鐵路貨車狀態(tài)修車輪踏面損傷非接觸檢測(cè)研究

劉瑞軍　趙永鋼　馬宏偉

摘要：針對(duì)輪軸檢修車間多種輪軸檢測(cè)設(shè)備部分檢測(cè)環(huán)節(jié)的手動(dòng)行為，進(jìn)行傳感器部件安裝方法的自動(dòng)化改造，降低檢測(cè)設(shè)備的人工參與環(huán)節(jié)，提高設(shè)備的自動(dòng)化程度。提高檢測(cè)效率。

Abstract： In view of the fact that manual inspection is adopted in the wheel dimension inspection process of the axle overhaul workshop， the automatic transformation of the installation method of the sensor components is carried out to reduce the manual participation in the measurement process and improve the automation degree of the maintenance process and improve detection efficiency.

關(guān)鍵詞：輪軸;檢修;自動(dòng)化;機(jī)械手

Key words： axle;overhaul;automation;mechanical arm

0 ?引言

鐵路被公認(rèn)為是國民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，是一個(gè)國家工業(yè)化水平和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平的重要衡量指標(biāo)之一，而鐵路貨運(yùn)則是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要推助器。隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求不斷增長和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，鐵路貨運(yùn)車輛運(yùn)輸速度和載重量也相應(yīng)的不斷提升，其帶來的安全隱患也必將隨之加大。在鐵路貨車運(yùn)行過程中，其荷載全部由輪對(duì)承載，因此，有效的檢測(cè)排查輪對(duì)踏面擦傷是保障貨車安全運(yùn)行的必要條件之一[1]。

1 ?國內(nèi)外現(xiàn)狀

對(duì)貨車輪對(duì)踏面的檢測(cè)，檢測(cè)比較早的國家有德國、瑞典、美國、日本、俄羅斯等。近年來我國在這方面也越來越重視，對(duì)其研究取得了很大的進(jìn)步。在20世紀(jì)80年代末，日本利用光電檢測(cè)法研制的輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)裝置能夠獲得車輪踏面的磨耗量。德國的弗朗霍菲研究所最初剔除電磁超聲檢測(cè)法，并且該研究已經(jīng)研制出用于輪對(duì)表面缺陷動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置的成熟產(chǎn)品：AUROPA系統(tǒng)。美國也利用該技術(shù)開發(fā)除了輪對(duì)踏面損傷動(dòng)態(tài)檢測(cè)的相關(guān)產(chǎn)品[2]。目前國內(nèi)應(yīng)用比較多的是靜態(tài)檢測(cè)法，還有些是人工檢測(cè)，自動(dòng)化程度低，人力成本大。因此，針對(duì)貨車輪對(duì)檢入，對(duì)車輪踏面擦傷非接觸檢測(cè)進(jìn)行深入研究具有重要意義[4][8]。

當(dāng)前，鐵路設(shè)備維修工作根據(jù)時(shí)間段的不同可以分為三種，分別是預(yù)防性維修、狀態(tài)監(jiān)控檢修和事后維修。預(yù)防性維修是定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性檢查，從而確定設(shè)備中的狀態(tài);狀態(tài)監(jiān)控檢修指的是采用一定的故障檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備對(duì)設(shè)備是否存在故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和維修;事后維修指的是設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)了一定的故障后采取的維修措施。本文采用了激光三角法，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪對(duì)踏面損傷的非接觸的檢測(cè)，并期望將該系統(tǒng)應(yīng)用到鐵路貨車狀態(tài)修的監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，能夠更加有效、準(zhǔn)確的保證輪對(duì)踏面磨損的檢測(cè)精度，對(duì)推動(dòng)鐵路貨車輪對(duì)狀態(tài)修檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2 ?系統(tǒng)組成及主要功能

