（测试计量技术及仪器专业论文）便携式火车轮磨损检测仪.pdf

便携式火车轮磨损检测仪 摘要 车轮作为机车车辆的重要部件，踏面的擦伤是影响运行安全性、平稳性的 重要因素，所以车轮踏面故障的测量是铁路部门一直密切关注和不断研究改进 的课题。显然，对于不便拆卸与人工移动的铁道车轮，其测量工具主要还是便 携式仪器。本论文通过对轮对相关知识的了解及国内外轮对静态、动态检测技 术的深入了解，开发了一种新型的便携式踏面磨损检测装置，利用l v d t 位移传 感器测量参考点与踏面和轮缘之间的距离，并将与之相对应的电压值输出，再 通过相关的公式计算，得到对应的磨损值，这样可以方便及时的了解车轮的擦 伤状况。 本测量系统主要由接触式位移传感器、数据采集处理系统以及与计算机的 数据通讯系统三部分组成。其中位移传感器选用的是l v d t 位移传感器，该传 感器线性好、重复性好，且能在较为恶劣的环境中工作。在实际检测过程中采 用传感器水平和垂直安装方式检测水平位移量和垂直位移量，该数据经过调理 电路送入系统芯片a d u c 8 1 2 进行数据处理，然后将处理结果显示并存储，最 终通过u s b 传输到p c 机上。 实验表明：运用便携式火车轮磨损检测仪可以很方便、快捷的检测出踏面 和轮缘的磨损量，实验表明精度能够满足铁道部相关规定的标准。 关键词：火车轮、踏面磨损、测量、便携式 p o r t a b l ew h e e l i r r e g u l a r i t i e sd e t e c t i o nd e v i c e a b s t r a c t t h ep r o b l e mt h a th o wt om e a s u r et h ef a u l to ft h et r e a dp r o f i l ei sc o n c e r n e da l l a l o n ga n dp e r p e t u a ls t u d i e da n di m p r o v e d t h a ti sb e c a u s et h ei r r e g u l a r i t i e so f t r e a dp r o f i l ea r et h ek e yf a c t o ro fi n f l u e n c i n gt h es a f e t y ，s t a b i l i z a t i o n o b v i o u s l y ，t h e b e s tm e a s u r i n ge q u i p m e n ti sp o r t a b l ei n s t r u m e n tb e c a u s et h et r a i nw h e e li sh a r dt o m o v eo rt e a r d o w n f i r s t l y , w h e e l s e tk n o w l e d g er e l a t e d t ot h er e s e a r c hw a s i n t r o d u c e d a f t e rad e e ps t u d yo fv a r i o u si n s p e c t i o nt e c h n i q u e s ，ie m p o l d e ran e w o n - l i n em e a s u r e m e n te q u i p m e n to ft r e a di r r e g u l a r i t i e s i tm a k e su s eo fl v d t m o v e m e n ts e n s o rw h i c hc a p t u r et h ed i s t a n c eb e t w e e nt h et r e a dp r o f i l ea n d r e f e r e n c ep o i n t ，a l s ow ec a ng e tt h ev o l t a g ew h i c h c o r r e s p o n d st ot h ed i s t a n c e ，t h e n b yt h ec o r r e s p o n d i n ge x p r e s s i o n s ，w ec a ng e tt h ea b r a s i o nv a l u eo ft h et r e a d i r r e g u l a r i t i e s ，s ow ec a nr e a l i z et h ea b r a s i o nc o n d i t i o n so ft h ew h e e li nt i m e t h et h r e em a i np a r t so ft h es y s t e ma r ec o n t a c t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o r ，d a t