基于Labview的机车轮对检测数据分析.pdf

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1、武汉理工大学 硕士学位论文 基于Labview的机车轮对检测数据分析 姓名：肖玲 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术与仪器 指导教师：余先涛 20091101 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 我国铁路不断快速的发展使得机车的行驶速度随之也不断的加快，在给人们 的生活带来方便之余也产生一些问题，比如机车的运行安全问题变得更加突出。 众所周知，在世界各国经济的发展进程中，铁路运输起着举足轻重的作用。因此， 作为机车重要部件的轮对在铁路安全运输中的地位就显得很重要了。对轮对的一 些重要尺寸参数进行检测是保障行车安全的一项非常重要的措施，因为轮对的好 坏状况直接关系到了机车的运行质量，进而影响到机

2、车运行的安全。轮对的检测 方法在传统上还是依靠人工进行的，其检测效率低下，出错的几率也很高。到目 前为止，对火车轮对外形尺寸的全自动非接触测量还没有实行普遍的推广。 论文对国内外对相关的轮对参数检测方法进行了论述，并介绍了相应的图像 或数据处理方法。在分析比较各种检测方法优劣的基础上，提出了基于激光传感 器的轮对形貌非接触检测方法，并且实现了利用L a b v i e w 软件对机车轮对数据 分析和轮对形貌的重构。 激光传感器采集的信号经过放大、A D 转换等等处理后将其存储在U 盘里面。 但是采集的数据要经过适当的处理才能用L a b v i e w 软件分析。将采集的数据进行 滤波、去噪以

3、及插值处理后既是有用的数据。最后利用L a b v i e w 软件实现轮对形 貌的重构。 我们在现场检测轮对，检测到轮对轮缘高度、轮缘厚度、踏面磨耗等等参数， 验证了该检测装置的精确性。 该轮对检测装置是我们和襄樊北机务段共同成功研制的，各项检测指标均达 到土0 I m m 以内。 关键词：轮对、机车、踏面磨耗、L a b v i e w 数据分析 武汉理工大学硕士学位论文 A b s t r a c t W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fC h i n e s er a il w a y ，l o c o m o t i v es p

4、 e e d c o n t i n u e st oa c c e l c r a t ea n dl o c o m o t i v er u n n i n gs e c u r i t yp r o b l e m sh a v e b e c o m em o r ep r o m i n e n t T h er a il w a yr o a ds y s t e mh a sb e e c hp l a y i n gav e r y i m p o r t a n to fm a n yc o u n t r i e s e c o n o m yf o rm a n yy

5、e a r s W h e e l s e t s ，w h i c hi s e s s e n t i a la n di m p o r t a n tp a r to ft h et r a i n ，p l a y sad o m i n a t er o l ei nt h e s a f e t yo fr a i l w a y s y s t e m W h e e l s e t s c o n d i t i o ni sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h e r u n n i n go ft h eq u a l i t ya n d

6、s a f e t yo fl o c o m o t i v e T e s t i n gi t sp a r a m e t e r o fs iz eisisa ni m p o r t a n tm e a s u r et oe n s u r er o a ds a f e t y T r a d i tio n a l w h e e l s e t s t e s t i n gm e t h o dw h i c hi Sr e a l i z e db ym a nh a sb a de f f i c i e n c ya n d p r e c i s i o n ，

7、a n dt h ea u t o m a t i cn o n t o u c h e dm e t h o di sn o ta v a i l a b l ew i d e l y i no u rc o u n t r y I nt h et h e m e s ，v a r i o u st e s t i n gt e c h n i q u e sr e l a t i n gt ot h ep a r a m e t e r s o fw h e e l s e t sh a v e b e e nd i s u s s e da n d t h ec o r r e s p

8、o n d i n gi m a g eo rd a t a p r o c e s s i n gm e t h o d sa l s oh a v eb e e ni n t r o d u c e d O nt h eb a s i so fc o n t r a r y a n da n a l y s i so ft h e s et e s t i n gt e c h n i q u e s ，an e wd e t e c t i n gm e t h o di s b r o u g h tf o r w a r d T h em e t h o di sak i n do

9、fn o n c o n t a c td e t e c t i o nw h i c hi s b a s e do nl a s e r An e ww a yo fd a t ap r o c e s s i n gh a sb e e ni n t r o d u c e d T h a tis u s i n gL a b V I E Ws o f t w a r et og e tt h em o r p h o l o g yo ft h ew h e e l s e t s A f t e rt h ep r o c e s s i n go fb e i n ga m p

