浅谈铁路货车轮对自动检测系统的现状与研制

摘要：轮对是铁路货车行走过程中重要的构件，轮对故障导致的安全事故会给铁路运输造成严重的损失。文章从目前国内外主流采用的货车轮对自动检测技术的原理入手，首先总结了货车轮对自动检测技术的现状，其次针对具体实践要求设计了一种可自动检测铁路货车轮对参数的系统，并对其工作原理进行了初步分析，最后对自动检测技术的应用进行了展望。

关键词：铁路货车；轮对参数；铁路运输；安全系数；自动检测系统

中图分类号：U270 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）33-0025-02

轮对是铁路货车行走过程中重要的构件，安全高效的轮对是保证铁路能够快速、安全运输的关键因素，轮对故障导致的安全事故屡见不鲜，给铁路运输造成了严重的损失。另外，轮对故障也会给车辆本身以及铁路固定设施带来一定程度的损害。目前，我国仍然依靠传统的人工手动测量来对其进行故障的检测诊断，不但效率低下，检测精度以及可检测项目也不尽如人意，为铁路正常运行带来了隐患。因此，发展一种新型的自动货车轮对检测技术对于提高我国检测水平、提高铁路运输安全系数有着重要的意义。

1 轮对自动检测技术的原理及现状

目前来说，国内外主要应用的轮对自动检测技术按照原理分类，可分为以下三类：光截图像原理技术、视觉自动测量技术以及激光位移测距技术，主要应用于货车的入库检查以及地铁在线监查上。下面分别简述一下这三类原理：

1.1 光截图像原理技术

这种技术主要原理为利用三角激光测量技术来实现测量物体二维尺寸的目的。采用的投射光源为点状高强度激光，高速的CCD相机作为图像采集设备。当测试完毕后会得到一系列的曲线，将其和标准的校正曲线进行比对矫点，从而实现目标参数的自动检测。这种技术在低速以及静态测量中的精度比较高，但是对于高速测量的精度尚不能令人满意，这是由于CCD相机的采集速度有限而造成的。但是这种原理制备的设备价格低廉、操作简单，得到了广泛的应用，如丹麦的EDOC公司、美国的BEENA公司以及国内的哈尔滨威克公司等都有相应的产品。

1.2 视觉自动测量技术

视觉自动测量技术是一种基于视觉测量系统，建立在计算机视觉研究基础上的新兴技术，其优点为抗干扰能力强、高效易行，非常适合一些在现场生产中的在线非接触性监控及监测。在实际生产过程中，该技术基于视频成像原理及先进的图像识别功能工作，通过高速摄像机现场拍摄车辆轮对运行状况，采用逐帧截屏得到清晰图片，再对图片进行识别辨认的方法来实现对车辆轮对的监控监测。

1.3 激光位移测距技术

激光位移技术是一种高精度、高精密的非接触行测量技术，主要用于测量对象物体的位置以及位移的变化，可以准确监测出物体的位移、体积尺寸、振动频率等物理几何量的测量。按照原理，激光位移技术可分为激光回波法和激光三角测量法两种，而在铁轮货车轮对检测中主要用的是激光三角测量法，这种检测方法精度高，但监测的距离较短。在实际应用中，左右两路光电流从激光位移传感器发出，通过干涉成像，就可以反推算出物体激光点和成像透镜前面的距离，从而达到监测的目的。目前这种技术已经被应用于我国部分铁路

路段。

2 轮对自动检测系统的研制及简单介绍

2.1 系统结构整体设计

根据轮对检测工艺要求以及车间的实际工作状况，我们设计了一种以龙门通过式机械结构为基础的轮对自动检测系统，其简单组成主要包括进给总成、升降总成、带转总成、测量装置以及传感器等。待货车轮对沿着特定轨道进入测量装置后，通过各个部件的协同作用以及协调工作，自动完成对轮对各参数的测量。本装置可以检测的轮对参数主要包括轮缘厚度、轮座直径、车轮直径、车轴中央直径等。

待测的轮对在自动计算机控制系统的作用下，通过导向装置机构使得轮对到达指定的测量位置，具体如下：当轮对滚动到待测位置时，挡轮装置将其挡住，位于装置下方的轮对提升结构将轮对升起后由转动装置驱使轮对转动。

