（光学工程专业论文）列车轮缘直径在线动态测量系统的研究.pdf

北京交通火学耻学位论史 y 8 7 9 0 0 6 列车轮缘直径在线动态测量系统的研究 摘要 传统的轮对检测手段无法满足我国铁路事业发展的需要。如何快 速准确的测量出轮对在运用和检修过程中的各种参数，研制实用的在 线动态检测设备，是目前我国铁路发展中已普遍提出，但又未能很好 解决的技术难题之一。本文提出了一种新的列车轮缘直径在线动态测 量方法，研制出实际的测量系统。 根据轮对的几何构造，本论文确立了弦高法测量轮缘直径的方 法，设计了测量系统的机械与电路部分及传感器的选择方案，分析了 各种导致测量误差的因素。针对机构的振动问题，分析了车轮轮缘与 测量机构的静态与动态作用效应，建立了测量机构的动力模型，并求 解机构的二自由度动力方程。最后结合测量结果给出了系统的改进方 案。 关键词：轮对轮缘直径在线测量振动分析 北京交通大学硕士学位论文 r 电s e a r c ho no n l i n ed y n a m i cm e a s u r e m e n t s y s t e m o f1 h i n sw h e e l n a n g ed i a m e t e r a b s t r a c t t h en 丑d i t i o n a lm e t l l o do fw h e e l s e tm e a s u r e m e n tc a n n o tf u l 丘ut h e r c q u i r e m e n to f o u rd o m e s t i cr a i l m a du n d e n a k i n g sd e v e l o p m e n t d e t e c t i n g a nt l l ew h e e l s e tp a m m e t e f sh a sn o wb e c o m eag e n e r a l i y - c o n c e m e db u tn o t w e l l - s 0 1 v e dp r o b l 锄an e wm e 协o do ft r a i n sw h e e lf l a n g ed i 锄e t e r o n - l i n em e a 踟r c m e n ti sp r e s e n t e di nt h i sp a p e l a c c o r d i gt ot h eg e o m e t r i c a lc o n s t n i c t i o no fw h e e l s e t ，t h em e t h o do f c o m a c tm e a s u r e m e n tw l l i c hb a s e do nc h o r d a lh e i g i l ti se s t a b l i s h e di i lt h i s p a p e lt h ef e a s i b i l “yo f t h i sp 玎d j e c th a sb e e np r o v e di t h e o r y t h em e t h o d o fw h e e l s e td i a n ”t e rm e a s u r e m e n t ，w h i c hc o m b i i l e dw i t l lt h eu t i l i z a t i o no f t h e p a r a l l e l o 伊a mm e c h a n i s m ，h a sb e e n 百v e ni l l t l l i s p a p e r a sw e l l f u r t i l e m o r ee d d y - c u r r c n ts e s o r se e e c ti ns t a t i cm e a s u r e m e n ta n dv a r i o u s e r r o rf a c t o r sa r ea n a l y z e d a d d i t i o n a l l y ，i nt h i sp a p e r ，t h ed y n a m i ce f ! l e c t b e t w e e nw h e e ln a n g ea n dm e a s u e m e n tm e c h a n i s mh a sb e e na n a l y z e d ；t h e d y n a m i cm o d e lo fu - 丘g u r em e c h a n i s mh a sb e e ne s t a b l i s h e d ；t h ed y n a m i c e q u a t i o no f “v o d e g r e e s - 0 f 