淺談鐵路貨車輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與研制

摘要：輪對(duì)是鐵路貨車行走過(guò)程中重要的構(gòu)件，輪對(duì)故障導(dǎo)致的安全事故會(huì)給鐵路運(yùn)輸造成嚴(yán)重的損失。文章從目前國(guó)內(nèi)外主流采用的貨車輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的原理入手，首先總結(jié)了貨車輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀，其次針對(duì)具體實(shí)踐要求設(shè)計(jì)了一種可自動(dòng)檢測(cè)鐵路貨車輪對(duì)參數(shù)的系統(tǒng)，并對(duì)其工作原理進(jìn)行了初步分析，最后對(duì)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：鐵路貨車；輪對(duì)參數(shù)；鐵路運(yùn)輸；安全系數(shù)；自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U270 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）33-0025-02

輪對(duì)是鐵路貨車行走過(guò)程中重要的構(gòu)件，安全高效的輪對(duì)是保證鐵路能夠快速、安全運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵因素，輪對(duì)故障導(dǎo)致的安全事故屢見(jiàn)不鮮，給鐵路運(yùn)輸造成了嚴(yán)重的損失。另外，輪對(duì)故障也會(huì)給車輛本身以及鐵路固定設(shè)施帶來(lái)一定程度的損害。目前，我國(guó)仍然依靠傳統(tǒng)的人工手動(dòng)測(cè)量來(lái)對(duì)其進(jìn)行故障的檢測(cè)診斷，不但效率低下，檢測(cè)精度以及可檢測(cè)項(xiàng)目也不盡如人意，為鐵路正常運(yùn)行帶來(lái)了隱患。因此，發(fā)展一種新型的自動(dòng)貨車輪對(duì)檢測(cè)技術(shù)對(duì)于提高我國(guó)檢測(cè)水平、提高鐵路運(yùn)輸安全系數(shù)有著重要的意義。

1 輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的原理及現(xiàn)狀

目前來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外主要應(yīng)用的輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)按照原理分類，可分為以下三類：光截圖像原理技術(shù)、視覺(jué)自動(dòng)測(cè)量技術(shù)以及激光位移測(cè)距技術(shù)，主要應(yīng)用于貨車的入庫(kù)檢查以及地鐵在線監(jiān)查上。下面分別簡(jiǎn)述一下這三類原理：

1.1 光截圖像原理技術(shù)

這種技術(shù)主要原理為利用三角激光測(cè)量技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量物體二維尺寸的目的。采用的投射光源為點(diǎn)狀高強(qiáng)度激光，高速的CCD相機(jī)作為圖像采集設(shè)備。當(dāng)測(cè)試完畢后會(huì)得到一系列的曲線，將其和標(biāo)準(zhǔn)的校正曲線進(jìn)行比對(duì)矯點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)。這種技術(shù)在低速以及靜態(tài)測(cè)量中的精度比較高，但是對(duì)于高速測(cè)量的精度尚不能令人滿意，這是由于CCD相機(jī)的采集速度有限而造成的。但是這種原理制備的設(shè)備價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單，得到了廣泛的應(yīng)用，如丹麥的EDOC公司、美國(guó)的BEENA公司以及國(guó)內(nèi)的哈爾濱威克公司等都有相應(yīng)的產(chǎn)品。

1.2 視覺(jué)自動(dòng)測(cè)量技術(shù)

視覺(jué)自動(dòng)測(cè)量技術(shù)是一種基于視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，建立在計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究基礎(chǔ)上的新興技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)為抗干擾能力強(qiáng)、高效易行，非常適合一些在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中的在線非接觸性監(jiān)控及監(jiān)測(cè)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，該技術(shù)基于視頻成像原理及先進(jìn)的圖像識(shí)別功能工作，通過(guò)高速攝像機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拍攝車輛輪對(duì)運(yùn)行狀況，采用逐幀截屏得到清晰圖片，再對(duì)圖片進(jìn)行識(shí)別辨認(rèn)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛輪對(duì)的監(jiān)控監(jiān)測(cè)。

1.3 激光位移測(cè)距技術(shù)

激光位移技術(shù)是一種高精度、高精密的非接觸行測(cè)量技術(shù)，主要用于測(cè)量對(duì)象物體的位置以及位移的變化，可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)出物體的位移、體積尺寸、振動(dòng)頻率等物理幾何量的測(cè)量。按照原理，激光位移技術(shù)可分為激光回波法和激光三角測(cè)量法兩種，而在鐵輪貨車輪對(duì)檢測(cè)中主要用的是激光三角測(cè)量法，這種檢測(cè)方法精度高，但監(jiān)測(cè)的距離較短。在實(shí)際應(yīng)用中，左右兩路光電流從激光位移傳感器發(fā)出，通過(guò)干涉成像，就可以反推算出物體激光點(diǎn)和成像透鏡前面的距離，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的。目前這種技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于我國(guó)部分鐵路

路段。

2 輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研制及簡(jiǎn)單介紹

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)輪對(duì)檢測(cè)工藝要求以及車間的實(shí)際工作狀況，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種以龍門通過(guò)式機(jī)械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其簡(jiǎn)單組成主要包括進(jìn)給總成、升降總成、帶轉(zhuǎn)總成、測(cè)量裝置以及傳感器等。待貨車輪對(duì)沿著特定軌道進(jìn)入測(cè)量裝置后，通過(guò)各個(gè)部件的協(xié)同作用以及協(xié)調(diào)工作，自動(dòng)完成對(duì)輪對(duì)各參數(shù)的測(cè)量。本裝置可以檢測(cè)的輪對(duì)參數(shù)主要包括輪緣厚度、輪座直徑、車輪直徑、車軸中央直徑等。

