轮对故障动态检测系统的使用与完善探讨

董国强 上海铁路局上海动车客车段

随着我国高速铁路的发展，对车辆轮对的运行状态提出了更高的要求。轮对承担车辆全部重量，且在轨道上高速运行，承受着从车体、钢轨两方面传递来的各种静、动作用力，受力复杂。同时轮对作为转向架中重要的部件，又是影响车辆运行安全性的关键部件之一。轮缘是保持车辆沿钢轨运行，防止脱轨的重要部分。轮缘内侧距离和踏面是保证车辆顺利通过曲线、安全脱轨撤叉、直线运行中自动调中、提高抗蛇形运动稳定性、降低轮轨之间磨耗的重要部分。车轮擦伤、踏面裂纹和剥离是导致列车脱轨的重要原因。同样，车轮直径和滚动圆的大小对车辆重心、运行阻力、踏面磨耗和通过轨道凹陷和接缝处时对车辆的振动等有重要的影响。因此，准确掌握轮对各项关键参数是保证车辆正常运行的重要前提。

轮对故障动态检测系统是铁道部2002年科技发展计划项目。2006年，在我国铁路第六次大提速建设过程中，轮对故障动态检测系统被列入动车组运用所首批建设的关键设备。

1 轮对故障动态检测系统介绍

轮对故障动态检测系统安装在动车组、机车、车辆及地铁车辆入库线上，采用“光截图像测量技术”和“电磁超声探伤技术“（EMAT），在线动态自动检测轮对外形尺寸和踏面缺陷状况。适用于CRH各型动车组、各型机车车辆和各型地铁车辆。

1.1 系统组成

系统由基本检测单元、现场控制中心和远程控制中心三部分组成，如图1所示。

图1 轮对故障动态检测系统组成及数据流向

基本检测单元位于检测现场，获取轮对外形和踏面缺陷的原始检测数据。由车号识别、探伤、尺寸、擦伤及不圆度、车辆接近和离去等检测子系统及安防系统等辅助基本单元组成。

现场控制中心设置于现场设备间，将基本检测单元检测的数据进行采集、处理后，传输至远程控制中心。由现场控制、数据采集、数据处理和监控系统主控机等部分组成。

远程控制中心通过远程控制和监控，对现场控制中心传输的数据进行综合分析，指导生产作业，并实现数据的存储、打印、上传等，同时通过监控系统进行远程监控。由操作控制台、安防监控系统、数据库、数据综合分析及管理软件组成。其中安防监控系统用来监视现场设备，防盗及声光报警，确保现场检测设备的安全，由监视摄像机（带云台）、壁挂显示器、微波红外报警器、壁挂音像、话筒、安防监控软件等单元组成。

1.2 系统功能

(1)轮对外形几何尺寸检测。

(2)车轮直径检测。

(3)踏面裂纹检测。

(4)车轮擦伤检测。

(5)车号和端位自动识别。

(6)检测结果分级显示和超限报警显示。

(7)检测结果存储、报表显示、查询、统计、打印、导出以及数据联网管理。

(8)对检测出的数据进行综合分析、判断和整理。

(9)提供丰富的数据接口：机车车辆基本信息输入接口、走行公里数输入接口、人工反馈信息输入接口、段相关部门和铁路局的网络访问接口等。

(10)系统故障自诊断。

(11)配置红外微波防盗报警系统及监控录像系统，确保设备安全。

2 系统使用情况

目前我段已配置使用8套该系统，系统对被检测车辆实行自动在线检测，无需停车、停电和人员值守，检测效率很高，保障了我段动车组运用检修工作。但是该系统在实际使用过程中仍然受到许多因素的制约，影响着系统的检测精度和稳定性。结合使用中存在的一些问题提出完善建议。

3 系统存在的问题和完善建议

3.1 误报警现象

图2 轮对外形关键尺寸的计算

因系统轮对外形关键尺寸的计算是以轮辋内侧基线和轮缘顶点为基准，如图2所示。在车辆实际通过道岔时，轮缘与道岔接触摩擦易产生缺口、凸顶或粘着异物，引起实际测量外形曲线的轮缘顶点的变化，系统对实际测量外形曲线和标准外形曲线对比时产生误差，引起外形尺寸的误报警。