10、li f i e da n dA Dc o n v e r s i o n ，t h es i n g a l s c o l l e c t e db yl a s e rs e n s o rw i l l b ep u ti nt h eUd i s k H o w e v e r ，t h e c o l l e c t e dd a t ah a v et ob ed i s p o s e d s u i t a b l yb e f o r eb e i n ga n l y s i s e db y L a b v i e ws o f t w a r e A f t e rf

11、 i l t e r i n g ，d e n o i s i n g ，a n di n t e r p o l a t i n g ，t h ed a t a i Su s e f u l W eg e tt h ed a t ao ft h ew h e e lf l a n g eh e i g h t ，f l a n g et h i c k n e s s ，t r e a d w e a ra n dS Oo nb yd e t e c ti n gt h ew h e e lo ns i t e T h ee x p e r i m e n tv e r if yt h e

12、a c c u r a c yo ft h ed e t e c t i o nd e v i c e s T h e 1 0 c o m o t i r ew h e e l s e t sd y n a m i c t e s t i n gd e v i c e h a sb e e n s u c c e s s f u ll yd e v e l o p e db yU Sa n dt h el o c o m o t i v ed e p o tn o r t ho fX i a n g f a n T h ea c c u r a c yi Sw i t h i n 0 1 m

13、m K e yw o r d s ：w h e e e l s e t s ，1 0 c o m o t i v e ，t r e a dw e a r ，d a t aa n a l y s i s 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：螽硷日期：丝拿：i 三：1 1 关于论文使用授权的说明 本

14、人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 卤殓导师签名：坌塾! 垒日期：型翌：! 兰：1 2 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 铁路运输的快速发展以及提速战略的进一步实施使得对机车的运行速度也 越来越高，那么对机车走行部安全的要求也越来越高，一旦其出现任何问题都会 影响到机车运行的安全。因而机车走行部件的状况好坏非常的重要，我们只有及 时客观地发现机车

15、车轮在运行过程中存在的一些安全问题，并且准确地把握其使 用状态的变化趋势，施行一些切实有效的措施，加强防范走行部的安全，从而保 证机车运行的质量。 影响机车行驶安全的一个重要因素是轮对踏面轮廓的状况。是否能准确的检 测踏面轮廓对其安全性影响很大，所以对机车轮对踏面轮廓尺寸的测量是轮对检 测的一项很重要的内容。如前所述，传统上的轮对检测方法主要是依赖于人工检 测，首先用检查器检测轮对，将检测的结果用粉笔标在轮对上，然后抄录在卡片 上，最后由人工录入微机乜1 。显而易见，采用这种方法来检测轮对，其检测效率 低下，而且检测精度也低，在管理检测数据的时候也很麻烦，很容易出错。随着 人们对火车提速的期望

16、越来越高，机车的速度也不断的提升，这样加快了机车轮 对的日益磨损，检测的周期不断缩短，人工检测越来越不能满足需求，在这种情 况下，对检测装置的自动化程度要求也更迫切，因而，各种各样的轮对踏面自动 检测仪就应运而生。在这些自动化检测装置中，固定式检测仪在检测轮对的时候， 必须是在机车经过某一个固定地点的时候才能够进行检测拈1 ，这种检测就有其局 限性，尤其是在检测不落轮时，不检测不落轮需要在任意时候任意地点进行检测。 因此，研究一种高精度高可靠性的轮对踏面检测仪具有很大的现实意义和实用价 值。 在踏面轮廓尺寸的检测当中，必须及时、准确地检测踏面擦伤和剥离，这是 影响踏面轮廓的两个很重要的因素。在

17、机车行驶到转弯的时候，由于刹车以及轮 对与钢轨面之间的相对滑动等等因素会造成机车轮对踏面擦伤，使得机车在运行 过程中收到额外的冲击振动，对机车的提速以及机车与轨道设施的安全造成了重 大的影响H 1 。综上所述，必须及时准确的检测出机车轮对踏面的擦伤情况。但是 每个轮对在运行的过程当中，其擦伤的行状、大小以及深度都在很大程度上有差 别，要找到它们的规律很难，特别是踏面擦伤的一个关键数据一最大深度哺1 ，一 直以来都是铁路行业当中所要解决的一个测量难题。目前，主要有在线和离线这 两种方法来检测踏面的擦伤。其中，前一种检测方法的自动化程度以及检测的效 率要高些，但是在检测的过程当中，机车是处在运行的