a c o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e m ，c o m p u t e ra n dd a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e l v d tm o v e m e n ts e n s o ro fw h i c ht h el i n e a r i t ya n dr e p e a t i t i o na b i l i t yi ss t r o n gt o w o r ki nh a r de n v i r o n m e n t h e n c et h es e n s o r sa r ei n s t a l l e dh o r i z o n t a l l ya n d v e r t i c a l l yt od e t e c th o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n tv a l u eo ft h es l a b t h ed a t a i si m p o r t e dt ot h ea d u c 812 ，a n dt h ed a t ab ep r o c e s s e dt od i s p l a ya n dm e m o r y ， f i n a l l yi m p o r t e dt ot h ep cb yu s b t h ee x p e r i m e n ts h o w ：u s et h i sm a c h i n ec a nm e a s u r et h ea b r a s i o no ft h et r a d e p r o f i l ea n df l a n g ec o n v e n i e n t l y ，b e s i d e st h ep r e c i s i o nc a ns a t i s f yt h es t a n d a r do f m i n i s t r yo fr a i l w a y s k e yw o r d s ：t r a i nw h e e l s ，t r e a di r r e g u l a r i t i e s ，m e a s u r e ，p o r t a b l e i i 插图清单 图2 - 1 货车车轮3 图2 2 标准型踏面3 图2 3 磨耗型踏面( j m 型) 4 图2 4 车轮踏面圆周磨耗情况( s m 是磨耗量) 。5 图2 - 5 轮缘偏磨后的形状5 图3 1 车轮踏面形状自动测定装置系统组成7 图3 - 2 测定原理8 图3 - 3 接触法测量原理图9 图3 - 4 测量系统构成图9 图3 5 测量装置结构图9 图3 6 理想条件下传感器波形1 0 图3 7 测量原理示意图1 1 图3 - 8 简易外观图1 l 图4 1 仪器总体结构1 2 图4 2a d u c 8 12 数据采集系统芯片功能框图l3 图4 3h d u c 8 1 2 的引脚排列图1 4 图4 4 引脚说明1 6 图4 5a d u c 8 1 2 的a d c 输入输出转换特性1 7 图4 - 6 串行接口的结构1 8 图4 7 信号调理模块原理图2 0 图4 - 8 接口电路2 2 图4 - 9 复位电路原理图2 3 图4 1 0p d i u s b d l2 的功能框图2 4 图4 1 1p d i u s b d l 2 与单片机的接口原理图2 4 图4 - 1 2 原理图2 5 图4 13 理想输出对应关系2 5 图4 - 1 4p c b 图2 8 图4 - 1 5 电路板2 8 图5 - 1 调试工具3 0 图5 - 2 在线串行下载器3 0 图5 - 3 显示值对应表3 1 图5 - 4 地址映射表3 1 图5 - 5a d c c o n l 示意图3 2 图5 - 6a d c c o n 2 示意图3 2 图5 - 7u s b 通信模块层次图3 3 图5 8 控制端点发送函数流程图3 5 图5 9 分页系统的地址结构3 8 图5 - 1 0 目录页面结构图3 9 图6 - 1v b 开发工具4 1 图6 - 2 操作界面4 1 图6 - 3 系统仿真4 2 i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 盒壁王些态堂或其他教育机构的学位或 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 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：嬲签字日期：讥丫辟乒月伢日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒8 曼王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金月里王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：乞爿年乒月孑日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：2 ) 年耳月( 毯日 电话： 邮编： 致谢 本人在两年半的研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到 了我的导师杨永跃副教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是收集 资料、论文成稿，都倾注了杨永跃老师的心血。