輪對(duì)在線檢測(cè)系統(tǒng)主要包含六個(gè)組成部分：車輪尺寸測(cè)量激光位移傳感器、車軸尺寸測(cè)量激光位移傳感器、激光傳感器陣列結(jié)構(gòu)基座、車輪轉(zhuǎn)動(dòng)勻速驅(qū)動(dòng)裝置、激光位移傳感器陣列控制系統(tǒng)、車輪尺寸采集測(cè)量軟件。激光位移傳感器陣列控制系統(tǒng)與車輪尺寸采集測(cè)量軟件采用socket通信的方式，激光位移傳感器陣列控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)送指令，車輪采集測(cè)量軟件主要負(fù)責(zé)同步采集輪對(duì)踏面數(shù)據(jù)和計(jì)算輪對(duì)踏面尺寸、磨損等參數(shù)并給予通信應(yīng)答，在車輪采集測(cè)量軟件進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，不進(jìn)行其他通信指令的執(zhí)行。

2.1 車輪踏面測(cè)量激光位移傳感器

通過標(biāo)定裝置，對(duì)輪對(duì)踏面測(cè)量激光位移傳感器進(jìn)行標(biāo)定，得到左外側(cè)和左內(nèi)側(cè)、右外側(cè)和右內(nèi)側(cè)所在坐標(biāo)系的空間變換關(guān)系。假設(shè)系統(tǒng)標(biāo)定后得到左外側(cè)激光位移傳感器在世界坐標(biāo)系下在X、Y平面空間的水平夾角分別是α，那么，根據(jù)幾何關(guān)系可以得到新坐標(biāo)系下的變換關(guān)系如下：

x1=x*cosα+y*sinα

同理，其他三個(gè)輪對(duì)踏面測(cè)量激光位移傳感器也會(huì)有如上相應(yīng)的關(guān)系。

根據(jù)輪對(duì)各參數(shù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)計(jì)算出輪對(duì)各關(guān)鍵尺寸。以輪對(duì)內(nèi)側(cè)面為基準(zhǔn)找到距內(nèi)側(cè)面70mm處的踏面基準(zhǔn)線和輪徑測(cè)量基線，踏面基準(zhǔn)線至輪緣頂點(diǎn)的距離稱為輪緣高度，輪徑測(cè)量基線向輪緣頂點(diǎn)方向平移10mm與輪緣的交線長稱為輪緣寬度。系統(tǒng)能夠自動(dòng)測(cè)量輪對(duì)各關(guān)鍵尺寸，包括輪緣高度、輪緣厚度、圓周磨耗、垂直磨耗、輪輞厚度等參數(shù)。

關(guān)于車輪內(nèi)側(cè)距的計(jì)算，依據(jù)系統(tǒng)標(biāo)定角度進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)后，會(huì)得到兩個(gè)坐標(biāo)系在水平方向的偏移量。依據(jù)水平方向的偏移量Δx和標(biāo)定物的絕對(duì)長度l，得到車輪內(nèi)側(cè)距的計(jì)算公式如下：

L=Δx+l

針對(duì)直徑的測(cè)量，系統(tǒng)標(biāo)定過程中，會(huì)獲知車軸尺寸測(cè)量激光位移傳感器所在坐標(biāo)系與左側(cè)輪對(duì)踏面測(cè)量激光位移傳感器坐標(biāo)系和右側(cè)輪對(duì)踏面測(cè)量激光位移傳感器坐標(biāo)系在垂直方向的偏移量Δy1和Δy2。在實(shí)際測(cè)量中，根據(jù)車軸尺寸測(cè)量激光位移傳感器的采集數(shù)據(jù)，利用Doolittle直接分解算法，準(zhǔn)確的得到軸心位移坐標(biāo)（x，y），進(jìn)而計(jì)算得到左側(cè)和右側(cè)車輪直徑的計(jì)算公式如下：

D1=2*（maxY1-y-Δy1）

D2=2*（maxY2-y-Δy2）

其中maxY1和maxY2分別是左側(cè)輪對(duì)踏面曲線最高點(diǎn)的縱坐標(biāo)以及右側(cè)輪對(duì)踏面曲線最高點(diǎn)的縱坐標(biāo)。

由于收入回來的車輪存在不同程度的磨損，因此車輪輪對(duì)尺寸測(cè)量系統(tǒng)采取分別對(duì)輪對(duì)不同位置進(jìn)行采樣分析，最終得到可供參考的三組有效數(shù)據(jù)來供現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員進(jìn)行參考。

