動(dòng)車組輪對故障動(dòng)態(tài)檢測方案

都麗杰

（西安鐵路運(yùn)輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710014）

隨著列車的速度越來越高，對安全性的要求也越來越高，而對安全保障的設(shè)備也提出了更高要求。輪對是直接與鋼軌接觸并通過輪軌黏著關(guān)系來推動(dòng)列車運(yùn)行的部分，其性能的好壞、有無缺陷直接影響到列車的運(yùn)行安全，而在運(yùn)行過程中，輪對的磨損卻又是實(shí)時(shí)在發(fā)生的，因此動(dòng)態(tài)監(jiān)測輪對的安全狀態(tài)是非常必要的，本文將對輪對的動(dòng)態(tài)檢測要求及檢測方案[1]進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 輪對動(dòng)態(tài)檢測

輪對動(dòng)態(tài)檢測要求能夠?qū)崟r(shí)檢測輪對的外輪廓形狀、基本尺寸、結(jié)構(gòu)完整性，同時(shí)要能夠?qū)z測到的數(shù)據(jù)傳輸給列車運(yùn)行安全系統(tǒng)及后備專家系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[2]，因此對輪對故障動(dòng)態(tài)監(jiān)測設(shè)備提出以下具體檢測要求：1）輪對外形尺寸自動(dòng)檢測，包括踏面磨耗、輪緣厚度、QR值、車輪直徑、輪對內(nèi)側(cè)距；2）踏面缺陷（踏面剝離、裂紋）自動(dòng)探傷；3）車輪擦傷及不圓度自動(dòng)檢測；4）車號(hào)及端位自動(dòng)識(shí)別；5）繪制輪對外形檢測曲線并與踏面標(biāo)準(zhǔn)外形進(jìn)行比較顯示；6）檢測結(jié)果存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、對比、打印、超限報(bào)警顯示以及數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)管理；7）具有對檢測出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷、整理的能力，那就是通過對歷史數(shù)據(jù)的綜合分析，總結(jié)輪對的磨耗規(guī)律，繪制磨耗趨勢圖，預(yù)測輪對運(yùn)用到限時(shí)間；通過數(shù)據(jù)的綜合分析比較對輪對的技術(shù)狀態(tài)做出綜合評價(jià)，給出優(yōu)化的綜合維護(hù)保養(yǎng)方案，以指導(dǎo)輪對的檢修；8）提供豐富的數(shù)據(jù)接口，向輪對維修設(shè)備提供傳輸數(shù)據(jù)接口（如不落輪鏇輪車床，數(shù)控車輪車床）、機(jī)車車輛基本信息輸入接口、走行公里數(shù)輸入接口、人工反饋信息輸入接口、段相關(guān)部門和鐵路局的網(wǎng)絡(luò)訪問接口等；9）系統(tǒng)故障自診斷。

除完成以上檢測要求外，還要求采用在線動(dòng)態(tài)檢測方式，不需停車，不需解體輪對，檢測速度快、效率高；非接觸檢測[3]，不影響列車正常運(yùn)行，安全可靠；檢測過程自動(dòng)完成；提供檢測數(shù)據(jù)的綜合分析、判斷和整理，給出優(yōu)化的綜合維護(hù)保養(yǎng)方案。

2 輪對動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)

輪對對態(tài)檢測系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由基本檢測單元、監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備間、控制室組成。其中，基本檢測單元完成各項(xiàng)基本檢測功能；監(jiān)控系統(tǒng)完成對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控、防盜功能；設(shè)備間主要完成信息采集與處理工作，主要控制設(shè)備在設(shè)備間進(jìn)行安裝；控制室是人機(jī)交互的場所，主要完成數(shù)據(jù)的輸入與輸出、進(jìn)行數(shù)據(jù)管理及整個(gè)系統(tǒng)的管理。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of system composition

2.1 基本檢測單元

基本檢測單元包括車號(hào)識(shí)別、輪對外形輪廓及內(nèi)側(cè)距檢測、車輪直徑檢測、車輪擦傷及不圓度檢測、踏面裂紋探測第5個(gè)模塊。該基本檢測單元的主要作用是獲取輪對外形和踏面缺陷的原始檢測數(shù)據(jù)。為了輔助基本檢測單元的工作，在基本檢測單元的前后方分別設(shè)置了車輛接近檢測單元和車輛離去檢測單元。