由衷感谢杨老师各方面所给予 我的关心，以及我从言传身教中学到的为人品质和道德情操。杨老师广博的学 识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受 益，并激励我勇往直前。 同时，真诚感谢仪器科学与光电工程学院的全体老师，他们的教诲为本文 的研究提供了理论基础，并创造了许多必要条件和学习机会。感谢实验室的同 学们在我课程学习和论文撰写期间，给予我大力的支持。 最后，要感谢我的父母，在我成长和求学的过程中，他们付出了艰辛的汗 水，给予我无私的关怀。 王浩旭 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1 研究意义及现状 铁路列车在沿两条钢轨滚动行驶过程中，轮对借助摩擦传递牵引、制动及 导向力，必然产生磨耗，直接影响轮对的踏面形状及左右轮径差，从而影响了 列车运行的安全性、平稳性。准确地检测列车车轮的轮缘厚度、轮缘高度、垂 直磨耗、踏面磨耗、车轮直径等参数，确保列车车轮踏面形状参数及同轴左右 轮径差符合相关的规程和标准f l 】，对于保障列车运行安全、顺利完成铁路运输 计划是非常重要的。同时，随着铁路重载和高速技术的发展，轮轨关系科学研 究、列车安全监控等领域对车轮外形及车轮直径测量的准确度与效率的要求也 日益提高。因此，非常有必要研制高准确度、高效率的车轮外形测量装置。 由于铁路车轮分布广阔，一般采用便携式量具在车轮静止的情况下对车轮 踏面及直径进行测量。目前，我国铁路机车车辆的轮对检测装置主要为第四种 检查器及轮径尺，此检测工具测量准确度不高，而且需要人工读数，容易出错， 测量时不可避免地引入了人员误差，直接影响了检测的可靠性。 国内外在车轮外形参数检测方面进行了大量的探索和研究，研制出多种铁 路车轮外形测量装置1 2 】【3 】f 4 】【5 】f 6 1 。其中，采用光学原理的车轮外形自动检测装置 的研究取得了突破性的进展。这种装置可在列车低速或中速运行时，通过路旁 设置专用设备，对运行中的车轮外形进行动态测量，其形状参数尺寸测量误差 0 2 m m ，采用三点法测直径，其测量误差为1 5 m m i4 。此方法也被用于轮对 自动检修线，可以采用两点法测量直径，测量直径误差为0 2 m m 引。但是自动 检测装置只能安装在固定位置，只有当车轮经过时才能进行测量。 同时便携式车轮测量仪器的研究也取得了进步，如丹麦g r e e nw o o d 公司于 1 9 9 1 年研制了m i n i p r o f 便携式轮廓曲线测量仪1 8 j ，美国i e m 公司的w p 0 0 5 p j ，上 海凯力博电器仪表成套有限公司提出的地铁车轮踏面形状检测方案【l ，上海同 济大学和华星测控设备制造有限公司研制的w r s 2 0 0 0 型铁道车辆轮踏面钢轨 轨头外形快速测录诊断仪【1 1 1 ，西南交通大学光电所研制的l y - 6 1 0 型手持式车轮 外形检测仪都是采用二连杆机构进行测量。 便携式车轮直径测量仪器主要为欧洲r i f t e k 的i d k 手持式火车轮径测量 仪、波兰g r a w 公司的w m - 3 型轮径测量仪及柳州铁路局计量所研制的轮径测量 仪。i d k 的测量误差为0 5 m m ，显示误差为0 1 m m 1 3 l ；w l d - 3 测量直径的误差 为0 0 5 m m 刀；柳州的轮径测量仪，其“同轴左右轮径差 测量极限误差不大 于0 0 9 m m ，其绝对尺寸测量极限误差不大于0 5 l m m i l 川。 近几年随着激光技术的发展，r i f t e k 生产的i k p s 手提式车轮轮缘轮廓测 量仪采用激光位移传感器，能测量轮缘厚度、轮缘高度和轮缘斜面，其误差分 别为0 1 m m 、0 1 m m 、0 2 m m 1 3 】。但激光传感器价格昂贵，且其测量误差 受车轮踏面表面粗糙度和测量环境的影响很大。 采用接触式二连杆测量机构的测量仪连架杆端部有光电编码器，其较大的 体积和重量以及连接电缆均影响测量的灵活性，手工测量需要的操作力较大， 引起的弯曲变形直接导致角度测量误差。 虽然二连杆机构车轮外形测量仪测量车轮踏面参数的准确度已达到要求， 但测量直径的准确度很低，不能满足实际使用要求。国外的轮径测量仪的测量 准确度能满足测量要求，但其价格昂贵，在我国不能广泛使用。 