2.2 激光傳感器陣列結(jié)構(gòu)基座

水平固定架為激光傳感器陣列結(jié)構(gòu)基座的示意圖，該機(jī)構(gòu)基座主要是為了固定車輪尺寸測(cè)量激光位移傳感器和車軸尺寸測(cè)量激光位移傳感器。與此同時(shí)，還將保證車輪內(nèi)側(cè)尺寸測(cè)量激光位移傳感器和車輪外側(cè)尺寸測(cè)量激光位移傳感所打出的激光線條在踏面重合，從而通過上述算法得到有效的輪對(duì)踏面測(cè)量曲線。當(dāng)兩個(gè)二維激光位移傳感器對(duì)準(zhǔn)同一個(gè)剖面照射鐵軌時(shí)，由于2段激光投射線有相互干渉，因此采用兩種不同顏色的光，一個(gè)為紅光，一個(gè)為藍(lán)光。

激光位移傳感器能夠利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量。激光位移傳感器就是利用激光的這些優(yōu)點(diǎn)制成的新型測(cè)量儀表，它的出現(xiàn)，使位移測(cè)量的精度、可靠性得到極大的提高，也為非接觸位移測(cè)量提供了有效的測(cè)量方法[7]。

激光位移傳感器的操作主要是基于光學(xué)三角測(cè)量原理。半導(dǎo)體激光器的輻射是由一條直線上的光源投射到透鏡上形成的對(duì)象。從物體上散射的光被鏡頭收集起來，并定向到二維空間CMOS圖像傳感器。分析了所形成的物體輪廓圖像FPGA和信號(hào)處理器，用于計(jì)算到目標(biāo)的距離（z坐標(biāo)）沿著物體上激光線的集合的每個(gè)點(diǎn)（x坐標(biāo)）。

2.3 車輪轉(zhuǎn)動(dòng)勻速驅(qū)動(dòng)裝置

車輪轉(zhuǎn)動(dòng)勻速驅(qū)動(dòng)裝置是整個(gè)系統(tǒng)中必不可少的一部分，它主要是用來驅(qū)動(dòng)車輪低速、勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而可以均勻采集車輪踏面的數(shù)據(jù)樣本，為后續(xù)輪對(duì)踏面損傷檢測(cè)提供有效的數(shù)據(jù)集合。

輪對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)位于車輪下方的車輪內(nèi)側(cè)，由驅(qū)動(dòng)尼龍輪、橫向氣缸推桿、低速液壓馬達(dá)構(gòu)成。其作用是為車輪提供轉(zhuǎn)動(dòng)扭力。動(dòng)作時(shí)氣缸伸長，將尼龍輪推向車輪內(nèi)側(cè)，保證驅(qū)動(dòng)尼龍輪與輪緣內(nèi)側(cè)緊密接觸，液壓馬達(dá)啟動(dòng)后通過尼龍輪驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。該裝置的作用是轉(zhuǎn)動(dòng)車輪，調(diào)整輪軸端蓋可以周期性勻速通過激光位移傳感器的探測(cè)區(qū)域。對(duì)不同故障類型和故障部位的軸承進(jìn)行不同載荷和轉(zhuǎn)速的組合試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)單一轉(zhuǎn)速無法有效激發(fā)全部故障樣本的故障特征。當(dāng)載荷為24.5kN、轉(zhuǎn)速為250r/min和450r/min組。

2.4 激光位移傳感器陣列控制系統(tǒng)

激光位移傳感器陣列控制系統(tǒng)主要有兩個(gè)作用。第一，用來保證輪對(duì)測(cè)量激光位移傳感器和車軸測(cè)量激光位移傳感器同步運(yùn)行和工作。進(jìn)而來保證車輪尺寸測(cè)量系統(tǒng)可以有效的采集到輪對(duì)踏面數(shù)據(jù)和車軸測(cè)量數(shù)據(jù)，最終獲得準(zhǔn)確的輪對(duì)尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)。第二，激光傳感器陣列控制系統(tǒng)還將間接的控制車輪勻速驅(qū)動(dòng)裝置正常工作，來保證車輪勻速、低速運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)來完成輪對(duì)踏面多角度的采集和輪對(duì)踏面全圓周的采集，從而為輪對(duì)踏面磨損算法提供有效的、全面的數(shù)據(jù)支撐。