仃e e d o mh a sb e e ns o l v e d f i n a l l yo u rp r e l i r n j n a r ye x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eg i v e n i i 北京变通大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：w h e e l s e t ，w h e e ln 柚g ed i a m e t e r o n l i i i ed e t e c t i n 舀 v i b m t i o na n a l y s i s i i i 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出与研究的意义 随着我国铁路事业的发展，列车行驶速度不断加快，车辆运行的 安全问题也变得更加突出。轮对质量是影响列车行驶安全的重要环 节。由于列车轮对的工作环境恶劣，轮对在运行一段时问后踏面便会产 生擦伤、磨耗、剥离等缺陷，每个列车轮对经过一定期限就要进行一 次检测，对于参数超限的轮对需要加修或报废，否则会给列车的安全运 行带来隐割”。我国传统的轮对检测仍采用定期检修制度，不能及时 发现轮对缺陷，易带来故障隐患；同时检测的手段仍是以各种专用机 械测量器具为主的人工测量，采用这些机械器具测量不但工作烦琐， 劳动强度大，而且不能消除人为的测量误差，从而测量精度低，测量 效率更低，测量结果受测量人员的影晌较大。因此传统的轮对检测手 段无法满足我国铁路事业发展的需要。 如何快速准确的测量出轮对在运用和检修过程中的各种参数，研 制实用的在线动态检测设备，是目前我国铁路发展中已普遍提出，但 又未能很好解决的技术难题之一。在线动态测量是指对萨在运行中的 列车轮对进行的检测，区别于检修车间中的自动测量与手工测量。 本课题作为铁道部“旅客列车入库客车轮对几何参数在线动态测 量的研究与应用”项目的一部分，对列车车轮的主要几何参数之一轮 缘直径在线动态测量方法进行研究，并结合项目中的擦伤与磨耗测量 方案进一步测量车轮轮径。 北京交通大学硕j 二学位论文 1 2 轮对几何参数检测技术的发展现状 目前国内外轮对几何参数的 砸9 量主要有以下几种方法 1 2 1 便携式测量仪器 采用各种传感器技术研制的便携式测量仪器，需要人工操作实现 对轮对的部分参数的测量，如丹麦研制的m i n p r o f 轮轨轮廓测量系 统，其滚动式踏面形状测量仪能比较准确的测量出踏面形状，通过与 标准形状比较得到各种磨耗尺寸【2 l ；而美国国际电子机械有限公司2 0 世纪8 0 年代研制得便携式车轮截面测量仪，能在2 秒钟内测量出轮 缘厚度和踏面磨耗等参数【3 】。国内也有类似得便携式测量仪器。 这类测量方法的缺点是：测量参数不全面，测量的自动化程度低， 不能实现车间自动测量，测量过程需人工干预，无法满足铁路快速发 展的需要。 1 2 2 采用接触式传感器 2 0 实际8 0 年代，我国开展了轮对几何尺寸自动测量的研究，具 有代表性的是石家庄车辆厂研制的轮对自动检测机，系统共使用了2 1 个光栅位移传感器，其主要测量原理是：当被测轮对沿轨道运动到待 测位置后，将轮对用托架支起，并让其旋转，在转动过程中使用接触 式传感器测量各种几何尺寸，测量一个轮对所用时问约2 分钟左右。 这种测量方法的主要缺点是系统采用了较为复杂的液压和升起 北京交通大学硕士学位论文 控制系统，系统复杂，给实际应用带来了较大的问题：同时由于接触 式测量，轮对表面的不规则和粗糙，极容易造成接触式传感器的损坏。 1 2 3 采用非接触式测量方式 近年柬国内外出现了几种形式的自动测量系统，采用c c d 技术 和激光传感技术，实现对轮对几何参数的自动铡量，这些检测方法在 我该主要应用于车辆检修部门，而在国外则主要应用于车辆运用部 门。 专利“一种轮对自动检测装置”( 专利号：0 1 2 2 7 4 9 3 - 3 ) 提出了采 用多个面阵c c d 和线阵c c d 摄像头，配以较为复杂的传动机构，来 实现对轮辋厚度、擦伤、剥离、三点内侧距、踏面尺寸形状磨耗、轮 座轴直径及轴中央直径的自动测量，并研制成对应的测量系统，其特 征是由安装于被测轮对周围的一组多个面阵c c d 摄像头和一组电涡 流测距仪或激光测距仪，由摆线针轮减速器并与相关联链轮和链条以 及转轴两端相连接的托轮组成旋转机构；由液压站提供动力驱动油 缸以及在活塞杆端相连接滑块和定位横梁以及固定滑块上的v 型定位 块组成轮托起定位机构。但这些测量系统的构造过于复杂，所有参数 的测量需要轮对在几个不同的位置完成，需要轮对前进定位，支起轮 对并旋转，测量周期长，测量机构复杂。同时由于是采用c c d 技术 首先得到踏面形状，间接计算出轮对轮缘厚、踏面磨耗等关键参数， 因而测量精度有限，并且仅能测量轮对的部分参数，因而测量参数不 全面、测量精度不高【4 】。 