18、状态，这样机车的运行速 武汉理工大学硕士学位论文 度越快，轮对受到的震荡也越大，因此其检测精度和可靠性相对也较低。相反， 后一种检测方法在检测的过程中，是把轮对与机车分离的，这种检测方法不但检 测较方便，而且检测精度也高，目前应用的较多的就是这种方法。其中，接触式 检测法和非接触式检测法是离线检测的两种主要检测方法。在早期的时候采用的 是接触式检测，这种检测方法的自动化程度较低。接触式检测法主要是利用光栅 位移传感器和电感位移传感器等等进行检测哺1 。相比较而言，非接触式测量具有 检测精度高以及检测灵活等等优点。 在国外一些发达的国家，对于轮对踏面擦伤的自动检测研究已经取得了显著 的成果。比如

19、，在2 0 世纪9 0 年代初的时候，芬兰铁路就已经成功地研制出了机 车轮对轮廓检测仪，该检测装置可以检测包括擦伤在内的一些轮对外形尺寸。装 置利用永磁铁吸附在车轮上面，而且磁铁可以在踏面上移动，踏面数据的采集就 利用带有直线形滑杆的接触式传感器负责口1 。同时，日本铁路也成功的研制了轮 对自动检测装置，该装置可以同时检测轮对轮廓的参数，测量误差要小于O 2 m m 。该装置包括2 个平行光源和2 台C C D 摄像机等设备阳1 。俄罗斯联邦铁路研制 出的自动检测轮对参数的装置是采用超声遥测的非接触检测方法检测。检测的时 候，当机车的行驶速度小于或等于5k m h 时，可以检测到轮对的一些基本

20、参数， 比如轮对直径、轮缘厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等旧1 。美国的A n d e r s o nDR 提 出了激光干涉测量法，该方法通过轮对踏面擦伤引起的振动所产生的激光干涉条 纹来实现轮对踏面擦伤的检测n 引。 我们国内的轮对踏面擦伤检测技术较之发达国家还比较落后，主要是靠人工 来检测。但是近几年来，很多专家学者在机车轮对检测方面做了很多的工作。比 如说西南交通大学开发出铁路货车踏面擦伤检测系统，该系统通过在轨道上安装 两个压电加速度传感器，采集车轮的有效振动波形数据，然后估算出踏面擦伤深 度n 。还有杭州电子科技大学提出了轮对踏面磨耗的一种非接触光电检测方法， 该方法用激光线光源和C C

21、D 探测器获得轮缘厚度和高度两个反映踏面磨耗的关 键参数他 。 1 2 国内外研究现状分析及存在的问题 如前所述，国外从8 0 年代初就已经开始研究轮对轮廓尺寸的自动化检测方 法，在历经2 0 多年的深入研究过程中，已经提出了多种检测方案，开发出了适 应不同场合中静态动态在线轮对自动检测产品n 引。 在我国，对于轮对轮廓尺寸的自动检测方法的研究开始的比较晚，从9 0 年 代底才开始进行研制。虽然我国也开发了不同形式的多种检测产品，但是由于当 应用到现场时出现的稳定性、可靠性特别是检测精度以及检测效率等等诸多问题 2 武汉理工大学硕士学位论文 使得能真正应用到检测现场的成熟产品非常少，因此，严重

22、的限制了检测产品的 进一步推广n 4 。 机车轮对检测技术已经发展到了相当高的程度，经历了从接触式检测到利用 光学图像、超声波、涡流、激光等技术的非接触性测量，从人工测量，便携式静 态测量到动态在线检测。国外研究的检测方法受到机车检修部门广泛的青睐，因 为不但检测速度快，而且检测精度高，更使用图像检测方法，该方法检测起来很 方便。但是国外研究的检测设备也存在着一些缺点，比如说设备的造价太高，检 测的参数也和我国存在较多的差异5 1 。国外机车车轮几何参数的检测也处在不断 发展改进的过程中，许多检测方案有待进一步完善。利用光电检测技术的优势， 开发出测量精度高、自动化程度高的落轮自动检测设备成为

23、改变我国机车车轮落 后检测现状，保证火车安全运行的迫切需要。许多机车段和研究所也在积极合作 研发n 引。率先开发出设备占领市场，形成可靠、稳定的产品而后大量推向全国各 机车段、车务段，以较好的性价比推向国际市场。这样不仅可以极大地提升火车 运行的安全性，也必将创造可观的经济效益和社会效益n 7 1 。 到目前为止，我国传统的轮对检测仍然采用定期检修的方法，这样既不能及 时发现轮对的缺陷，又造成了不必要的维修浪费。当前，开行高速机车的发达国家 已经全部采用全自动轮对在线检测系统，对高速行驶中的机车轮对进行跟踪检查， 并及时预报可能发生的问题H 引。 ( 1 ) 国内外研究现状分析 轮对的数据处理

