车辆轮对状态在线检测系统研究

陈 刚 任光胜

（重庆大学机械工程学院，400030，重庆∥第一作者，硕士研究生）

轮对装置作为列车的重要组成部件，承受来自机车车辆的全部静、动载荷，轮对踏面表面和近表面的磨损、擦伤、剥离、裂纹等缺陷是危及行车安全的重大因素。必须及时有效地对列车轮对状态进行检测，及时发现并更换超限轮对，以避免列车事故的发生［1］。传统的定期检修方式已不能满足要求，迫切需要研制轮对踏面损伤及轮对几何参数的动态检测方法、技术和装备，实现在列车运行时对轮对状态的实时检测。

1 轮对状态在线检测系统

车轮剖面如图1所示。需要测量的轮对几何参数主要有：轮缘厚度B、轮缘高度H、踏面圆周磨耗及擦伤、轮对内侧距T、车轮直径D、轮辋宽度W 等。

图1 车轮几何参数

本系统由车号识别装置、触发系统、测速计数装置、轮对磨耗尺寸检测装置、轮对踏面损伤探测装置，以及中央控制系统和数据处理中心等组成（如图2所示）。其中，RF为车号识别天线；K1、K2、K3为系统触发开关，负责整个测量系统的启动和关闭；S1～S10为激光传感器，用于测速、车轮计数和轮对几何参数的测量；C1、C2是CCD（电荷耦合器件）摄像机，用于捕捉车轮外形曲线；P1～P4为面激光发生器；W1～W4为位涡流传感器；E1～E4为EMAT（电磁超声换能器）探头。

2 轮对磨耗尺寸检测装置

本系统采用CCD图像测量技术和激光位移传感器相结合的方式来对轮对磨耗状态进行检测。CCD图像测量技术用于对轮对轮缘厚度、轮缘高度的测量和踏面线轮廓的非接触动态检测［2］。激光位移传感器用于对轮对直径、轮辋厚度和轮对内侧距的测量。

2.1 轮缘厚度、轮缘高度的测量

CCD图像测量技术基本检测原理如图3所示。当W1、W2涡流传感器检测到车轮通过时，启动现场检测器件，轨道外侧的激光光源沿轮心方向照射到车轮踏面和内侧面部分，形成从轮缘到车轮踏面的轮廓曲线，该曲线包含车轮踏面的外形尺寸信息；然后用与入射光方向成一定角度的CCD摄像机捕捉被照射的轮廓图像，对捕捉到的图像进行处理可得到如图4所示的车轮外形轮廓曲线；通过与存于系统中的标准轮廓曲线比对，并经图像尺寸测量，可测出实际的轮缘厚度、轮缘高度，以及车轮踏面和轮缘的磨耗量［2］，如图5所示。

图2 系统结构图

图3 CCD图像测量原理

图4 车轮外形曲线

车轮磨耗计算公式为：

图5 磨耗测量方法

式中：

HM——踏面磨耗；

LH——轮缘高度；

H——标准轮缘高度；

BM——轮缘磨耗；

B——标准轮缘厚度；

LB——轮缘厚度。

由于采用激光光源，在数字摄像机镜头前安装带通滤波片可有效避免阳光干扰，使检测设备能在白天和夜晚都正常工作。

2.2 轮对直径的测量

测量原理如图6所示。当列车通过测量装置时，S3～S6激光位移传感器可连续测量出探头距车轮踏面的距离，当 W3、W4检测到车轮与其距离最小时，即检测到A点，此时激光位移传感器距车轮踏面的距离为L。图中，O为车轮圆心，A为车轮与轨道的接触点，E为激光测量线与AO延长线的交点，PB为激光位移传感器的测量值L，S为激光位移传感器和涡流传感器的水平安装距离，M为激光位移传感器和钢轨的垂直安装距离。通过下式可算出车轮的半径R：

因是采用双激光位移传感器测量方法，实际车轮半径为R＝（R1＋R2）／2。

图6 轮径测量原理图

2.3 轮辋宽度、轮对内侧距测量

当电涡流传感器W3、W4检测到车轮通过时，激光传感器S7、S8可测量出传感器与车轮外侧的距离，S9、S10可测出传感器与车轮内侧的距离，据此可计算出车轮的轮辋宽度、轮对内侧距［3］：

式中：

N1、N2——分别为轮对左右轮的轮辋宽度；

T——轮对内侧距；

L7～L10——分别为激光位移传感器S7～S10的读数值；

L7.9，L8.10，L9.10——分 别 为 S7 与 S9、S8 与S10、S9与S10之间的安装距离。

3 踏面损伤检测装置

该装置采用电磁超声探伤技术，利用超声表面波的脉冲反射原理实现对车轮踏面及近表面缺陷的动态检测，检测原理如图7所示。在轨道一侧将一对EMAT传感器安装到特制的轨道中，2个EMAT之间的距离不等于车轮踏面圆周长度一半的整数倍。当列车运行到EMAT探头位置，车轮与探头接触的瞬间，EMAT在车轮踏面表面及近表面激发出电磁超声表面波脉冲，所激发出的声波束将沿踏面表面及近表面一定深度范围内传播，从而形成对踏面表面及近表面的全覆盖检测。

图7 EMAT探测原理

电磁超声表面波沿车轮踏面及近表面双向传播。当超声波传播1周回到探头位置时，EMAT探头检测到返回的超声表面波后形成第1次周期回波（图8（a）中RT波）；未衰减的超声波继续沿踏面传播，依次形成第2次、第3次周期回波，直到能量衰减到设备无法检测到为止［4］。

当车轮踏面表面及近表面有裂纹或剥离等缺陷时，超声波在缺陷端面处的一部分能量被反射，沿原传播路径返回并被探头检测到，形成缺陷回波（图8（b）中E波）；另一部分能量绕过缺陷端面继续传播，形成周期性回波（图8（b）中RT波）。通过正常的周期回波（RT）与缺陷回波（E）的对比分析，就能探测出轮对踏面表面及近表面一定深度范围内的缺陷［5］。

图8 波形检测结果

4 系统检测精度

本系统的设计精度为：车轮直径＜±0.3mm；圆周磨耗＜±0.2mm；轮缘厚度＜±0.2mm；轮辋宽度＜±1mm；内侧距＜±1mm；能探测出车轮踏面及近表面宽10mm、深3mm内的擦伤和裂纹。系统检测精度满足车轮检修要求。

5 结语

本文提出了列车运行时对轮对状态的在线动态检测方法，实现了列车入库时对车轮直径、轮缘厚度、轮缘高度、轮对内侧距等几何参数的在线动态测量，同时可对车轮踏面表面及近表面缺陷进行检测，精确定位缺陷的位置，满足对轮对的测量需求。检测结果可为车辆维修基地是否对轮对进行镟切提供数据支撑。

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