铁路货车状态修车轮尺寸的非接触测量研究

杜彪　范帆　郭志远

摘要：针对轮轴检修车间车轮尺寸检测工序采用人工检测的情况，对车轮尺寸的非接触测量方式进行进探索改造，降低给测量工序的人工参与，提高检修流程的自动化程度。

Abstract： In view of the fact that manual inspection is adopted in the wheel dimension inspection process of the axle overhaul workshop， the non-contact measurement method of wheel dimension is explored and reformed to reduce the manual participation in the measurement process and improve the automation degree of the maintenance process.

关键词：轮轴;检修;自动化;机械手

Key words： axle;overhaul;automation;mechanical arm

0  引言

随着当前社会经济和科技的不断发展，铁路运输也得到飞快的进步，铁路车辆作为铁路运输的重要工具在铁路运输与发展过程中起着十分重要的作用。在国内，铁路运输线路布局广泛，营业路程遍布祖国大江南北，使得铁路运输成为国民经济的重要组成之一[1]。在铁路车辆的实际运行过程中，车辆轮对是保证其安全运行的重要组成部件，因而保证车辆轮对的质量是非常重要的。

传统检修模式存在很多弊端。首先，事后检修模式存在的问题是打乱了铁轮货车正常运行计划，同时，人力、物力等资源的供应也使得整个检修过程处于紧张、忙碌、效率低的状态。而定期检修模式存在的问题是定期检修必须有大量的人力和物力投入，在某种程度上具有盲目性，浪费了資源的利用率。因此，本文提出对轮对检测实行状态检修的方式，贯彻预防为主、执行定期检查的制度。对维护设备质量、保证日常运输需要，起到了一定的作用。

1  国内外现状

国外众多研究机构较早进行了轮对尺寸在线检测技术与系统的研究[3]，如：美国Loram公司于20世纪90年代中期研制出高、低速下的车轮自动检测系统;日本20世纪90年代末研制出车轮踏面形状自动检测装置，可以同时检测轮对轮廓参数，测量误差精度相对较高。国内部分研究机构也在近年开发了轮对尺寸在线检测系统：成都主导科技公司研制的LY系统轮对动态检测系统[4]，广州负担奥特公司研制的AUT-3500轮对尺寸在监测系统[6]均实现了轮对几何参数的自动测量。上述系统主要是采用光截图像法[7]，当轮对通过测量装置时，激光照射到待测轮对，用光电传感器捕捉通过的轮对轮缘，同时告诉CCD（电荷耦合元件）拍摄，对所拍摄的图像经过滤波和细化处理，抽出激光图像的中心线，算出轮对尺寸，该方法结构复杂，容易受环境干扰，重复测量精度低。在国内，仍然有许多铁路货运车辆采用人工测量的方式，测量精度低，浪费劳动资源。因此，本文针对铁路货运车辆轮对收入检测背景，开发出一套轮对踏面尺寸智能检测系统具有重要意义，同时，将这套系统应用到铁路货车轮对状态修中以预防为主、定期检查当中去，对整个状态修的执行提供技术上的辅助作用，进而保证状态修的顺利、有效的执行。

2  系统组成及主要功能

轮对在线检测系统主要包含六个组成部分：车轮尺寸测量激光位移传感器、车轴尺寸测量激光位移传感器、激光传感器阵列结构基座、车轮转动匀速驱动装置、激光位移传感器阵列控制系统、车轮尺寸采集测量软件。激光位移传感器阵列控制系统与车轮尺寸采集测量软件采用socket通信的方式，激光位移传感器阵列控制系统负责发送指令，车轮采集测量软件主要负责同步采集轮对踏面数据和计算轮对踏面尺寸、磨损等参数并给予通信应答，在车轮采集测量软件进行传感器数据采集的同时，不进行其他通信指令的执行。

2.1 车轮尺寸测量激光位移传感器

在轮对尺寸测量系统中包含四个车轮尺寸测量激光位移传感器，两个用于车轮外侧尺寸测量，两个用于车轮内侧尺寸测量。

车轮内、外侧尺寸测量激光位移传感器时域特征：

由二维激光位移传感器得到车轮外侧激光线型，经过图像的后期处理，将外侧图像进行定位、切割、重构，得到完整的轮缘外侧形状。通过标定装置，对轮对踏面测量激光位移传感器进行标定，得到左外侧和左内侧、右外侧和右内侧所在坐标系的空间变换关系。假设系统标定后得到左外侧激光位移传感器在世界坐标系下在X、Y平面空间的水平夹角分别是α，那么，根据几何关系可以得到新坐标系下的变换关系如下：

x1=x*cosα+y*sinα

y1=y*cosα-x*sinα

2.2 车轴尺寸测量激光位移传感器

打到车轴尺寸测量激光位移传感器的数据利用Doolittle[2]分解法计算得到轴心位置坐标。用于后续计算车轮的轮缘直径。

2.3 激光传感器阵列结构基座

水平安装架为激光传感器阵列结构基座示意图，该结构基座主要是为了固定车轮尺寸测量激光位移传感器和车轴尺寸测量激光位移传感器。与此同时，还将保证车轮内侧尺寸测量激光位移传感器和车轮外侧尺寸测量激光位移传感所打出的激光线条在踏面重合，保证采集到有效的车轮踏面数据。当两个二维激光位移传感器对准同一个剖面照射铁轨时，由于2段激光投射线有相互干涉，因此采用两种不同颜色的光，一个为红光，一个为蓝光。