24、方法的选择一般要根据所采取的轮对检测方法。不同的检测 方法采取不同的数据或图像处理方法。目前国内外轮对的数据处理方法主要有以 下几种： 1 利用小波变换分析法u 钉 当车轮踏面产生擦伤时，会在钢轨上产生振动信号。通过在钢轨上安装加速 度传感器可以准确测量擦伤车轮通过检测区时所产生的冲击大小，由于由传感器 所收集到的信号中含有正常行驶的其它车轮的信号，如果不把它们去除，做能量 判别时将会产生很大的误差乜们。通常分析信号的方法常常采用传统的付里叶变换 的方法，对信号进行频谱变换，或求信号的功率谱，该方法对于随机平稳信号效果 是很好，但对于车轮产生的非平稳随机信号却很不适合，因为频谱变换仅仅能够 反

25、应频域的局部性位。上世纪八十年代后期发展起来的小波变换信号时间一尺度 分析( 时间一频率分析) 法，它具有多分辨率分析的数学显微镜的特点瞳引。它既能 够获得信号的细节又能够获得信号的趋势，对非平稳信号的分析具有很好的效 果，运用小波可以把不同频率信号分开的特点可以很好地解决这个问题瞳3 。 2 利用M A T L A B 重构轮对踏面幢叫 武汉理工大学硕士学位论文 如前面所说的当前国内对轮对踏面的测量主要还是由手工完成的，其检测精 度并不高。为了改变轮对测量的落后状况，广东工业大学罗克韦尔自动化实验室 成功地研制出了一套铁路货车轮对测量装置，实现了轮对参数的自动测量，该装 置利用M A T L

26、 A B 语言的仿真和图像处理功能以及M A T L A B 与V C + + ( 主程序设计语 言) 的接口技术，在V C + + 的界面上显示出仿真和图像处理效果晗引。 3 利用图像处理技术检测轮对磨耗值 该检测方法采用基于C C D 摄像头的采集系统，对轮对图像在计算机上进行识 别、边缘提取等等手段，最终通过误差标定来获得轮到参数测量值。这种方法可 以使轮对参数的测量精度达到0 1 m m 啪1 。 ( 2 ) 存在的问题 国外的轮对检测系统检测参数不多，功能也比较简单，检测要求的标准也不 高。国内部分研究单位采用C C D 成像技术来测量，对参数的检测方法不符合铁道 部规程，数据的重复

27、误差也大，影响测试尺寸。因此采用合理的检测方法和轮对分 析方法是解决轮对检测问题的关键乜引。 1 3 机车轮对的检修规程 根据中华人民共和国铁道部的铁路机车轮对和滚动轴承组装及检修规则， 对轮对部分的检修规程如下所述： 1 、必须检查轮对各部位的外观，并测量各部分的尺寸，然后按照规定建立轮对 卡片，确定轮对需要施修的范围；( 规则5 1 1 ) 2 、当车轮轮缘厚度小于规定限度者就必须更换车轮；( 规则5 5 1 ) 3 、对于经漩修也无法消除的机车轮对踏面以及轮缘裂纹、缺损、剥离经者必须 对其进行更换；( 规则5 5 2 ) 4 、车轮轮缘厚度磨耗超过规定或者轮缘垂直磨耗、缺损、裂纹者要加工

28、处理；( 规 则5 6 2 ) 5 、必须按磨耗型( L M 型) 踏面的外形对轮对踏面以及轮缘进行加工及检测，而且 必须按不同的修程要求采用数控或仿形的方式对车轮踏面以及轮缘进行加工； ( 规则5 8 1 1 ) 6 、新组装或者经过重新组装的轮对，其轮对踏面及轮缘必须符合原型；检修轮 对的车轮踏面磨耗深度以及轮缘厚度必须符合厂、段修及以上的限度。轮对踏面 以及轮缘段修时其轮缘厚度可恢复到厂、段修及以上限度，但是轮缘高度必须恢 复到2 7 士l m m “钉；( 规则5 8 1 2 ) 车轮踏面的检查体系如表1 1 所示。 4 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1 车轮踏面的检查体系 检查类型