2 0 0 7 年，西南交通大学牵引动力实验室研制了w p c 型便携式车轮外形测 量仪1 4 】【1 5 】【1 6 】【17 1 ，采用并联五连杆机构，轻巧灵活，没有电缆的约束，测量力 引起的机构变形误差较小，操作更加方便：采用“踏面 定位，避免了二连杆 机构因重量、形变等因素对准确度的影响，排除了轮缘定位弊端。且该仪器能 同时测量车轮踏面外形和车轮直径。但是该仪器的安装需要比较长的时间，不 能实现快速测量。要想真正快速简捷的得到磨损信息还需要更为简捷灵巧的仪 器。 经过对以上仪器的分析，得出了以下结论：现在大多数检测仪存在这样或 那样的缺点，要么体积大、笨重，要么价格昂贵。所以，开发研究体积小、价 格便宜且能满足测量要求的便携式磨损检测仪就成为大势所趋。 1 2 本文的研究内容与工作 论文在广泛细致地查阅了国内外关于轮对几何参数检测的技术资料、专利 文献，对各种测量方案进行分析研究，比较了各种测量方案的优势和存在的问 题，从系统设计的角度提出了一种新型的便携式磨损检测仪，并对方案进行了 详细的分析论证。 论文的主要工作如下： ( 1 ) 了解国内外车辆轮对磨损检测的发展水平，从多角度分析各种检测方案 实现的可行性，从而使得检测方案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。 ( 2 ) 设计了在线检测方案，对包括检测系统功能、系统检测原理、系统结构 在内的各个部分进行了分析设计；在此基础上，设计了整体结构图。 ( 3 ) 便携式磨损检测仪的硬件设计，其主要包括三大部分：电源系统部分、 信号调理以及单片机部分。 ( 4 ) 便携式磨损检测仪的软件设计，包括：单片机的软件设计、数据处理程 序、u s b 接口编程实现、外扩数据存储器编程和显示模块的软件实现等。 ( 5 ) 便携式磨损检测仪的实验仿真。 ( 6 ) 编写v b 界面，实现单片机和p c 机的数据通讯。 2 第二章车轮几何参数的基本知识 2 1 轮对各部分介绍 2 1 1 车轮 车轮如图2 - 1 所示，其中卜轮缘；2 一踏面：3 一轮惘；4 一轮毅；5 一轮毅孔； 6 一辐板；7 一辐板孔。 图2 1 货车车轮 为了使轮对在钢轨上运行平稳，顺利通过曲线和道岔，降低踏面和轮缘磨 耗，延长使用寿命，铁道部对车轮踏面外形尺寸有统一的规定。 下面介绍几种典型的踏面外形。 1 标准型踏面外形 标准型踏面外形曲线见图2 - 2 。其外形特点是：轮缘厚度为3 3 毫米，轮缘 高度为2 8 毫米，轮缘最大倾角6 7 4 度( 轮缘外侧面与水平面交角) ，踏面有l ：2 0 及1 ：1 0 两段斜面。其中1 ：2 0 段是踏面与轨面经常接触的部分，在直线上运行 时有利轮对自动对中的作用，有减少钢轨侧面与轮缘磨耗的作用。在曲线运行 时能减少车轮在曲线上的滑动。1 ：1 0 的一段，一般只在曲线半径很小时才与轨 道接触，并可使踏面磨耗至一定程度时安全通过道岔，轮缘根部有r 1 6 毫米的 圆弧便于与钢轨轨头吻合。 图2 - 2 标准型踏面 2 磨耗型踏面外形 随着铁道科技水平的发展，各国都在研制新的踏面外形。早在1 9 3 4 年德国 的霍伊曼提出磨耗型车轮踏面外形以来，世界各国铁路部门相继提出各种形式 的车轮踏面外形和钢轨轮廓形状，以延长钢轨使用寿命和提高机车车辆运行品 质。 自七十年代中期，我国就采用磨耗型踏面。实践证明，磨耗型踏面是安全 可靠的，在减少圆周磨耗和轮缘磨耗以及减少旋削量方面都取得了不错的效果。 本文以图2 3 所示的j m 磨耗型踏面为例( 兰州西机务段使用j m 型踏面) 讲 述磨耗型踏面与标准型踏面的区别。磨耗型踏面的最大特点在于：轮轨接触参数 具有明显的非线性特征，它具有较大的等效斜度及重力复原刚度，当车轮运行 于曲线上并产生较大的横向偏移时，其等效斜度和重力复原刚度都比在平衡位 置附近大得多，对于自由轮，磨耗型踏面在半径为2 5 0 米的小曲线上，轮缘与 轨道之间尚有一定间隙，而标准型踏面只有当曲线半径大于1 10 0 米时，轮缘与 轨道才能避免接触。因此，磨耗型踏面轮对于机车通过曲线及减轻轮轨磨耗是 十分有利的。 图2 3 磨耗型踏面( j m 型) 2 1 2 车轮踏面损伤介绍 列车在运行中，由于存在着线路养护条件差，轮轨外形及材质匹配不合理， 转向架技术状态不良，牵引装载定数过大，列车制动时制动力不均或过大使闸 瓦没有缓解，而引起车轮在轨道上滑行以及车轮在轨道上长期滚动等诸多原因， 导致车轮踏面及轮缘出现磨损，使踏面的几何形状发生变化。其表现形式主要 有以下几种1 2 0 】 ( 1 ) 车轮踏面圆周磨耗 车轮踏面圆周磨耗是指踏面在工作过程中，沿车轮半径方向尺寸的减少。 车轮踏面圆周磨耗情况如图2 4 所示。对于车轮踏面圆周磨耗来说，其磨耗量 几乎与走行公里成正比，车轮踏面圆周磨耗过大就会产生如我们在绪论中介绍 的那些严重后果。因此，当车轮踏面圆周磨耗量达到一定尺寸时( 客车8 毫米； 货车9 毫米) ，车轮就不能继续使用，而需要进行旋修，恢复其踏面的原有几何 形状。 