2.4 激光位移传感器阵列控制系统

激光位移传感器阵列控制系统主要是控制传感器的同步工作，来保证上位机可以同步、精准的采集到车轮尺寸测量激光位移传感器的数据和车轴尺寸测量激光位移传感器的数据。同时，控制车轮转动匀速驱动装置的工作，来保证车轮匀速转动，进而使得上位机连续采样轮对踏面曲线速率的同步，最终完成多角度轮对踏面曲线的采集。

2.5 车轮尺寸测量软件

车轮尺寸测量软件主要是分为两个部分：一是同步控制采集部分，同步控制采集主要是对车轮外侧踏面曲线和车轮内侧踏面曲线的同步采集控制。二是算法部分。其中算法部分包含轮对尺寸计算和轮对踏面磨损算法。最终将得到轮对尺寸测量数据和踏面磨损区域信息以报文形式发送给远端上位机，以方便现场工作人员查看、分析和核对。此外，整个测量系统具有对数据进行存储、统计、历史数据查询功能、对检测数据提供报表、绘制历史曲线趋势图，并进行实时的显示、打印。

2.6 多传感器测量数据的融合与统一

将左外侧轮对踏面测量激光位移传感器和左内侧轮对踏面测量激光位移传感器通过数据过滤、坐标系变换、最高点拼接拟合等计算后，会得到完整的左侧车轮踏面曲线，如图1所示。

根据重构的车轮踏面二维形廓图可计算出车轮的主要几何尺寸。由图2可以得到，以轮对内侧面为基准找到距内侧面70mm处的踏面基准线和轮径测量基线，踏面基准线至轮缘顶点的距离称为轮缘高度，轮径测量基线向轮缘顶点方向平移10mm与轮缘的交线长称为轮缘宽度。系统能够自动测量轮对各关键尺寸，包括轮缘高度、轮缘厚度、圆周磨耗、垂直磨耗、轮辋厚度等参数，并对踏面是否存在损伤提出预警与报警。

关于车轮内侧距的计算，依据系统标定角度进行坐标系转后，会得到两个坐标系在水平方向的偏移量。依据水平方向的偏移量Δx和标定物的绝对长度l，得到车轮内侧距的计算公式如下：

L=Δx+l

針对直径的测量，系统标定过程中，会获知车轴尺寸测量激光位移传感器所在坐标系与左侧轮对踏面测量激光位移传感器坐标系和右侧轮对踏面测量激光位移传感器坐标系在垂直方向的偏移量Δy1和Δy2。在实际测量中，根据车轴尺寸测量激光位移传感器的采集数据，利用Doolittle直接分解算法，准确的得到轴心位移坐标（x，y），进而计算得到左侧和右侧车轮直径的计算公式如下：

D1=2*（maxY1-y-Δy1）

D2=2*（maxY2-y-Δy2）

其中maxY1和maxY2分别是左侧轮对踏面曲线最高点的纵坐标以及右侧轮对踏面曲线最高点的纵坐标。

由于收入回来的车轮存在不同程度的磨损，因此车轮轮对尺寸测量系统采取分别对轮对不同位置进行采样分析，最终得到可供参考的三组有效数据来供现场测量人员进行参考。

表1为现场的部分测量数据结果。

表2为真实数据结果。

3  研究结果与实现意义

本文提出了针对铁路货车轮对收入的在线轮对尺寸测量系统，经过实验数据分析，直径、内侧距、轮辋厚度、圆周磨耗、轮缘高度等测量指标精度在-1mm～1mm范围内。与此同时，安装工况结合具体测量环境，与以往基于激光三角法进行轮对在线尺寸检测系统具有很大创新性和实用性。在实际运行过程中，镜头不干净、空气中灰尘量大、或者是激光传感器阵列结构基座发生移动等等也会或多或少的造成传感器采集数据不准确，进而影响测量的精度。因此，在设备的实际运行过程中需要定期维护，在大多数情况下，系统测量数据比较可靠，并且该设备能够节约人力成本、提高设备工作效率、降低设备工作时长，能够稳定的长时间工作。因此，对轮对尺寸进行非接触的技术检测，进而保证铁路货车车轮的正常使用，对实现状态修监测，提高铁路货车车轮的使用效率具有一定的现实意义。

参考文献：

[1]赵长波，陈雷.铁路货车安全监测与应用概论[M].北京：中国铁道出版社，2010.

[2]吴光文，黄乡生，胡文龙.矩阵Doolittle分解的快速算法[J]. 东华理工大学学报（自然科学版），2015，38（1）：116-119.

[3]Wei Z. CALIBRATION APPROACH FOR STRUCTURED-LIGHTED-STRIPE VISION SENSOR[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2005， 41（2）：2956-2966.

[4]徐艳.LY-80型轮对故障动态检测系统的设计与实现[J].上海铁道科技，2010（4）：125-127.

[5]张甬成.车辆轮对动态检测装置[D].西南交通大学，2011.

[6]王丽艳.地铁车辆轮对尺寸在线监测系统[J].现代城市轨道交通，2009（2）：23-24.

[7]史倩.轮对磨耗在线图像检测技术研究[D].杭州电子科技大学.

作者简介：杜彪（1985-），男，陕西榆林人，本科，工程师，研究方向为车辆工程。