29、 车轮踏面的 检查 修程检查概要 主要检查项目 名称 对运行中的机车进行主要部分( 特别 确认踏面形状和 日常检查检查，发现什么故障就进是踏面磨耗) 的状 主要的尺寸 行修理，随机性强态和功能状态 定期进行检查、维修和主要状态检查 确认踏面形状和 轮换检查维护，一般在3 0 天或3 万( 走形部、功能 尺寸 K m 以内部) 和功能检查 对机车轮对的检查主要有日常检查和轮换检查两种，其中前一种检查方法是 检测正在运行中的机车，发现哪个部位出现故障就修理哪部分，而且每次修理的 范围和作业都具有随机性，该检查方法颇受各国的重视，因为日常检查具有较高 的维修有效性，维修的工作量也不大，即节约检测成本

30、，又能准确及时地掌握机 车运行的状况伽1 。 1 4 本论文的研究内容和方法 1 4 1 本论文的研究内容 论文研究目标：设计研究一套可靠性强、准确性高、静态检测的轮对踏面形 貌尺寸检测系统。 论文的主要工作如下： ( 1 ) 简单介绍了轮对几何参数的基础知识，对检测的参数进行了分析，明确了检 测任务和要求，为检测方案的制定，方案的实施奠定了的基础； ( 2 ) 到襄樊北机务段实地考察，深入了解待检轮对的状况以及检测现场的状况， 为以后检测方案满足现场检测需求创造了必要的条件： ( 3 ) 了解国内外车辆轮对几何参数检测的发展水平，从工程化的角度分析各种检 测方案实现的可行性，从而使得检测方案

31、的制定具备了较高的起点，规避了在实 际检测现场难以实现的方案： ( 4 ) 设计了机车轮对检测方案，包括整个系统的组成以及检测原理。并在此基础 上利用L A B V I E W 软件实现机车轮对几何形貌的重构。 ( 5 ) 分析轮对轮廓曲线，得出轮对的一些参数。将所测得的轮对曲线与标准曲线 对比，即可得出踏面擦伤和剥离程度。 ( 6 ) 对各种可能的误差源进行分析。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 拟采取的研究方法、技术路线： 具体研究方法和技术路线主要分以下几个方面： ( 1 ) 设计轮对形貌的检测系统。 ( 2 ) 根据检测方法选取适当的数据处理方法。 ( 3 ) 对采集到的踏面数据

32、进行预处理，预处理主要包括：滤波、去噪以及插 值。 ( 4 ) 利用L a b V I E W 软件重构轮对的轮廓，即画出轮对几何形貌的二维曲线。 1 5 本章小结 本章主要介绍了机车轮对国内外研究现状分析及存在的问题，并简单介绍 了机车轮对的检修规程。最后对论文中拟采取的研究方法、技术路线做了介绍， 为后面的论述打下基础。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第二章机车轮对几何参数的定义 2 1 概述 轮对是铁路机车重要的可互抉的部件。轮对是直接与钢轨接触的部分， 承载着火车头的全部重量，机车与钢轨之间的牵引力，刹车制动力也是通过 轮对来传递的。另外，机车在运行的过程当中，轮对还刚性地承受着来自钢

33、 轨接头。岔道_ 及线路不平顺的全部水平方向和垂直方向的作用力m 1 。 由于在恶劣的工作条件下长时问的与铁轨摩擦以及急刹车、振动等等原 因，使得轮对踏面会受到不同程度的损伤，如出现擦伤或剥离。严重地影响了 列车与轨道设施的安全和使用寿命，甚至影响到行车的安全因此当踏面擦伤 深度以及剥离长度超过限定值时必须将其作为轮对放障而报警，必要时指出 其数量和准确位置。同时这些几何参数还是作为研究铁路机车动力学、机车 稳定性和曲线导向等问题的前提，过去由人工测量和判断是否需要旋修，由于 不能准确地对其进行测量，常常会倾向于保守的估计，如果判断错误而造成不 必要的旋修，车轮直径减少1 册就相当于减少1 0

34、 万k m 的行程寿命。”。因此， 轮对几何参数的正确检测十分重要。 图2 1 所示是一些常见的轮对踏面磨耗舶现象。 1 2 掣黪一 幽 弘? j l 嘲 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 轮对踏面磨耗现象 2 2 机车轮对( I o c o m o t i v ew h e e I s e t ) 机车轮对是机车走行部中最重要的部件之一，由车轴、轮心及轮箍组成。其 剖面图见图2 2 ，机车轮对的外观图如图2 3 所示。从外观看。铁路机车轮对是由 两个车轮压装在一根车轴上组成的整体阻。机车全部重量通过轴颈、轮对支承在 钢轨上，轮对滚动使机车前进。牵引电动机驱动轮对回转时，车轮与钢轨的黏着 产