4 图2 4 车轮踏面圆周磨耗情况( s i n 是磨耗量) ( 2 ) 轮缘磨耗 在正常工作条件下，轮缘的磨耗并不严重，轮缘只在车辆通过曲线或道岔 时，才因承受水平力的作用，与外轨内侧面摩擦而产生磨耗。在直线区段，轮 对蛇行前进，轮缘磨耗不大。如果踏面磨耗严重或转向架组装不正，轮对对于 翎轨间的相对位置不正常，则轮对易偏于线路一侧，引起轮缘偏磨。轮缘偏磨 有以下三种形式：轮缘厚度减少、轮缘顶部形成锋芒和轮缘垂直磨耗。磨耗后的 轮缘形状如图2 5 所示。轮缘磨耗过甚时，会产生我们在绪论中介绍的那些严 重后果。因此我国根据实际运用经验规定轮缘厚度的最小限度为2 2 毫米( 在距 轮缘顶部1 5 毫米处测量) 。 图2 5 轮缘偏磨后的形状 ( a ) 轮缘厚度磨损变薄后，强度下降，当轮对过曲线或做蛇行运动时，轮缘 在来自钢轨水平力的作用下，会导致崩裂缺损，甚至造成行车事故。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因素而定的， 如果轮对的一侧车轮轮缘磨损过薄，则会影响另一侧车轮与钢轨的安全搭载量。 ( b ) 轮缘形成锋芒后，在轮对通过道岔时，可能挤开尖轨而造成脱轨事故， 所以轮缘磨损成锋芒时，必须更换轮对。 ( c ) 轮缘垂直磨损超过限度时，其轮缘根部与钢轨内侧面形成平面接触，当 车轮通过道岔时，由于轮缘与钢轨接触处没有弧形，就会使车轮碰尖轨或爬上 道岔心，同样会造成脱轨事故。因此，轮缘垂直磨损过限的轮对也不许继续运 用。 各国的经验表明，轮缘的磨耗与轮轨断面形状有很大关系。如果轮箍断面 与运用区段平均磨耗轨头的形状契气则磨耗就不严重。更换钢轨后，磨耗即显 著加快。因此，磨耗的快慢也取决于轮轨断面的吻合程度。 ( 3 ) 踏面剥离 踏面表面金属成片状剥落，在踏面上形成小凹坑的现象称为踏面剥离。踏 面剥离一般分为制动剥离和疲劳剥离两种。 由踏面制动热裂造成的，称制动剥离，它时常和踏面擦伤同时发生，剥离 层的深度较浅。 疲劳剥离是金属接触疲劳破损的表现，其产生主要与应力大小，反复次数 多少及金属对它的抵抗能力有关。所以只要增加接触应力，不论是静荷重或打 击荷重，都促进这种剥离的产生。 ( 4 ) 踏面擦伤 踏面擦伤是由于车轮在轨面上滑行，而把圆形踏面磨成一块或数块平面的 现象。它多数是由于制动力过大或缓解不良等原因造成的。发生了擦伤的车轮 由于不能圆滑地旋转，所以还会进一步引起滑行。 车轮在轨面上滑行时有如下倾向： ( 1 ) 在硬度低的踏面上发生擦伤时，随后由于车轮的旋转使之反复受到冲击 载荷，很快就产生剥离。 ( 2 ) 硬度高的踏面上由于受到滑行时的热影响，易产生网眼状热裂纹，并以 此为起点而很快形成剥离。 擦伤和剥离同样会使踏面局部凹陷，于是车轮在运行中会出现周期性的上 下跳动，增加对机车及线路的振动冲击，其结果不但加速了线路的破坏，而且 使列车运行平稳性差，车辆零件也容易损坏，并容易发生热轴事故。 ( 5 ) 碾堆 由于机车运行时轮轨间的金属挤压作用，车轮踏面塑性变形，导致轮箍外 侧辗宽出毛边或在轮缘根部近旁形成台阶状辗堆，轮缘顶出现“锋芒”，高约2 5 毫米左右。 车轮踏面的辗宽影响乘务员擦车，轮缘顶出现“锋芒 造成轮缘测厚时出 现假值，缩短轮对的使用期限，造成很大的浪费。 ( 6 ) 轮箍崩裂 机车轮箍在机械力和热应力的组合作用下服役。由于各种因素的影响，不 可避免地会造成轮箍踏面出现局部塑性变形和细小裂纹，冶金缺陷的存在也将 在各种复杂应力的作用下成为裂纹源并不断扩展。随着车轮的滚动与钢轨的循 环接触，裂纹以临界速率逐渐扩展而酿成灾难性的脆断轮箍。 6 第三章车轮磨损检测方案的确定 3 1 车轮磨损动态检测原理 3 1 1 超声遥测法 俄罗斯联邦铁路于9 0 年代中期研制成功轮对参数自动化检测装置。它采用 超声遥测的非接触测量方法，当机车车辆以不大于5 千米d , 时的速度运行时， 遥测传感器组可测出距车轮各个特征表面的距离，经分析处理后，可得出车轮 直径、轮缘厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等参数2 0 】【2 1 1 。 3 1 2 图像检测法 图像检测法的基本原理是：利用c c d 摄像机拍摄行进中车轮的外形图像，从 图像上直接获取反映车轮外形的轮廓曲线即完成了车轮外形关键尺寸参数和外 形曲线的测量。以检测到的车轮轮廓曲线与标准车轮外形曲线对比即可得到其 车轮不圆度。其代表装置有日本9 0 年代末研制的“车轮踏面形状自动测定装置” 2 2 1 1 3 2 j o 1 系统构成 该系统如图3 - 1 所示，主要由一下几部分组成：车轮检出传感器、检测部、 数据处理台、气缸、遮光板组成。数据管理装置由计算机和打印机组成。 图3 - 1 车轮踏面形状自动测定装置系统组成 检测部为装有光源、摄像机、同步检测传感器等的组件，被绝缘固定在两 根钢轨上。由于安装有光学仪器和电子仪器，所以采用了遮光板以及冬季融雪 和夏季降温功能的电子设备。在检测器附近的线路外面设置有露天平台，以装 设检测部仪器的各种控制部分、摄像机放大器、进行图像获取和处理的处理机 等。