待測(cè)的輪對(duì)在自動(dòng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的作用下，通過(guò)導(dǎo)向裝置機(jī)構(gòu)使得輪對(duì)到達(dá)指定的測(cè)量位置，具體如下：當(dāng)輪對(duì)滾動(dòng)到待測(cè)位置時(shí)，擋輪裝置將其擋住，位于裝置下方的輪對(duì)提升結(jié)構(gòu)將輪對(duì)升起后由轉(zhuǎn)動(dòng)裝置驅(qū)使輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

與此同時(shí)，測(cè)量裝置在直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)絲杠的帶動(dòng)使其沿直線運(yùn)動(dòng)單元迅速下降到測(cè)量位置停止。當(dāng)測(cè)量傳感器做橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以測(cè)量輪對(duì)的中央直徑，左右輪緣寬度等參數(shù)；和其相連的旋轉(zhuǎn)電機(jī)可以控制測(cè)量傳感器做順時(shí)針以及逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，可以測(cè)量左右輪座直徑以及輪輞厚等參數(shù)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)的作用下，激光傳感器按照一定的路徑做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可以自動(dòng)采集被測(cè)輪對(duì)中各測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)安裝的攝像裝置可以將裝置板上的圖像反映到計(jì)算機(jī)的顯示屏上，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理后得到測(cè)量結(jié)果保存到相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中并自動(dòng)打印。當(dāng)采集數(shù)據(jù)完成后，左右的測(cè)量裝置以及激光傳感器自動(dòng)上升到初始位置，測(cè)試的輪對(duì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)并自動(dòng)下降，最后由輪推裝置推出測(cè)量位置，完成整個(gè)的工作循環(huán)。

2.2 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)主要有工業(yè)控制高精密計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制部分、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理部分以及測(cè)控軟件等部分組成。

2.2.1 工業(yè)控制高精密計(jì)算機(jī)。該部分作為整體系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一，擔(dān)負(fù)著處理數(shù)據(jù)，采集打印圖像以及對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件進(jìn)行高精度高準(zhǔn)確度控制的作用。設(shè)計(jì)中我們采用的是方正的主機(jī)，CPU為AMD 速龍II X4 740，內(nèi)存為4GB的DDR內(nèi)存，配備Dell打印機(jī)，利用Windows自帶的Microsoft Visual C++ 7.0編程系統(tǒng)進(jìn)行編程。我們采用的計(jì)算機(jī)配置較高，編程系統(tǒng)較為先進(jìn)，為整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)良性能奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.2.2 運(yùn)動(dòng)控制部分。運(yùn)動(dòng)控制部分主要由步進(jìn)電機(jī)、氣動(dòng)控制裝置以及異步電機(jī)三部分組成。實(shí)際運(yùn)行條件下，要求本系統(tǒng)的定位精度高，整體系統(tǒng)動(dòng)作平穩(wěn)，沖擊力小。因?yàn)樾D(zhuǎn)特性不同，結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的需要，選擇合適的電機(jī)是非常重要的。在輪對(duì)旋轉(zhuǎn)中，由于對(duì)電機(jī)的要求較低，因此采用的是步進(jìn)電機(jī)，最佳細(xì)分圈數(shù)為6400步/圈。在滑臺(tái)極限位置兩側(cè)安裝有光電開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)極限位置的控制，保護(hù)與之相連的傳感器。設(shè)計(jì)中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)電機(jī)要求較高，因此我們使用了帶有64位高性能RISC中央處理器的交流伺服電機(jī)，提高了機(jī)器的響應(yīng)性。

2.2.3 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理部分。數(shù)據(jù)采集部分主要由激光傳感器，電渦流傳感器以及A/D采集卡三部分組成，這部分也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的部分，其采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度決定著系統(tǒng)的檢測(cè)精度，是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。其基本工作原理是激光傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)由電渦流傳感器的放大、濾波、抑躁處理后送入A/D采集卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

設(shè)計(jì)中利用電渦流傳感器對(duì)輪對(duì)的踏面進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)采集，計(jì)算機(jī)處理后可得踏面特征；對(duì)于車輪直徑以及車軸中央直徑等則采用激光傳感器。為排除實(shí)際操作條件下的干擾，我們自行設(shè)計(jì)了一種A/D采集卡，帶有32bit分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器以及模擬輸入通道，保證最佳轉(zhuǎn)換精度，最大限度地保證了數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2.4 測(cè)控軟件。本系統(tǒng)采用先進(jìn)的VC++7.0進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)的多線程編程技術(shù)，利用模塊化設(shè)計(jì)方法，軟件程序結(jié)構(gòu)清晰，使用界面具有自動(dòng)填入、人工修改編輯的功能，上手快，使用方便。數(shù)據(jù)庫(kù)方面，我們采用的是ODBC法來(lái)訪問(wèn)Access數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 貨車輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)展望

國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果表明，現(xiàn)有的輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)基本上已經(jīng)具備實(shí)際應(yīng)用的條件，但是目前我國(guó)的檢測(cè)系統(tǒng)大部分安裝于列車通過(guò)速度較低的路段，并且受氣候條件影響較??；而鐵路重載貨車具有速度高、環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，還需對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)作進(jìn)一步的深入研究，從而實(shí)現(xiàn)其廣泛應(yīng)用，消除安全隱患，杜絕由輪對(duì)故障導(dǎo)致的嚴(yán)重安全事故。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：袁玉（1987-），女，沈陽(yáng)鐵道石油化工集團(tuán)有限公司助理工程師，研究方向：鐵路車輛工程。