铁路机车车轮踏面失圆的检测方法综述

刘红，雷新红

(南车株洲电力机车有限公司，技术中心,湖南株洲 412001)

铁路机车车轮踏面失圆的检测方法综述

刘红，雷新红

(南车株洲电力机车有限公司，技术中心,湖南株洲 412001)

20世纪70年代以来，世界各国针对铁路机车车轮踏面失圆进行了不懈的研究，提出了多种不同的检测方法。文中对铁路机车车轮踏面失圆原因、踏面失圆形式以及踏面失圆检测方法进行了综述。

铁路机车；车轮踏面；失圆；检测

0 引言

轮对是铁路机车行走部的关键部件之一，其运行状态对车辆的振动、行车安全、乘客舒适度等有非常重要的影响。车轮及闸瓦的材质不匹配、列车紧急制动、司机驾驶水平有限等诸多原因，易造成车辆车轮踏面失圆。

车轮失圆(Out of Roundness,OOR)是指车轮踏面型面的变化，包括车轮表面相对水平或横向理论形状的偏差和相对圆周方向的不圆度偏差。车轮滚动圆失圆形式可分为局部非圆化、全周失圆化两种，前者是指车轮踏面局部出现沿车轮径向的缺陷，扁疤、剥离等都是局部非圆化的表现形式；后者主要是车轮多边形化，即车轮半径沿整个圆周呈周期性变化。根据产生机制的不同，车轮失圆可分为车轮擦伤、踏面剥离、局部不圆顺、车轮多边形等几种，其表现形式及产生原因如表1所示。

表1 车轮踏面不圆度表现形式及产生原因

1 车轮踏面失圆检测概述

车轮失圆检测方法已有多年的研究历史，主要可分为离线检测及在线检测两大类。离线检测适合于铁路车辆入库后进行；在线检测方法则无须车辆静止后拆卸，可实现在自然环境下快速的检测。二者的优缺点详见表2。

表2 踏面离/在线检测优缺点比较

早期对车轮踏面失圆的检查有耳听、锤敲、眼看等传统离线方法，这些方法受人为因素、故障所处的部位、现场工作条件等因素影响，不易及时发现车轮踏面故障，易造成漏检、漏修，又增加工人的劳动强度，延长技检时间；只能定性地对车轮踏面进行分析，无法定量进行测量，对于速度较快的在运列车，这些方法不适用。

近年来，车轮踏面失圆自动检测等在线检测方法不断研制成功并投入使用，可自动地实现对列车动态进行监测，及时、准确地发现轮对踏面故障，可提高车辆检修质量、缩短技检时间、加速车辆周转、改善车辆运行条件、降低劳动强度。如文献[1]概述了日本铁路货运公司将在线实时车轮踏面擦伤检测装置、货物信息网络系统等多个信息渠道链接，建立货车检修管理系统，实现货运车辆车轮擦伤状态判定、列车车次确定、货车车号确定、严重踏面擦伤报警通知、扣车与扣修指令下达、检修区车轮踏面旋修等，对日本约8000辆集装箱货车的车轮踏面擦伤实现了自动化管理。

2 车轮踏面失圆检测方法

随着车轮踏面失圆检测研究的深入，目前已有多种不同类型的检测方法投入使用，如噪声检测法、图像检测法、电信号检测法、振动加速度检测法、位移检测法等。

2.1 噪声检测法

高瑞鹏等[2]从踏面擦伤车轮引起的噪声出发，将两组麦克风阵列、两个速度传感器分别安装在运行车辆底部、车轮后方的减震箱内，用于采集轮轨噪声。提出了一种将遗传算法与小波神经网络相结合的算法，通过分析轮轨噪声判定车轮踏面擦伤程度。该方法所用实验设备简单、易操作，但因设备安装在车辆上，只能检测固定的某一轮对(或几对)的踏面擦伤情况。

2.2 图像检测法

田丽丽等[3]在钢轨两侧分别放置3个千兆网数字面阵CCD摄像机、3个光源用于采集低速运行下车辆车轮的踏面处图像，经图像处理模块的平滑去噪、踏面区域分割，实现目标检测及擦伤定位。