35、生牵引力，制动时轮轨间产生制动力。当车轮行经钢轨接头、道箭等线路不平 顺时，轮对直接承受来自钢轨的全部垂向和侧向冲击力。因此轮对承受很大的静 载荷和动载荷1 。 图2 2 机车轮对剖面图 l 一从动齿轮；2 长毅轮心：3 一车轴；4 短毂轮心；昏一轮箍；6 一螺堵。 车轴压装在轮心内，轮箍热套在轮心上，这些都会引起轮箍、轮心和车轴的组装 应力。闸瓦制动时因摩擦发热，轮箍和轮心还产生热应力。因此轮对的应力情 况复杂，应具有足够的强度。另外，轮对属于簧下部分，为了减轻对线路的动力 武汉理工大学硕士学位论文 过渡，而且圆弧半径要尽可能大些；车轴表面粗糙度必须得到保证，车轴各配合 部分均须进行磨光或滚

36、压。 2 3 轮对几何尺寸 轮对在铁路机车行走中起着至关重要的作用，因此必须定期地对其进行 段修。在段修时对其尺寸参数以及表面缺陷进行检测是保障行车安全的一项 重要措施，检测参数主要包括几何尺寸参数和踏面缺陷两个部分。主要几何 尺寸参数主要有轮缘厚度、轮缘高度、车轮直径、轮对内侧距、轮辋厚度以 及轮辋宽度等；踏面缺陷包括踏面擦伤和踏面剥离、车轮直径和踏面径向剥离 长度等，这些都是直接影响机车运行的重要参数，必须对其进行及时、准确地检 测。本文研究机车轮对的几个相关的重要参数，即轮缘高度、轮缘厚度、踏面磨 耗、车轮直径以及踏面径向剥离长度啪，。 图2 3 是车轮的截面示意图，车轮滚压在钢轨上的接

37、触部分称为踏面( 即图 中最上面的一段弧面) 。车轮踏面内侧有一沿圆周突起的凸缘称为轮缘，距轮缘内 侧面7 0 m m 处踏面上的一点称为基点( 轮缘内侧面为非磨耗面) ，距基点1 2 m m 高度 图2 3 车轮截面示意图 处的一条水平线称为轮缘厚度测定线。显然，磨耗增加，轮缘厚度随之减小、轮缘 高度增加，磨耗严重时，轮缘与轮缘厚度测定线的夹角e 很可能接近直角，垂直磨 耗即为轮缘中。超过一定角度( 如8 5 。) 部分的轮缘长度m 1 。 。将车轮的右轮放大如图2 4 所示。 l O 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 机车轮对右轮几何参数示意图 需要检测的机车轮对重要的几何尺寸包括以下几

38、个： 轮缘高度S 。：基点与轮缘顶点之间的高度差； 轮缘厚度S 。：距基点1 2 r a m 高度处轮缘的厚度。轮缘的厚度与走行稳定性关系 很大，厚度越大，轮缘游隙越小，那么对轨道的方向不平顺反应越敏感；轮缘游 问越大，就越容易使轮对产生过大的横向震动，影响走行的稳定性； - 车轮直径D ：指在离轮对内端面7 0 r a m 处的车轮截面直径。 2 4 机车轮对几何参数检测技术指标 2 4 1系统设计的要求 该测量系统用于机务段对轮对的检修。设计技术的要求如下： ( 1 ) 测量参数按照铁路机车轮对和滚动轴承组装及检修的规则车统一5 l C 的要求； ( 2 ) 测量参数的精度要求优于目前的人

39、工检测； ( 3 ) 测量方式为非接触式自动测量； ( 4 ) 测量节奏 3m i n 个； ( 5 ) 测量结果为计算机屏幕显示，按车统一5 1 C 的规范打印； ( 6 ) 检测车问的温度在一2 0 4 0 之间； ( 7 ) 现场使用的要求可靠性高、抗干扰能力强、能适应现场恶劣的环境，满足 全线流水生产节奏。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 检测技术指标 轮缘高度、轮缘厚度及踏面磨耗精度达到0 I m m ，车轮直径精度达到 0 5 m m ，踏面径向剥离精度达到0 5 m m ； - 装置重量 4 K g ； 供电方式：蓄电池和外部交流供电两种方式并用； 检测时间： 3 m i