2.2 設(shè)備間

設(shè)備間實(shí)時(shí)采集處理基本檢測單元的測量信號(hào)，形成檢測結(jié)果，并以一定的格式與控制室內(nèi)的主機(jī)通信，接收控制室主機(jī)的控制命令，向控制室主機(jī)發(fā)送狀態(tài)信息和檢測結(jié)果。另外，設(shè)備間還負(fù)責(zé)控制現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備的工作，處理監(jiān)控信號(hào)。設(shè)備間內(nèi)包括現(xiàn)場控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)主控機(jī)。

2.3 控制室

控制室用于控制監(jiān)測系統(tǒng)的啟停，監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況，管理最終的檢測結(jié)果，提供用戶訪問界面、數(shù)據(jù)輸入/輸出接口、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)管理。包括操作控制臺(tái)、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)綜合分析及管理軟件。

2.4 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器部分位于現(xiàn)場擋光防護(hù)通道內(nèi)，主要由帶云臺(tái)低照度攝像機(jī)、車體判別傳感器、紅外微波雙鑒探測器、聲光報(bào)警器、照明燈及壁掛式音響組成，共同完成對現(xiàn)場的監(jiān)視、防盜及聲光報(bào)警，確保現(xiàn)場檢測設(shè)備的安全。

3 檢測子系統(tǒng)

3.1 尺寸檢測子系統(tǒng)

輪對外形尺寸檢測子系統(tǒng)用于在線動(dòng)態(tài)檢測動(dòng)車組、車輛、機(jī)車及地鐵車輛輪對的外形尺寸和踏面外形輪廓曲線。采用光截圖像測量技術(shù)[4]實(shí)現(xiàn)對車輪外形輪廓和輪對關(guān)鍵外形尺寸的非接觸動(dòng)態(tài)檢測。如圖2所示，線光源沿輪心方向投射車輪踏面部分形成從輪緣到踏面的光截曲線，該光截曲線包含了踏面外形尺寸信息，用與光入射方向成一定角度的CCD攝像機(jī)拍攝車輪外形光截曲線圖像，經(jīng)過圖像實(shí)時(shí)采集、處理獲得車輪外形曲線，將檢測的外形曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線比較后得到車輪外形尺寸[5]。系統(tǒng)在實(shí)際實(shí)施中，采用內(nèi)外兩側(cè)光源入射的方式形成車輪外形的完整輪廓曲線。

尺寸檢測系統(tǒng)主要功能：1）輪對外形尺寸自動(dòng)檢測：踏面磨耗、輪緣厚度、QR值、輪輞/輪箍厚度、車輪直徑、輪對內(nèi)距；2）車號(hào)及端位自動(dòng)識(shí)別；3）自動(dòng)繪制輪對外形檢測曲線，并可實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警顯示；4）外形尺寸檢測結(jié)果的存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、對比、打印及聯(lián)網(wǎng)管理。

圖2 光截圖像測量原理圖Fig.2 Measurement principle diagram of light capture

尺寸檢測系統(tǒng)主要由外形尺寸現(xiàn)場檢測設(shè)備（輪對外形輪廓及內(nèi)側(cè)距檢測模塊）和位于設(shè)備間內(nèi)的控制處理設(shè)備組成。尺寸檢測系統(tǒng)的檢測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 尺寸檢測系統(tǒng)檢測網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Network diagram of dimension measurement system

由圖3可看出，尺寸檢測子系統(tǒng)的主要設(shè)備為現(xiàn)場設(shè)備，現(xiàn)場檢測設(shè)備安裝在整體道床上，主要由分布在軌道兩側(cè)的激光線光源（LD）、CCD攝像機(jī)、車輪檢測觸發(fā)傳感器、列車接近/離去傳感器、計(jì)輛判向傳感器、車號(hào)識(shí)別裝置及LD、CCD開關(guān)罩保護(hù)機(jī)構(gòu)組成。8個(gè)CCD對應(yīng)安裝在一輛車8個(gè)輪對的相應(yīng)位置，當(dāng)車輪檢測觸發(fā)傳感器被觸發(fā)時(shí)，接收由激光器射到輪緣外側(cè)所形成的光截曲線，并將檢測信息傳輸至設(shè)備間的數(shù)據(jù)處理設(shè)備中，主要完成輪對外形尺寸和外形曲線的檢測。

3.2 電磁超聲探傷系統(tǒng)

踏面缺陷動(dòng)態(tài)探傷子系統(tǒng)是線動(dòng)態(tài)檢測動(dòng)車組、車輛、機(jī)車及地鐵輪對踏面缺陷的系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用先進(jìn)的電磁超聲換能器[6]（EMAT）原理，具有非接觸快速檢測、無需耦合劑的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)輪對踏面缺陷的快速動(dòng)態(tài)自動(dòng)檢測。