2.5 系統(tǒng)控制軟件

系統(tǒng)控制軟件主要是分為兩個(gè)部分：一是同步控制采集部分，同步控制采集主要是對(duì)車輪外側(cè)踏面曲線和車輪內(nèi)側(cè)踏面曲線的同步采集控制。二是算法部分。其中算法部分包含輪對(duì)尺寸計(jì)算和輪對(duì)踏面磨損算法。最終將得到輪對(duì)尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)和踏面磨損區(qū)域信息以報(bào)文形式發(fā)送給遠(yuǎn)端上位機(jī)，以方便現(xiàn)場(chǎng)工作人員查看、分析和核對(duì)。此外，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)具有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、歷史數(shù)據(jù)查詢功能、對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)提供報(bào)表、繪制歷史曲線趨勢(shì)圖，并進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示、打印。

2.6 踏面磨損算法

近十幾年來研究人員提出了許多方法用于檢測(cè)與跟蹤序列圖像中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，其中絕大多數(shù)方法都假設(shè)用于獲取序列圖像的攝像機(jī)是靜止的，而大多數(shù)實(shí)際情況也滿足這一假設(shè)。目前常用的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法有：幀差法、背景差法、塊匹配法、光流法和運(yùn)動(dòng)能量法等。甚至有的將一些優(yōu)秀的算法（如小波變換或者遺傳算法等方法）應(yīng)用到檢測(cè)與跟蹤序列圖像中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，但是由于受到計(jì)算機(jī)運(yùn)算和魯棒性方便的影響，性能總是不太理想，若沒有特定的硬件支持一般很難滿足實(shí)時(shí)處理的要求，在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中人們更熱衷于使用幀差法及背景差法來獲得期望的結(jié)果[5]。本文利用了背景差算法的原理，找到當(dāng)前幀數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)之間的差異，然后將所有幀之間的差異性，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析或者聚類分析，最終得到每個(gè)獨(dú)立的磨損區(qū)域，進(jìn)而計(jì)算出磨損區(qū)域的大小信息等。

由上述內(nèi)容可知，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)勻速驅(qū)動(dòng)裝置將車輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，保證其低速、勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，車輪尺寸采集測(cè)量軟件開始采集車輪踏面測(cè)量激光位移傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，在保證一定低速、勻速轉(zhuǎn)動(dòng)速率的情況下，需要采集3500幀數(shù)據(jù)，能夠保證數(shù)據(jù)覆蓋到整個(gè)車輪踏面區(qū)域。并且算法能夠滿足實(shí)時(shí)性要求。踏面磨損算法流程主要分為三個(gè)部分。

第一步：目的是獲得沒有異常數(shù)據(jù)跳動(dòng)的一幀數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)幀。其主要思想是利用二階導(dǎo)數(shù)代表該組數(shù)據(jù)斜率的變化情況。

第二步：差分法。差分法的主要思想是在獲得標(biāo)準(zhǔn)幀以后，將整個(gè)輪對(duì)踏面采集到的3500幀數(shù)據(jù)依次對(duì)標(biāo)準(zhǔn)幀做減法。并且設(shè)定相應(yīng)的所關(guān)心的磨損深度和磨損寬度的閾值。把符合條件的數(shù)據(jù)點(diǎn)篩選出來。

第三步：劃分磨損區(qū)域。主要是利用聚類分析[3]的方法把一個(gè)數(shù)據(jù)集分割成不同的類或者簇，使得同一個(gè)簇內(nèi)的數(shù)據(jù)對(duì)象的相似性盡可能大，同時(shí)不在同一個(gè)簇中數(shù)據(jù)的差異性也盡可能大，達(dá)到同一類的數(shù)據(jù)盡可能聚集到一起，不同數(shù)據(jù)盡量分離[6]，最終得到每一個(gè)小的磨損區(qū)域。算法步驟如下：

①將步驟2得到的數(shù)據(jù)，依據(jù)幀號(hào)的連續(xù)性可以得到在幀方向的分割區(qū)域。

②聚類分析：首先要利用數(shù)據(jù)本身之間的距離來將數(shù)據(jù)集進(jìn)行分割，來得到幀序列方向的磨損區(qū)域。然后對(duì)每一個(gè)幀序列方向的磨損區(qū)域再次以距離作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行二次聚類分析。最終得到若干個(gè)磨損的小區(qū)域依次為area1，area2，area3……

