动车组车轮踏面的检定方法及装置研究

【摘要】动车组车轮踏面是列车行驶的核心部件，如何精准及时对动车组车轮踏面进行检定，不仅关乎乘客乘车的舒适度，也可以保障列车的运行安全。本文介绍了一种动车组车轮踏面检定装置，并且将其应用于实践中，同时也探讨了对该检定装置进行计量溯源的方法。

【关键词】车轮踏面；检定装置；计量溯源

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.04.019

Research on Verification Method and Device for Wheel Tread of Multiple Unit

MA Chaonan

（Liuzhou Metrological Technology Testing Institute， Liuzhou 545000， China）

Abstract： The wheel tread of Multiple unit is the core component of train operation. How to accurately and timely verify the wheel tread of Multiple unit is not only related to the comfort of passengers， but also can ensure the safety of train operation. This paper introduces a kind of verification device for wheel tread of Multiple unit， and applies it in practice. At the same time， it also discusses the method of metrological traceability of the verification device.

Key words： wheel tread； verification device； metrological traceability

0引言

随着我国轨道交通的发展，铁路设计速度和荷载重量持续上升，在保证线路提速和高速化过程中，又对高速轨道车辆的轮轨系统的安全性、可靠性、耐久性提出了更高的要求。动车组车轮踏面是列车行驶的核心部件，其既承载了列车与轨道的载荷，又要保障列车的精准运行与导向安全。如果不能全面、精确地检测车轮的踏面，不能及时发现车轮踏面的超限、磨损并进行处理，可能会导致车辆颠覆、出轨等严重事故的发生。

因此车轮踏面是动车组车辆检测中的重点。精准及时地对动车组车轮踏面进行检定，不仅关乎乘客乘车的舒适度，也关乎列车的运行安全。传统的检测工具已不能适应目前的检测需要。本文针对动车组车轮踏面的检定设计了一套适合的检定装置，并讨论了该装置的量值校准溯源方法。

1动车组车轮踏面检定装置的设计

在动车操作检修中经常会发现车轮出现踏面擦伤、硌伤、滚动接触疲劳、剥离等问题。车轮踏面擦伤是在动车刹车和加速时由车轮的滑动而引起的，这样的擦伤往往会发生在轮对的两个车轮同一圆周位置上。车轮硌伤是车轮运动中接触小物体（如沙石）产生的细小凹痕。滚动接触疲劳是由轮轨间的滑移切向力在車轮上产生的微小裂纹。剥离是产生上述损伤后引起的车轮局部材料丢失。轮对作为动车组重要的运行部件，其踏面产生的缺陷要控制在一定范围内，否则将对车辆运行安全造成直接影响。因此，快速有效地检定动车组车轮踏面显得尤为关键。

对动车组车轮踏面进行检定的工具非常有限。目前对标准模板的测量时使用等高块将标准模板放在平板上，用磁性表座将标准模板固定，再将测量仪放在等高块上进行误差检测。这种方法使用起来非常不方便，在检测过程中必须在铸铁的平板上才可以进行，无法保证测量仪基准面与等高块及模板保持在同一平面上，影响测量结果的准确度。所以发现车轮踏面损伤时，检测人员多以目测、手摸等方法判断车轮踏面的损伤程度。对于深度极小的损伤，这种检测方法在提高检查效率的同时也能满足检测的要求。但对于深度接近极限要求的损伤，使用这种方法检测就容易出现问题，从而给行车安全带来一定隐患。

因此，我们研制了一套动车组车轮踏面检具模拟检定装置，并已成功申请国家实用新型专利。该检定装置包括支座、模板紧锁螺钉、夹紧板。所述支座带有安装槽，将安装槽的一个侧面设定为定位面，在所述安装槽内用夹紧板间隔固定至少两个模板，所述模板锁紧螺钉从支座一侧伸入顶住夹紧板，将模板固定于安装槽；在支座与模板底部对应处，设置有模板高度调节螺钉，模板底部与模板高度调节螺钉相接，通过模板高度调节螺钉调节模板的位置，最终达到能在所述模板的侧面设置有轮辋厚度测量边。该检具模拟检定装置可以同时放入多个模板，通过模板的高度调节螺钉将高度调节为同一高度，在同一装置上通过移动动车组踏面参数智能检测仪实现示值误差全范围的检定。