40、n 轮。 2 5 踏面磨耗 所谓路面磨耗，指的是在轮对运用后踏面上距轮辋内侧面7 0 m m 处与标准踏 面之间的垂直距离差。车轮踏面的磨损，将使车轮外形尺寸改变，这直接影响 了列车的稳定性和乘车的舒适性。车轮的磨耗量必须低于一定的限度，否则会 引起重大的事故。所以，在衡量轮对技术状态中的一个重要指标就是车轮的外 形尺寸。 踏面磨耗包括两方面的内容，即擦伤和剥离。这也是铁路机车轮对的两个重 要参数，因此，路面磨耗需要及时、准确的去检查、测量。踏面的擦伤与剥离是 不规则的表面缺陷，通常位于踏面基点两侧大概8 0 m m 的范围内。机车段修时如 果缺陷擦伤深度超过0 5 m m 时即可判定为过限；

41、对于剥离，要测量剥离的长度， 也就是沿车轮圆周方向剥离部分最长处的尺寸H 。 由于刹车、轮对与钢轨间隙的冲撞以及轮对与钢轨面在转弯时的相对滑动等 等因素造成的踏面擦伤或者剥离，给机车的运行带来额外的冲击振动，严重的影 响了列车与轨道设施的安全和使用寿命。因此，当踏面擦伤深度及剥离长度超过 限定值时就必须作为轮对故障而报警，并指出其数量和准确位置。如图2 5 所示 是踏面磨耗的情形。 图2 5 轮对踏面磨耗 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 1 踏面剥离形成原因 踏面的剥离是由于踏面的表面会属成片状的剥落，形成小凹坑。根据踏面剥 离产生的原因，可将其分为两种类型，即疲劳型剥离和热剥离。疲

42、劳剥离是疲劳 裂纹随着车轮的转动向踏面内部扩展，在踏面表面附近形成与踏面平行的舌状部 分，该部分由于受到较强的冷作辗压而产生了塑性变形，使之变硬并且延伸，呈 薄片状脱落。热剥离也称为制动型剥离，它是由踏面热裂纹而引起的。踏面上产 生裂纹( 热裂纹) 之后，将会沿着与踏面近似成直角方向向轮周扩展或在稍微深 入踏面后沿着与踏面近似平行的方向扩展。扩展的结果就是使相邻裂纹连结在一 起从表面层剥离，形成片状剥离H 射。 踏面剥离程度的度量是沿轮对踏面圆周方向进行测量的。 列检测量时规定如下： 1 ) 两端宽度小于l O m m 的不用计算在内。 2 ) 长条状剥离其宽处小于2 0 r a m 者可以不

43、计算。 3 ) 两块剥离处边缘相距小于7 5 r a m 时，每处长度不大于3 5 r a m ：多处剥离长度 小于3 5 r a m 的剥离，其连续剥离总长度不大于3 5 0 r a m 。 钔剥离前期未脱落部分可以不计算在内。 2 5 2 踏面擦伤形成的原因 踏面擦伤是由于车轮在轨道面上滑行，而把圆形踏面磨成一块或者数块平面 的现象。它多数是由于制动力过大或者缓解不良等等原因造成的。发生了擦伤的 车轮由于不能够圆滑地旋转，所以还会进一步引起滑行。 图2 6 为可能出现的几种轮对轮径截面示意图。有标准的、有擦伤的、有剥 离的。 标准轮 2 6 轮缘的磨损 擦伤轮剥离轮 2 6 几种轮对轮径截

44、面示意图 在正常的工作条件下，轮缘的磨损并不是很严重。轮缘只在机车通过曲线和 武汉理工大学硕士学位论文 道岔的时侯，才会因为承受水平力的作用，与外轨内侧面摩擦而产生了磨损。在 直线区段，轮对蛇行的前进，轮缘磨损并不是很大。如果轮对踏面磨损严重或转 向架组装的不J 下，就会使轮对与钢轨之间的相对位置不正常，则轮对易偏于线路 的一侧，从而使轮缘生产偏磨。 轮缘磨损有以下三种形式：即轮缘厚度减小、轮缘顶部形成锋芒以及轮缘垂 直磨损。轮缘磨损过甚时，会产生如下几种不良后果： ( 1 ) 轮缘厚度磨损变薄后，强度下降。当轮对通过曲线或者作蛇行运动时， 轮缘在来自钢轨水力的作用下，会导致崩裂缺损，甚至还会