处理机和事务所微机之间用光缆插接件连接，从事务所发出的测定指令和 向事务所传输测定结果都是高速进行。由微机进行测定指示和测定结果的显示 编辑、图像确认、数据履历管理等，必要时可用打印机打印输出。 2 测定原理 测定原理称为光截法。分别向车轮踏面部和内侧侧面部照射细带状激光束， 用两台c c d 摄像机拍摄来自车轮被照射部分表面的散射光图像。激光照射范围 7 为通过的一个车轮，光电传感器跟踪车轮轮缘，用高速随机快门摄影。对拍摄 的图像进行滤光处理和细线化处理，以找出激光图像的中心线，计算出车轮各 部分的尺寸。在左右车轮处设置两对光源和摄像机，从两者的测定结果计算出 车轮两内侧面的距离。实际上车轮通过时会发生左右滑移，因而对此要进行各 种修正才能得到所要的精度。其测定原理如图3 - 2 所示。 路面用摄像机 舅面用d t t 譬t a 图3 - 2 测定原理 3 工作流程 设置三台电磁式车轮检出传感器来检测通过的车辆。第一传感器设置在相 对于检测部位置的前3 0 米处，第二传感器在检测部前面3 米处，第三传感器在 检测部后面3 米处，各自依次工作。 首先，由第一传感器检测列车的进入，处于检测待机状态。其次，由第二 传感器识别先头车轮，打开光学保护闸门，并用气缸内压缩空气清除保护玻璃 表面上的尘埃。接着，由检测部对车轮进行测定，由处理平台对检测数据进行 处理，并向事务所传输测定结果。最后，由第三传感器识别最后通过的车轮， 同时关闭保护闸门。 如此，通过第二传感器与第三传感器的组合的方式，只在列车通过检测部 时，保护闸门才打开，从而使投光和受光部遭受尘埃、雨和雪等的不良影响减 小到最低限度。 3 1 3 接触测量法 接触测量法的基本原理是：通过测量车轮轮缘下垂量的变化，实现对踏面擦 伤及磨损的测量，以此来确定车轮的不圆度。如图3 - 3 所示，车轮踏面受损后， 其圆周的半径将减小，也就使得轮缘顶点t 相对于钢轨的位置将低于h 。一般 车轮轮缘顶部圆周上的t 点是不会被破坏的，因此t 点位置的变化信息包含了 车轮踏面圆周的受损信息。所以通过测得t 点的相对位移h ，经修正后就可得 到当前车轮踏面的磨损和擦伤值，然后与标准车轮踏面曲线对比即可得到车轮 的不圆度情况。这种方法配合位移传感测量技术，实现方便2 3 】【2 4 】【2 5 儿2 6 儿3 。 8 l l l一一j j p k 一塑己 图3 - 3 接触法测量原理图 1 系统总体配置及构成 测量系统总体配制如图3 4 所示。整个测量系统包括平行四边形机构、位 移传感器、数据采集和处理系统、微机系统四大部分。 - | ； ? i 。 ：；n ：? hi 图3 4 测量系统构成图 测量装置结构如图3 5 所示，其中平行四边形机构平板的两端分别与支杆 一端铰接，支杆的另一端分别与固定在钢轨的支座铰接，加上弹簧，使平板在 列车运动时始终与轮缘顶部接触。位移传感器与固定在构成平行四边形机构一 边的钢轨上的支座相连。这样，传感器的测量头可直接测量列车运动时平板相 对钢轨的垂直位移，即车轮踏面与轮缘的相对高度的变化量。若在列车运动过 程中每单个车轮踏面与轮缘之间的高度相对不变，则表明踏面不存在擦伤，此 时位移传感器输出也相对不变；若踏面存在擦伤，则相对高度有突然变化，位 移传感器可直接测出这一变化，即可得到其擦伤量：当踏面有磨损时，位移传感 器的初始读数值相对无磨损车轮有一明显变化，此变化量即为车轮踏面的磨损 量。 嘞平行四边形机构；z 。v 粒移传感器囊，_ _ ：一j ，t7 ，麓 ， 一- 掣t 一 n ： “盘一； “廿r ，j 矗， 图3 - 5 测量装置结构图 9 2 系统工作流程 系统动态测量过程的实现是在计算机及软件系统的控制下协调工作的。在 等待过程中，程序自动完成系统自检及高速采集卡的初始化工作，并不断采集 同侧两个传感器数据，当所得数据先后超过闭值后，说明机车进人测量区段， 实时采集四个传感器的数据。根据车轮经过同侧两个传感器的时间间隔，可自 动测量出列车运行的速度，以便调整数据采集速度；西南交通大学硕士研究生 学位论文第1 4 页根据a d 采集速度和列车速度以及各车轮对应数据可以计算车 轮轮轴间的距离，由此距离判断车型和车轮序号，实现自动计轴计辆：根据测 量原理，计算各车轮磨损和擦伤量，提取超过闭值的数据；根据实际需要，向 端机房传送数据，由此完成数据的输出工作。 理想情况下，如果平行四边形机构及钢轨不存在加工误差，平行四边形机 构与钢轨之间处于理想的装配条件，新车轮和磨损擦伤车轮通过传感器得到的 输出波形如图3 6 所示。 图3 - 6 理想条件下传感器波形 由图通过数据处理可以直接测量出踏面擦伤及磨损量，以此得到车轮踏面 的直径。实际中，由于机构的各种加工误差和安装误差，实际输出信号与以上 理想情况有所不同。此外当车速较高时，由于在轮缘顶部与平板撞击的瞬间， 将产生较大的冲击力作用于平板上，导致平行四边形机构的振动，使得轮缘顶 部与平板瞬间不接触。这样，测量基准丢失，踏面擦伤将被漏测，此时将无法 测得车轮外形。 3 2 检测方案的对比及选择 通过对现有的几种动态检测原理的介绍和比较，我们可以得出以下结论： 手工检测法由于其效率低，劳动强度大，受外界影响因素大，测量不准确，不 能实现自动检测等缺点，在以后的发展中将会被逐步取代。