本检定装置可以采用激光测量技术或直接接触测量进行检测，因此具有以下两种类型的检定方法：

1）可以采用激光测量技术，通过测量模组的激光扫描对动车组车轮踏面轮廓进行测量，记录轮廓曲线。

2）可以使用检定模板，通过与车组车轮踏面及滚轮的测量，记录轮廓曲线。

在设计本检定装置时，主要的检定模组分为两个部分：

1）带安装槽的装置支座，用于稳定和装载检测模板或检测仪。

2）用于检定的轮廓曲线模板组及激光测量装置。通过调节放入的多个轮廓曲线模板，对动车组车轮踏面进行多量值的快速检定。所以，轮廓曲线坐标系是以一个轮辋面为垂直基线的零位，以距离轮辋面的位置为横向零位构成的。

因此以动车组踏面轮廓曲线坐标系统为基础进行结构设计的车轮踏面轮廓探测器校准装置为两个部分：

1）踏面轮廓参数智能检测仪模块。2）踏面轮廓曲线检定模板。两个部分分别是踏面轮廓检测仪模块。

校准装置结构满足不同类型车轮踏面轮廓检测仪的校准。根据检测仪的特点，校准装置保持在与踏面轮廓曲线坐标一致的三个方向进行（水平X方向、水平Y方向、垂直Z方向）校准。

检定装置以检测模板为基准面，水平X方向作为轮廓参数智能检测仪的支撑位置。为保证各种检测仪器都能架靠在检定装置上，设计为X方向可任意调节距离，在移动过程中两个滑动块保持等高，间距范围在50～155 mm，并在滑动导轨上设计锁止结构，保证滑动等高块在导轨上滑动和停止时的平稳，保证滑动等高块在导轨水平Y方向主要以等高块的侧面工作面为基准，坐标Y方向的零位基准面，即Y方向的垂直面与等高块的侧立工作面共面。当X方向的等高块进行调整后，将Y方向的垂直立板移至等高块的侧立面共面位置，并将其锁死。可移动结构设置在竖直Z方向，由于车轮踏面轮廓仪的扫描探测高度范围不同，因此需要调节检测仪扫描点到踏面轮廓标准块的距离，以满足不同类别检测的最佳扫描探测距离，需要通过Z方向提升结构来实现。Z方向提升范围为50～125 mm，可保证其测量的准确度。

此外，踏面轮廓标准模板是车轮踏面轮廓曲线测量值检定的重要内容。车轮踏面轮廓曲线的测量值检定因其曲线的多样性而导致轮廓线参数智能检测仪的三个参数均为轮廓曲线的计算值，所以，在计算出特征位置点的值之前，必须获得一套完整的轮廓曲线。更简易的方法是把图像曲线的模板标块修正为多量值的模板标准块。轮廓曲线的特点部位，其厚度约为35 mm，高约为26 mm。为了实现多量值修正特征，改变踏面轮廓线，使踏面轮廓曲线特征点位置的轮缘高度范围覆盖25 mm，轮缘厚度测量范围覆盖22 mm，QR值测量范围覆盖10 mm，达到车轮踏面轮廓智能检测仪测量精度要求。因为它是实体踏面的轮廓线，所以其特征点位置是按照实际的溯源数值来应用的，但要确保其特征点的溯源不确定。

此检定装置的成功研制既提高了动车组车轮踏面的日常检定工作的效率，同时也提升了检定装置自身的准确度等级，确保了测量数据的准确可靠，为动车组行驶安全提供了坚实的保障。

2动车组车轮踏面的检定装置的溯源方法

动车组车轮踏面模拟检定装置主要采用激光测试技术对动车组车轮踏面进行扫描，对动车组车轮的轮缘厚度、轮缘高度及轮缘斜度等参数进行检定。鉴于国家尚未有相关的检定方法，各地方也未见有相关检定规程或校准规范出台，而作为检定装置的主要标准器必须经过计量溯源才能使用，因此本文对该检定装置的溯源方式进行研究。

