(xiàn)了踏面徑跳值絲米級別的檢測精度。④本產(chǎn)品通過檢修人員實(shí)名登錄后才能進(jìn)入操作界面，檢測完畢后將檢測的數(shù)據(jù)記錄并保存，并將檢測數(shù)據(jù)、作業(yè)人員信息存儲并上傳至PC端，解決了數(shù)據(jù)分析繁的問題。

本實(shí)用新型主要用于鐵路客貨車輪對（1250mm、1050mm、960mm、920mm、915mm、860mm、840mm）的不圓度檢修作業(yè)，對鐵路客貨車每種輪對型號的不圓度進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，對輪對踏面進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過觸摸顯示屏直觀、準(zhǔn)確地判斷輪對的直徑以及剝離擦傷深度，進(jìn)而判斷輪對旋修的深度，為快速查找輪對剝離擦傷位置提供了重要依據(jù)。

西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院2023年度立項課題“便攜式輪對不圓度檢測儀的設(shè)計與制作”（項目編號：XTZY23K07）。

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