③計(jì)算每個(gè)磨損區(qū)域的深度和寬度以及面積和體積。寬度、面積、體積算法。依次遍歷每個(gè)磨損區(qū)域的數(shù)據(jù)點(diǎn)，找到數(shù)據(jù)點(diǎn)集中最遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)，其距離即為最大磨損寬度。對(duì)每個(gè)磨損區(qū)域中所有數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行遍歷，絕對(duì)值最大的點(diǎn)detaY，即為磨損的深度DeepY。根據(jù)離散數(shù)學(xué)中求導(dǎo)思想獲得磨損區(qū)域面積以及體積。如下所示：

Area=Area+detaX*detaZ

Vol=Vol+deta_Area*Deep（i）（j）

注釋：detaZ=兩幀之間的實(shí)際距離（mm），根據(jù)車輪直徑可以獲知車輪圓周長度，再利用車輪轉(zhuǎn)動(dòng)速率，可以得到兩幀數(shù)據(jù)之間的實(shí)際距離。

3 ?研究結(jié)果與實(shí)現(xiàn)意義

如圖1所示，左側(cè)為在現(xiàn)場(chǎng)制造出來的磨損，右側(cè)為實(shí)際采集數(shù)據(jù)進(jìn)行三維轉(zhuǎn)換后得到的擦傷示意圖?？梢钥吹?，通過連續(xù)采集整個(gè)車輪踏面的數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確獲得車輪踏面磨損的形狀、大小。

經(jīng)過上述計(jì)算得到擦傷的報(bào)文信息如表1，和實(shí)際人工測(cè)量結(jié)果比較接近，誤差精度在：-0.5mm～0.5mm之間。

本文提出了一種基于輪對(duì)踏面擦傷檢測(cè)的新算法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)和最終的三維重構(gòu)圖像可知，基于上述的幀差法進(jìn)行輪對(duì)踏面磨損的定位和計(jì)算能夠準(zhǔn)確的得到踏面磨損信息。

并且算法復(fù)雜度能夠滿足實(shí)時(shí)性要求，能夠準(zhǔn)確的給出磨損區(qū)域的深度、面積、體積等有效信息，因此、能夠有效的輔助現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量人員進(jìn)行輪對(duì)踏面磨損的檢測(cè)并找到相應(yīng)磨損的位置。與此同時(shí)，整個(gè)工況的安裝有別于已有的鐵軌兩側(cè)式的安裝方法，能夠有效的降低安裝難度，經(jīng)過長期測(cè)試，測(cè)量系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確的運(yùn)行。因此，將該系統(tǒng)應(yīng)用到鐵輪貨車車輪磨損狀態(tài)修的監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行故障檢測(cè)，能夠有效的提高維修的效率，保證維修質(zhì)量，對(duì)實(shí)現(xiàn)鐵路貨車車輪磨損的狀態(tài)修檢測(cè)實(shí)現(xiàn)具有一定的推動(dòng)作用和現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙長波，陳雷.鐵路貨車安全監(jiān)測(cè)與應(yīng)用概論[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[2]張渝，王黎.國內(nèi)外車輪踏面損傷檢測(cè)技術(shù)綜述[J].機(jī)車車輛工藝，2002（1）：1-4.

[3]聚類分析及其應(yīng)用研究[D].電子科技大學(xué)，2010.

[4]楊凱.車輪踏面擦傷檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D].西南交通大學(xué)，2005.

[5]陳瑋，薛琴，魏勝利，等.差影算法在輪對(duì)踏面磨耗檢測(cè)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2007，26（6）：74-76.

[6]敬人可，李建增，周海林.聚類分析在缺陷分類中的應(yīng)用[J].國外電子測(cè)量技術(shù)，2012，31（10）：55-58.

[7]朱萬彬.激光位移傳感器在物體表面形狀測(cè)量中的應(yīng)用[J].光機(jī)電信息，2010，27（10）.

[8]高向東，徐曉東，高宇，等.基于激光傳感的輪對(duì)踏面擦傷及剝離檢測(cè)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39（9）：139-141.

作者簡介：劉瑞軍（1987-），男，陜西榆林人，本科，工程師，研究方向?yàn)檐囕v工程。