我们首先研究了国外相关国家类似测量装置的溯源方式，结合我国计量溯源体系总结了以下方法及经验。

车轮踏面参数智能检测仪是用来测量铁路机车踏面各种尺寸参数的便携式检测仪器。该智能检测仪运用算法能够在汽车不分解转向架和车身条件下，利用激光传感器对车轮踏面的各个点参数（X、Y坐标）进行外形扫描，并利用软件对踏面的各个尺寸参数（轮缘高度，轮缘厚度，QR值等）进行数据采集，从而对踏面的轮廓曲线进行自动计算。为方便检索后期的标定追溯，本文探讨了该检定追溯的方法，并根据检索的数值追溯，制定了相应的校准设备。

当前，车轮踏面智能参数检测仪在进行检定时，通常采用车轮检测仪对动车组车轮的踏面磨耗、轮缘厚度、轮（箍）厚度等被测参数进行采集，然后与车轮踏面智能参数检测仪采集的数据进行比对。这种通过人工读数和人为判断检定的方法具有以下缺点：

1）资料错误较大，技术方法落后，检定效率非常低下；

2）校准、记录、存储、传输等技术要求不能满足检定校准工作所需的条件；

3）车轮在踏面智能参数的检测中，会由于人工因素导致不确定性，在检定准确性上存在着一定的局限性。

针对以上问题和技术难点，我们设计并研制了一种校准检测器，即车轮踏面多参数智能探测仪及配套设备。针对车轮踏面参数智能检测仪校准技术现状和测量特征的研究，并根据不同踏面参数测量技术的实际应用，提出了基于激光技术测量技术同步比对校准方法和车轮踏面智能参数检测仪校准技术解决方案。

我们根据检定设备特性制定了相关校准方法：

1）利用车轮踏面多参数智能探测仪测量车轮在工作状态时的示值误差。标定设备通过激光扫描采集图样片，通过测量软件对其进行计算，然后利用测量值与图样片的标准校准值进行数组同步，将踏面磨耗、轮缘厚度、轮（箍）宽度、QR值参数等数值采集到图样片上，并对各参数的示值误差进行分析。

2）与之相似的重复性标定方法（即利用激光扫描校验样品参数的数值取决于标定设备所采集）在测量区间取3个点，进行10次重复性测量操作，其最大误差和最小误差之差为重复性误差。

依据JJF 1094—2002《测量仪器特性评定》的规定，测量不确定度小于最大允许误差的1/3，根据计量特性合格判断原则，该校准装置的检定结果满足量值溯源要求，可实现对车轮踏面轮廓检测仪的校准测量，从而能够动车组车轮踏面的检定装置的溯源要求。

3总结

本文介绍了作者主持设计的动车组车轮踏面的检定装置平台，进行了关键技术的测试，详细介绍了设计的过程以及探讨了检定装置溯源的方式方法。

根据动车组车轮在日常检修工作中的经验，从车轮踏面检修的质量和效率入手，着重探讨了如何准确、有效地进行检定，通过对现行的计量方法的利弊分析，结合本次设计的检定装置，对现行的计量检定方法进行了改进和升级，从而满足检修精度准、定位缺陷快的要求。相对于原有测量方法，它可以实现精确定位、精确测量、一次测定的目的，操作简便，易于实现，使检定速度提升，运行检修效率提高，对车辆行驶安全起到了不可忽视的作用。经过实践工作中的数据与分析，该检定装置符合日常检定的工作需求，可广泛用于动车组车轮踏面的检定工作。

【参考文献】

[1]测量仪器特性评定：JJF 1094─2002[S].

[2]李晓峰，李国栋，宋春元，等.高速動车组车轮磨耗线路试验研究[J].中国铁路，2019（4）：65-72.

[3]何之径.便携式车轮踏面参数智能检测仪的研制[J].铁道运营技术，2011，17（3）：56-57，60.

【作者简介】

马潮南，男，1985年出生，工程师，研究方向为力学、化学、电磁学检测及计量质量体系管理。

（编辑：李加鹏）