文献[4]采用双CCD相机摄像，拍摄车轮轮毂断面曲线图像，获得车轮踏面图像，并采用图像处理的方法对其进行分割、二值化处理，在不接触踏面的条件下实现踏面擦伤检测，同时与计算机接口，实现自动检测、分析及数据远程传输。

2.3 电信号检测法

文献[5]在轨道上设置如图1所示的车轮传感器和振动传感器，前者主要用于计算车速、轴距、轴数、车辆数等，后者接收振动信号并将其转化为电信号。两个检测区长度均为L/2(L为车轮踏面的周长)，分别用于检测车轮的前半周、后半轴的踏面擦伤，中间相隔距离L。在每个检测区外边设置2个振动传感器用于判别邻轮干扰及距离补偿。该系统实现了信号的自动采集，无需切断钢轨、无需在钢轨上打孔。

2.4 振动加速度检测法

文献[6]针对擦伤的车轮踏面在行进过程中产生振动的特点，将10个加速度传感器平均安装在信号采集区间内的轨道两侧，用于测量轮轨振动信号(检测装置如图2所示)，并采用小波分析方法分析所采集的振动信号的不同频率，得到不同频率的能量，评定车轮踏面擦伤。

2.5 位移检测法

李景泉等[7]采用踏板法直接检测车轮踏面擦伤深度。其测量原理是在轨道的内侧车轮轮缘正下方加入踏板装置，踏板下方安装传感器。当有踏面擦伤的车轮经过时，由于重力作用及轮缘半径一定，踏板会随轮缘垂直往下下降一高度，该高度即为该瞬间车轮踏面擦伤的深度。传感器实时将该信号转化为电信号并传输给数据采集/处理系统，以记录信息并计算深度值。

文献[8]采用的测量装置与李景泉等采用的装置类似，均为接触式位移法直接获取车轮踏面擦伤深度值。不同的是，文献[8]中装置加入了阻尼器/减震器以吸收系统的振动，减小了车轮振动对擦伤信号判定的影响，减轻了后续车轮踏面擦伤分析时的工作量。

3 结束语

对引起铁路机车车轮踏面失圆的原因、表现形式进行了概述，并对目前已研究出的各种车轮踏面失圆检测方法进行了综述。随着铁道车辆，特别是高铁车辆车速越来越快，采用非接触式、快速、自动化的检测研究方法将成为今后的研究重点。

【1】 井野智裕，李伟平.利用踏面擦伤检测装置管理货车车轮踏面[J].国外铁道车辆，2013(6):42-45.

【2】 高瑞鹏，尚春阳，江航.遗传算法结合小波神经网络的列车车轮扁疤故障检测方法[J].西安交通大学学报，2013,47(9)：88-91.

【3】 田丽丽，方宗德，赵勇.铁路货车车轮踏面伤损检测中剥离与擦伤定位方法[J].铁道学报，2009(5):31-36.【4】 罗意平，李雪雷，王峰，等.基于线结构光的轮对踏面测量方法研究[J].铁道科学与工程学报，2005,2(3)：75-77.

【5】 侯世江.对车轮踏面擦伤微机自动检测系统的初步研究[J].铁道车辆，2001(12):36-38.

【6】 倪然，马庆春，迟宝权，等.车轮踏面擦伤检测技术及数据分析方法[J].自动化技术与应用，2006，25(5)：59-61.

【7】 李景泉，刘继.车轮踏面擦伤自动检测方法的研究和试验[J].同济大学学报，2003,31(4)：473-476.

【8】 黄艳红，高晓蓉，王黎，等.基于平行四边形机构实现机车车轮踏面擦伤信号的检测判定[J].机车电传动，2008(1)：52-54.

Review of Detecting Methods for Out of Roundness of Locomotive Wheel Tread

LIU Hong,LEI Xinhong

(R&D Center,CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.,Ltd.,Zhuzhou Hunan 412001,China)

Since the 1970s,people from around the world have done a lot of research in the area of out of roundness(OOR),and have proposed a variety of different detection methods.The causes,forms,and detection methods for OOR of locomotive wheel tread were reviewed.

Locomotive；Wheel tread；Out of roundness；Detection

2014-12-03

刘红(1986—)，男，助理工程师，主要从事铁路机车方面的检测与试验研究工作。E-mail:syliuhong@163.com。