輪對探傷系統(tǒng)主要由現(xiàn)場檢測設(shè)備、現(xiàn)場控制設(shè)備和服務(wù)控制設(shè)備等3部分組成。現(xiàn)場檢測設(shè)備安裝在一段定制的測量軌上，4只探頭分別交錯(cuò)安裝（兩兩相隔一定距離）在左右兩條鋼軌上，以確保同一輪對進(jìn)行兩次測量，補(bǔ)償了單探頭的探測盲區(qū)，提高了缺陷檢測精度。

電磁超聲探傷系統(tǒng)利用超聲表面波的脈沖反射原理[7]進(jìn)行缺陷檢測。當(dāng)輪對沿鋼軌運(yùn)行到探頭位置，輪對踏面接觸探頭的瞬間，EMAT在車輪踏面表面及近表面激發(fā)出電磁超聲表面波脈沖，超聲表面波將沿踏面表面及近表面圓周以很小的損耗傳播，如圖4所示。超聲表面波在踏面雙向傳播（順時(shí)針和逆時(shí)針），沿車輪表面及近表面?zhèn)鞑ヒ恢芎蠡氐教筋^位置，EMAT探頭檢測到返回的超聲表面波后形成第1次周期回波（圖5中RT波）；未衰減的超聲波繼續(xù)沿踏面?zhèn)鞑?，依次形成?次，第3次周期回波……，直到能量衰減到設(shè)備無法檢測為止。

圖4 超聲波檢測原理圖Fig.4 Principle diagram of ultrasonic testing

圖5 表面波傳播原理圖Fig.5 Principle diagram of surface wave propagation

當(dāng)車輪踏面表面及近表面有裂紋或剝離等缺陷存在時(shí)，超聲波在缺陷端面處一部分能量被反射，沿原傳播路徑返回并被探頭檢測到，形成缺陷回波（圖5中E波）；另一部分能量繞過缺陷端面繼續(xù)傳播，形成周期性回波（圖5中RT波）。通過正常的周期回波（RT）與缺陷回波（E）的對比分析，可以定性分析當(dāng)前輪對的踏面缺陷狀況。

電磁超聲探傷系統(tǒng)由以下3部分組成：

1）軌道現(xiàn)場檢測設(shè)備 軌道現(xiàn)場檢測設(shè)備主要由EMAT探頭和車輪檢測傳感器等檢測設(shè)備及配套的接線盒組成。探頭設(shè)置4個(gè)，分列于兩軌道上，并交錯(cuò)安裝，保證同一輪對進(jìn)行兩次測量；車輪檢測傳感器主要完成車輪到達(dá)檢測，當(dāng)檢測有車到達(dá)時(shí)，探頭發(fā)出電磁超聲表面脈沖，完成踏面缺陷的檢測。

2）探傷主機(jī)系統(tǒng) 探傷主機(jī)安放在現(xiàn)場設(shè)備間，是探傷系統(tǒng)的核心部件，控制整套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、處理以及與輪對故障動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、上傳檢測數(shù)據(jù)等。

3）控制室服務(wù)單元 控制室服務(wù)單元位于控制室內(nèi)，隸屬于輪對故障動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)，提供所有檢測數(shù)據(jù)的服務(wù)管理以及與各級網(wǎng)絡(luò)用戶的數(shù)據(jù)訪問接口。

3.3 擦傷檢測子系統(tǒng)

擦傷檢測系統(tǒng)用于在線動(dòng)態(tài)自動(dòng)檢測車輪踏面擦傷及車輪不圓度[8-9]，普遍適用于各型動(dòng)車組、客車車輛、地鐵車輛及機(jī)車。

通過測量車輪一周的輪緣高度變化，實(shí)現(xiàn)對踏面擦傷及車輪不圓度的測量，如圖6所示，踏面擦傷后，擦傷處圓周半徑將減小，這就使得擦傷處的輪緣頂點(diǎn)t相對于鋼軌的位置低于無擦傷處的輪緣頂點(diǎn)位置。一般輪緣頂點(diǎn)是不會(huì)被破壞的，因此輪緣頂點(diǎn)t的位置變化反映了車輪踏面受損的信息。所以測得t點(diǎn)的相對位移h沿圓周的分布情況，就可得到當(dāng)前車輪的踏面擦傷值，而h在整個(gè)圓周上的最大偏差hmax即為圓度偏差[10]（不圓度）。

圖6 擦傷檢測原理圖Fig.6 Schematic diagram of abrasion test

探傷檢測系統(tǒng)的組成及布局如圖7所示，由8套平動(dòng)機(jī)構(gòu)、列車接近檢測傳感器、車體辨向計(jì)數(shù)傳感器、信號(hào)調(diào)理箱及擦傷電氣箱組成。