建议系统提取完整的轮缘和踏面曲线，选取更为稳定的测量基准。

3.2 受雨雪天气影响较大

车辆在雨雪天通过系统时，LD、CCD等开关罩打开，车体上的水容易滴入检测相机镜头和激光光源上，滴在相机镜头上会使拍下的照片模糊，造成轮缘及踏面曲线提取不准确，影响检测精度；滴在激光光源上会使激光光源发射的光线散射，造成投射在轮缘及踏面上的光线不够清晰，影响检测精度。

建议考虑一般情况下水膜的厚度对检测精度的影响，对系统计算外形尺寸时增加自动调整、修正和校核功能，以进一步提高检测精度。

3.3 探伤局限性

系统仅适用于探测车轮踏面近表面5~10 mm深度的裂纹缺陷，探伤有局限性。根据对轮对后期的实际检修情况，踏面以下0~30 mm深度范围内应力相对集中，出现裂纹等缺陷较多。

建议在改进原有系统硬件和软件的基础上，扩展探伤范围，发挥系统的最大优势，使系统能在车辆运行前期及时发现踏面以下应力相对集中区域的缺陷。

3.4 受车速影响较大

系统对车辆的通过速度有严格限制，被检动车组应在5~12 km/h（最佳检测速度10 km/h）范围内匀速一次性通过检测区。非检测车辆通过检测区段速度限制在30 km/h范围内。当被检测车速超过15 km/h时，对系统的检测单元产生较大冲击，加快设备磨损，容易引起检测精度下降，严重时还会损坏设备，此时系统为了保护检测单元，将自动关闭擦伤检测子系统。

因车速的控制有较大的人为因素，同时大部分系统限速牌安装在系统检测棚与系统开始检测触发单元之间，司机在已通过系统开始检测触发单元后，才能看到系统限速牌，不能及时有效地将车速控制在最佳通过速度。

建议合理安装系统限速牌的位置；司机严格控制车辆的最佳通过速度；进一步完善系统的抗振动和抗冲击的稳定性。

3.5 维护复杂

(1)校验和标定复杂。对系统进行校验和标定时要通过笔记本电脑联网控制，通过人工模拟进车状态对各传感器、光电开关、LD/CCD、探头和激光光源等部件逐一检测，才能完成对系统外形尺寸、车轮擦伤、踏面裂纹探伤等关键模块的校验和标定。按照相关文件规定，系统正常状态下校验每月一次；标定每三个月1次，每次需2人4~5 h才能完成；每次校验和标定工作重复3次左右；同时针对不同的车型，需要对校验和标定的参数等进行调整。

(2)系统属于轨边设备，日常的临修、小修、整修和中修需要联系相关单位和部门做好天窗点协调工作和安全防护工作。

(3)系统各模块的控制相互独立，且模块较多，控制较复杂，给故障维修工作带来了困难。

建议进一步改善系统的集成化，减少校验和标定流程，提高使用维护效率。同时系统维修时有些传感器不能通过软件判断其是否损坏，必须由人工手动判断，增加了维修工作量，建议改进设备，使之能够通过软件判断传感器是否损坏。

3.6 安装位置有待进一步优化

(1)部分系统受安装环境的制约，无法安装防护棚，系统的现场检测单元裸露在室外，受雨雪、高温、风沙等天气的影响大，导致系统的测量数据误差大。

(2)部分系统的选址在车站或离动车组运用所太远，不便于对系统现场检测单元和现场控制单元的日常维护管理。

建议在后续工程建设中，设计部门综合调研系统的安装环境，使系统的安装在满足技术条件下，尽可能降低外界因素的影响，同时方便用户的维护管理。

4 结束语

轮对故障动态检测系统采用先进的光截图像测量技术和电磁超声探伤技术，实现了在线动态检测轮缘高度和厚度、踏面磨耗和裂纹或剥离、QR值、车轮直径和擦伤深度、轮对内距等关键技术参数，同时直观地对超限数据报警，并指导生产安排复核工作，保障了车辆的运行安全。