对于超声遥测法， 技术难度( 缺陷回波和当量比较) 和造价明显较高，另外关于超声波的判定几乎 无具体指标，所以该方案困难比较大。图像检测法的装置造价高，数据处理量 大，对车速有限制，技术要求高，就国内目前的情况，技术还不够成熟，还很 l o 难移植使用，故不适宜采取该方法。 综上所述，针对我国目前检修状况，希望机车或车辆使用中对车轮的磨损 状况能准确、自动地检测出来根据国内外的相关经验，采用直接测试的接触 式位移检测法来测量是较为理想的，该方法造价低，技术上比较容易实现，这 一方法适用于机车车辆停止时的轮对踏面测量。 3 3 检测方案 在比较了众多检测方法之后，本论文对踏面和轮缘磨损所采用的测量方法 为接触式位移测量法，通过测量车轮轮缘下垂量的变化实现对踏面擦伤及磨 损的测量。如图3 7 所示，车轮踏面受损后，其圆周的半径将减小，也就使得 轮缘顶点。相对于钢轨的位置将低于b ， 点位置更靠近轮缘边。一般车轮轮 缘顶部圆周上的0 点是不会被破坏的因此b 点位置的变化包含了车轮踏面受 损的信息，a 点位置的变化包含了轮缘磨损的信息。所以通过测得a 点和b 点 的相对位移l w 和t m ，经修正后就可得到当前车轮踏面的磨损。图中s t 和s 2 是两个l v d t 直线位移传感器，用他们可以很方便准确的得到轮缘和踏面的磨损 量，并且他们的体积小，易于固定。测量的值显示在l c ) a 上，可以方便的观察 到，并且可以被存贮起来以便1 3 后通过u s b 传输到上位机p 。外观如图3 - 8 所 示，操作简单，方便携带。 图3 7 测量原理示意囝 图3 - 8 简易外观田 第四章系统硬件设计 4 1 硬件总体结构 本系统是一个便携式的系统，所以系统的大小以及功耗是系统设计的灵魂。 基于这样一种思想，所设计的为便携式测量仪表，在设计时必须在保证精度的 同时降低功耗。仪器的总体结构如图4 - 1 所示。 图4 1 仪器总体结构 可以看出整个硬件系统分为下述模块： 1 、电源管理模块包括基准电压的提供单元和电压转换： 2 、传感器模块将被测信号转换成电压信号： 3 、信号调理模块主要是信号放大器电路，它将传感器转换的微弱电压信号 放大至适当的电平，供a d 转换用； 4 、单片机模块是仪器的核心，根据设计要求，装在其内部e p r o m 中的监控 程序应包括数据采集、数据处理、存储等功能： 5 、液晶显示模块将测量结果直观的显示出来。 6 、人机交互模块是由键盘构成。对仪器的操作通过它向单片机发出命令， 由单片机根据命令格式提供相应的功能。 7 、外扩数据存储器内保存数据供单片机数据处理用。 8 、单片机与上位机通讯接口。把测得的数据通过接口传到上位机以进行后 期处理。 4 2 片上系统a d u c 8 1 2 4 2 1a d u c 8 1 2 般说明 a d u c 8 1 2 是全集成的高性能的1 2 位数据采集系统，它在单个芯片内集成了 高性能的自校准多通道a d c ，两个1 2 位a d c 以及可编程的8 位( 与8 0 5 1 兼 容) m c u 。 片内8 k b 的闪速电擦除( f l a s h e e ) 程序存储器，6 4 0 字节的闪速电擦除 1 2 数据存储器以及2 5 6 字节数据r a m ，均由可编程内核控制。 另外m c u 具有包括看门狗定时器、电源监视器和a d cd m a 功能，为多处理 器接口和i 0 扩展提供了3 2 条可编程的i o 线、1 2c 兼容的s p i 和标准u a r t 串行口i 0 等。 m c u 内核和模拟转换器二者均有正常、空闲和掉电工作模式，有适合于低 功率应用的灵活电源管理方案。在工业温度范围内，有3 v 和5 v 两种规格电压 工作器件可供选择。它有5 2 条引脚，用扁平塑料四方形封装。a d u c s l 数据采 集系统芯片功能框图见图4 - 2 。 娜r i p e r 4 p 1 7 - 帕，o 啼p 口口，l j 卜即，2 n 卜一- 卜，1 ，l 口_ 略 _ 0 帅d 。u t , d g n o 1 。t 2 a l 伊l u t o m i t a o ”$ 。喘黼m l l s ”o 图4 2a d u c 8 1 2 数据采集系统芯片功能框图 4 2 2a d u c s l 2 的特点： 模拟i o ： 8 通道，高精度1 2 位a d c ； 片内4 0 p p m 电压基准： 高速2 0 0 k h z ； 两个1 2 位电压输出d a c ； 片内温度传感器功能。 存储器： 8 k b 片内闪速电擦除程序存储器； 6 4 0 字节片内闪速电擦除数据存储器： 片内电荷泵( 不需要外部v p p ) ： 2 5 6 字节片内数据r a m ： 1 6 m b 外部数据地址空间； 6 4 k b 外部程序地址空间。 与8 0 5 1 兼容的内核： 额定工作频率1 2 m h z ( 最大1 6m h z ) ； 3 个1 6 位定时器计数器； 3 2 条可编程的i 0 线； ，op一嵋 r ，ia 9，f 柚 托咐冲凇丽m墟砸嚆 硼孰黝爹一 高电流驱动能力端口； 9 个中断源，2 个优先级。 