圖7 擦傷檢測系統(tǒng)的組成及布局圖Fig.7 Composition and abrasion detection system layout

擦傷檢測系統(tǒng)的檢測過程受輪對故障動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)的統(tǒng)一控制。當(dāng)有機(jī)車、車輛到達(dá)時(shí)，車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別出車號(hào)信息，擦傷檢測系統(tǒng)在輪對故障動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)主控程序控制下進(jìn)入待檢狀態(tài)；當(dāng)輪對通過擦傷檢測系統(tǒng)各平動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，各通道實(shí)時(shí)采集傳感器輸出的反映輪緣高度變化量的位移信號(hào)，通過分析、處理得到輪緣相對于踏面的高度變化數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行車體計(jì)數(shù)及判向；當(dāng)機(jī)車、車輛通過檢測區(qū)域后，主控程序下達(dá)檢測結(jié)束命令，擦傷檢測系統(tǒng)結(jié)束當(dāng)前檢測過程，分析、存儲(chǔ)檢測結(jié)果，以報(bào)表形式給出車輪踏面擦傷數(shù)據(jù)及不圓度數(shù)據(jù)，并將結(jié)果傳遞到控制室服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫中保存，然后擦傷檢測系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

4 其他配合子系統(tǒng)

為使整個(gè)檢測系統(tǒng)的自動(dòng)化水平更高，同時(shí)保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行安全，還設(shè)置車號(hào)識(shí)別子系統(tǒng)和安防子系統(tǒng)。

4.1 車號(hào)識(shí)別子系統(tǒng)

為提高輪對故障動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)的自動(dòng)化處理能力，特配置了車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)。車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)是在鐵路運(yùn)輸中運(yùn)用得比較成型的檢測系統(tǒng)，主要用于車號(hào)信息的識(shí)別，并獲得相關(guān)信息而設(shè)。車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)安裝在入庫線路上檢測系統(tǒng)的前方，當(dāng)動(dòng)車組、車輛（安裝了電子標(biāo)簽的車輛）、機(jī)車或地鐵車輛觸發(fā)列車接近傳感器時(shí)，開啟車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)接收天線，車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)接收車號(hào)及端位信息并上傳至尺寸檢測主機(jī)，尺寸檢測主機(jī)上的現(xiàn)場控制程序負(fù)責(zé)將車號(hào)端位信息上傳至遠(yuǎn)程主機(jī)，遠(yuǎn)程主機(jī)根據(jù)上傳的車號(hào)信息確定是否需要檢測，若需檢測，則啟動(dòng)輪對故障檢測系統(tǒng)的各檢測子系統(tǒng)，當(dāng)列車全部通過檢測區(qū)段后，結(jié)束檢測并關(guān)閉車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)接收天線。

4.2 安防子系統(tǒng)

安防系統(tǒng)是為保證現(xiàn)場設(shè)備的安全而設(shè)置的，輪對故障動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)在現(xiàn)場配置了獨(dú)立于檢測系統(tǒng)工作的安防系統(tǒng)。安防系統(tǒng)主要由監(jiān)控錄像單元和防盜報(bào)警單元兩大部分組成。監(jiān)控錄像部分為24小時(shí)不間斷錄像，防盜報(bào)警部分會(huì)自動(dòng)生成報(bào)警日志，通過報(bào)警日志可快速查找到對應(yīng)的監(jiān)控錄像，方便事后分析處理。同時(shí)，安防系統(tǒng)探測到報(bào)警信號(hào)時(shí)，現(xiàn)場報(bào)警器會(huì)工作，以聲光報(bào)警方式警示闖入現(xiàn)場檢測設(shè)備區(qū)域的人員離開，達(dá)到保護(hù)現(xiàn)場檢測設(shè)備的目的。

5 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)動(dòng)車輪對外形尺寸及性能的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，本文采用了光截圖像測量技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對車輪外形輪廓和輪對關(guān)鍵尺寸的非接觸動(dòng)態(tài)檢測；利用超聲表面波的脈沖反射原理進(jìn)行輪對缺陷檢測；通過測量車輪一周的輪緣高度變化，實(shí)現(xiàn)對踏面擦傷及車輪不圓度的測量，從而實(shí)現(xiàn)對輪對狀態(tài)的全方位檢測與信息存儲(chǔ)，一方面保證動(dòng)車運(yùn)行安全，另一方面為行車指揮系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為正確決策提供保障。

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