45、造成行车事故“3 1 。同 时，车轮与钢轨的安全搭载量是根据轨距和车轮内侧距以及轮缘厚度等等因素而 定的，如果轮对的- - 倾, J 车轮轮缘磨损过薄，那么就会影响到一侧车轮与钢轨的安 全搭载量。因此，根据实际运用经验，规定轮缘厚度的最小限度为1 5 r a m 。 ( 2 ) 轮缘形成锋芒后，在轮对通过道岔时，就可能挤开尖轨而造成脱轨事故， 所以轮缘磨损成芒时，必须更换轮对。 图2 7 轮缘磨耗踏面未磨耗的情形 ( 3 ) 轮缘垂直磨损超过限度时，其轮缘根部与钢轨内侧面形成了平面接触，当 车轮通过道岔时，由于轮缘与钢轨接触处没有弧形，就会使车轮碰击尖轨或爬上 辙叉心，同样也会造成脱轨事故H

46、制。因此，轮缘垂直磨损过限的轮对也不许继续 运用。 实际上，踏面磨耗和轮缘磨耗有的时侯可能同时存在，如图2 8 所示是轮缘 和踏面磨耗同时存在的情形。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 7 检测方法 图2 8 轮缘和踏面磨耗情形 我们已经知道，轮对检测方法经历了从早期的手工检测到现在的自动化检测 的过程，在这个发展过程当中，有对轮对的静态检测和动态检测，有对落轮的检 测，也有对非落轮的检测。那么在本论文中所开发的设备是对机车轮对的落轮进 行静态检测。轮对也有机车轮对、车辆轮对和列车轮对之分。下面对这些名称做 以下的介绍。 2 7 1 轮对的检测方法 静态检测：静态检测又可称为落轮检测，这种

47、检测方法就是将轮对从火车上 卸下来，然后再检测轮对。如图2 9 所示就是已经从火车上卸下来并等待检修的 轮对。目前我国国内研制出的检测设备的型号已经有六、七家之多“5 1 ，这些设备 主要是由各科研院所、高校以及公司联合研制的。其中包括电磁式涡流测量、激 光测量、C C D 图像采集处理以及便携式接触测量等等。在国外，有些国家都已经 有类似的成熟产品，但其检测设备的造价太高，而且我国轮对检测参数的情况与 国外还存在较大的差异，因此，我们国家基本上对此设备立足于国产化。 动态检测：动态检测又可称为不落轮检测，该检测方法与上述检测方法相反， 它检测正在运行中的火车轮对，此时不需要将轮对与车体分离。

48、当火车行驶时通 过检测区域的时候，就可以对轮对进行检测，如图2 1 0 所示为动态检测。与镜 头检测相比，动态检测在检测过程当中的轮对周转时间减少了，能够及时的了解 轮对运行情况，对超过磨耗限的轮对进行及时镬修或着报废【4 6 。国内外机车检 测部门对不落轮对的检测非常重视，国外发达国家已经有了相关产品的报道，但 是这些设备价格相当的昂贵，目前国内还没有引进该设备。目前，国内一些科研 院所也开始在进行该领域的前期相关研究，并且取得了一定的进展，但是离真正 实现该设备的产品化还有相当长的路要走。 武汉理工大学硕士学位论文 本论文中所采用的检测方法为静态检测，静态检测就是指落轮检测。 图2 9 静

49、态检测时的轮对 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 0 动态检测时的轮对 2 7 2 机车轮对、车辆轮对、列车轮对 在铁路运输中，不仅有机车轮对，还有车辆以及列车轮对。铁路系统有关参 考文献资料对机车轮对、列车轮对和车辆轮对的解释如下： 机车轮对：指承载火车头的轮对； 列车轮对：指承载客车的轮对； 车辆轮对：指承载货车的轮对； 一般的话，用一套检测装置是很难同时检测以上三种轮对的，因为它们各参 数的标准、外形尺寸的大小范围甚至整体的部件结构都不同。本论文研究的轮对 的检测方法是针对前一种轮对的检测装置，即针对机车轮对( 承载火车头的轮对) 的检测。相比较而言，机车轮对的外形结构简单、外圆大小以致性好、轮轴两端 轴承中心同轴度。我们的测量方案是利用激光测距传感器采集轮对踏面的数据， 然后利用L A B V I E W 软件实现轮对踏面的几何重构，从轮对的轮廓就可以得出轮对 的一些基本参数：轮缘高度、轮缘宽度、车轮直径。最后将重构的轮对踏面图像 与标准轮对图像对比就可以