与此同时，测量装置在直线电机的驱动下，通过丝杠的带动使其沿直线运动单元迅速下降到测量位置停止。当测量传感器做横向运动时，可以测量轮对的中央直径，左右轮缘宽度等参数；和其相连的旋转电机可以控制测量传感器做顺时针以及逆时针的旋转，可以测量左右轮座直径以及轮辋厚等参数。在自动控制系统的作用下，激光传感器按照一定的路径做直线往复运动，可以自动采集被测轮对中各测量点的数据，通过安装的摄像装置可以将装置板上的图像反映到计算机的显示屏上，经过计算机运算处理后得到测量结果保存到相应数据库中并自动打印。当采集数据完成后，左右的测量装置以及激光传感器自动上升到初始位置，测试的轮对停止转动并自动下降，最后由轮推装置推出测量位置，完成整个的工作循环。

2.2 测控系统设计

本自动检测系统的测控系统主要有工业控制高精密计算机、运动控制部分、数据自动采集处理部分以及测控软件等部分组成。

2.2.1 工业控制高精密计算机。该部分作为整体系统的关键组成之一，担负着处理数据，采集打印图像以及对运动的部件进行高精度高准确度控制的作用。设计中我们采用的是方正的主机，CPU为AMD 速龙II X4 740，内存为4GB的DDR内存，配备Dell打印机，利用Windows自带的Microsoft Visual C++ 7.0编程系统进行编程。我们采用的计算机配置较高，编程系统较为先进，为整个检测系统的优良性能奠定了良好的基础。

2.2.2 运动控制部分。运动控制部分主要由步进电机、气动控制装置以及异步电机三部分组成。实际运行条件下，要求本系统的定位精度高，整体系统动作平稳，冲击力小。因为旋转特性不同，结合实际现场运行的需要，选择合适的电机是非常重要的。在轮对旋转中，由于对电机的要求较低，因此采用的是步进电机，最佳细分圈数为6400步/圈。在滑台极限位置两侧安装有光电开发，实现对运动极限位置的控制，保护与之相连的传感器。设计中旋转运动机构和横向运动机构对电机要求较高，因此我们使用了带有64位高性能RISC中央处理器的交流伺服电机，提高了机器的响应性。

2.2.3 数据自动采集处理部分。数据采集部分主要由激光传感器，电涡流传感器以及A/D采集卡三部分组成，这部分也是系统设计最重要的部分，其采集数据的准确度决定着系统的检测精度，是设计中的重点。其基本工作原理是激光传感器输出的电信号经由电涡流传感器的放大、滤波、抑躁处理后送入A/D采集卡进行模数转换。

设计中利用电涡流传感器对轮对的踏面进行高速的数据采集，计算机处理后可得踏面特征；对于车轮直径以及车轴中央直径等则采用激光传感器。为排除实际操作条件下的干扰，我们自行设计了一种A/D采集卡，带有32bit分辨率的A/D转换器以及模拟输入通道，保证最佳转换精度，最大限度地保证了数据的可靠性。

2.2.4 测控软件。本系统采用先进的VC++7.0进行软件的设计，采用先进的多线程编程技术，利用模块化设计方法，软件程序结构清晰，使用界面具有自动填入、人工修改编辑的功能，上手快，使用方便。数据库方面，我们采用的是ODBC法来访问Access数据库。

3 货车轮对自动检测技术展望

国内外的研究结果表明，现有的轮对自动检测技术基本上已经具备实际应用的条件，但是目前我国的检测系统大部分安装于列车通过速度较低的路段，并且受气候条件影响较小；而铁路重载货车具有速度高、环境恶劣等特点，还需对现有自动检测系统技术作进一步的深入研究，从而实现其广泛应用，消除安全隐患，杜绝由轮对故障导致的严重安全事故。

参考文献

[1] 黄曙光，黄海，吴乃优，敖银辉，高向东.铁路货车轮对自动检测系统的研制[J].机电工程技术，2002，（2）.

[2] 白福生.轮对自动检测机的研制及应用[J].机车车辆工艺，1997，（2）.

作者简介：袁玉（1987-），女，沈阳铁道石油化工集团有限公司助理工程师，研究方向：铁路车辆工程。