电源： 用3 v 或5 v 电压工作； 正常、空闲和掉电3 种工作模式。 片内外围设备： u a r t 串行i o ； 两线( 与1 2c 兼容) 和s p i 串行i o ； 看门狗定时器； 电源监视器。 pl ，i i a d c 0 f t 2 p i i i a d c i t 2 e x p i 2 i a d c 2 r i i i a d c 3 a v - a a h d c - f v 时 d c o d c i p i 4 ，a d c 4 p i $ 1 a d cs j 嚣 p i 6 ， d c 6 薹薹茎萋毒萎霎霎耋薹罨l 耍i 墨 图4 - 3 a d u c 8 1 2 的引脚排列图 4 2 3 引脚排列与引脚说明 a d u c 8 1 2 的封装形式为5 2 针表面贴装，其引脚排列如图4 - 3 所示，各个引 脚的说明如表4 4 所示。 符号类型功能 d v d dp 数字正电源电压，额定值为+ 3 v 或+ 5 v a v d d p 模拟正电源电压额定值为+ 3 v 或+ 5 v 片内基准的去耦引脚，在此引脚和a g n d 之间连接0 1 u f 的 c r 卧 1 电容 v 哪i o基准输入输出，次引脚通过串联电阻连接至内部基准电压， 1 4 是模拟数字转换器的基准源。额定内部基准电压2 5 v 且出 现在此引脚( 当a d c 或d a c 外围设备被使能时) 。此引脚可 由外部基准过驱动 a g n dg 模拟地，模拟电路的基准点 端口1 仅为8 位输入端口，与其他端口不同，端口l 缺省为 p 1 0 一p 1 7l 模拟输入端口，为了把这些端口的任一个引脚配置为数字输 入，应把“0 ”写至端口。端口1 引脚是多功能和共享的 模拟输入，8 个单端模拟输入，通过特殊功能寄存器a d c c o n 2 a d c o a d c 7l 进行通道选择 定时器2 数字输入，输入至定时器2 ，当被使能时，对应于 t 21 t 2 输入的1 至0 的跳变，计数器2 计数 数字输入，计数器2 捕获重载触发，或计数器2 加减控制 t 2 e xl 输入 s s1 s p i 接口的从属选择输入 用户可选，1 2c 兼容输入输出引脚或s p i 数据输入输出引 s d a t a i o 脚 s c l o c ki o 1 2 c 兼容串行接口的主输出从输入数据i o 引脚 m o s i i 0用于s p i 串行接口的主输出j a 输入数据i o 引脚 m i e 0 i o 用于s p i 串行接口的主输入从输出数据i o 引脚 d a c o0 d a c o 电压输出 d a c lo d a c i 电压输出 数字输入，当振荡器运行时，此引脚上长达2 4 个主时钟周 r e s e t1 期的离间平可使器件复位 端口3 是具有内部上拉电阻的双向口。对端口3 写1 使其引 脚被内部上拉电阻拉至高电平，在此状态下它们可被用作输 p 3 0 p 3 7 i o 入。由于内部上拉电阻，被外部拉至低电平的端口3 引脚将 提供电流。端口3 引脚也包括各种辅助功能 串行( u a r t ) 端口的接收数据输入( 异步) 或数据输入输 r x d i o 出( 同步) 串行( u a r t ) 端口的接收数据输出( 异步) 或时钟输出( 同 t x d0 步) 中断0 可编程为边沿或电平触发中断输入，它可以被编程至 i n t o1 两个优先级之一。此引脚也可用作定时器0 的门控输入端 中断l 可编程为边沿或电平触发中断输入，它可以被编程至 i n t 21 两个优先级之一。此引脚也可用作定时器o 的门控输入端 t o1 定时器计数器0 输入 1 5 t 11 定时器计数器1 输入 当转换启动被使能为外部控制时，a d c 模块的转换启动逻辑 c o n v s t1 输入。低电平有效。此输入端低电平至高电平跳变将把跟踪 保持置为保持方式并启动转换 写控制信号，逻辑输出。把来自端口0 的数据字节锁存入外 w ro 部数据存储器 r d 0 读控制信号，逻辑输出。允许外部数据存储器送至端口0 x t a l 20 内部始终振荡器的倒相放大输出 外部时钟输入，至时钟振荡器的倒相放大器和内部时钟产生 x t a l l1 器电路1 d g n dg 数字地，数字电路的地基准点 端口2 是具有内部上拉电阻的双向端口。对端口2 写l 使其 引脚被内部上拉电阻拉至高电平，在此状态下它们可被用作 p 2 o p 2 7 输入，由于内部上拉电阻，被外部拉至低电平的端口2 引脚 ( a 8 a 1 5 )i o ( a 1 6 - - 一a 2 3 ) 将提供电流。端口2 在从外部程序存储器取值期间内发出高 地址字节，在访问2 4 位外部数据存储器空间时发出中和高 地址字节 程序存储使能，逻辑输出。此输出端是控制信号，它在外部 取指操作期间内选通外部程序存储器至总线。除了在外部数 p s e n0 据存