专利“铁路车辆轮对几何参数自动测量装置”( 专利号0 1 1 0 8 5 2 6 6 ) 提出了一种更为复杂的测量机构，整个包含4 个测量机构和2 个横推 北京交通大学硕士学位论文 测量机构，由于该机构采用轮对转动，测量机构本身还需要运动，使 得测量周期更长，结构更为复杂【5 j 。 美国专利“w h e e l s e ts e n s i n gs y s t e m ”【轮对传感系统，美国专利 号5 9 3 6 7 3 7 1 公布了一种在每边线路上最少安装2 6 个激光传感器，车 轮通过时，可测量得到车轮轮辋厚、轮辋宽、轮缘厚、踏面直径、踏 面形状等参数，但该装置需要铺设特殊钢轨来安装这些传感器，同时 至少采用5 2 个激光传感器，成本很高，不宜在我国推广使用【6 j 。 美国专利“m e t h o da n ds y s t e mf o rc o n t a c t l e s sm e a s u r e m e n to f r a i l m a d 、珊e e lc h a r a c t e r i s t i c s ”r _ 一种非接触测量车轮特征的方法与系 统，美国专利号：5 6 3 6 0 2 6 1 公布了一种可用于静念和动态测量车轮形 貌的方法与技术，该装置主要采用激光测量技术，安装在线路上，可 自动测量轮辋厚、轮辋宽、轮缘厚、踏面等关键部分的形状以及踏面 直径。但该装置不仅需要断轨，安装复杂，而且由于被测表面形貌的 变化较大，直接采用激光测量技术进行定位测量，测量精度受到影响 7 】o 美国专利“i n s t a l l a t i o na 1 1 dp f o c e s sf o rm e a s l l r i n gr 0 1 l i n gp a r a m e t e r s b ym e a l l so f a n i i a l s i o no nw h e e l so f r a i l w a yv e l l i c l e s ”【一种 利用人工视觉测量车轮参数的装置，美国专利号：5 8 0 8 9 0 6 1 ，该装置 主要利用激光发射的线光源，采用c c d 摄像技术，来得到车轮在滚 动过程中的各种参数。该装置的缺点是需要改装线路，使轮对在辅助 支撑上运行i 8 j 。 此外，国内外还有许多应用c c d 摄像和激光技术来测量轮对几 何参数的方法和技术0 】。采用一般c c d 摄像头的理论分辨率为 o 2 m m ，由于踏面为一不规则曲面，如果不采用特殊光源，很难将c c d 北京交通大学硕j ：学位论文 摄像定位于被测处，造成其测量精度更低。采用激光位移传感器，并 扫描测量踏面形状，可提高测量精度，但由于采用机械扫描，测量周 期较长，同时采用激光传感器扫描时，由于被测踏面为曲面特别时在 轮缘部分，由于曲线变化较大，给激光位移传感器的测量带来较大的 测量误差。 现有的非接触式测量方法有着测量参数不全面，测量精度有限， 价格昂贵等缺点。 综上所述，在现有的非在线测量方法，除了少数采用便携式测量 仪器外，均为在固定台上将轮对顶起后测量，对于国外的一些在线测 量方法往往机构复杂，价格昂贵，不适用于我国的实际情况。 1 3 本论文的主要研究工作 针对目前国内外轮缘直径、轮径的测量方案中自动化程度低，价 格昂贵的缺点，我们提出了一种新的列车轮缘直径在线动态测量方 法，实现列车在行进过程中对轮缘直径进行测量。此种方法测量机构 简单，测量效率高。 该方法主要采用电涡流传感技术，通过简单的u 型槽机构实现对 车轮轮缘直径的动态定量测量。 概括起来本文将主要解决下列问题： l 通过对轮对几何形状的分析，提出一种新的轮缘直径测量方 法一一“弦高法”。在分析论证的基础上，确定测量系统的总体构造 与实现方案，设计其实现的机械部分和电路部分，完成样机的研制。 2 根据“列车轮缘直径在线动态测量系统”的测量原理及测量方 案，寻找各种导致测量误差因素并分析其影响，为提高测量精度，进 北京交通大学硕十学位论文 一步优化系统提供理论指导。 3 对测量机构的振动问题进行分析，建立测量机构的动力学模 型，研究适合本系统的振动控制方案，以便建立相应的机构动力响应 的计算机模拟系统，并设计有关的结构参数。 4 在实现对轮缘直径测量的基础上，结合轮对几何参数在线动态 测量的研究与应用项目中的擦伤与磨耗测量方案进一步测量车轮轮 径，最终实现对轮缘直径、轮径的测量。 北京交通大学硕j 二学位论艾 第二章轮缘直径在线测量系统整体设计 2 1 系统的总体设计方案 系统的方案设计重点突出了一个设计思想，即：本系统是一个地 面式的自动检测系统，当列车一次通过检测区段时，完成其所有车轮 轮缘直径的检测，整个过程均在列车低速状态下进行，检测结果由计 算机自动处理。图2 1 为本系统的总体设计方案。方案中，该测量系 统主要包括：u 型槽机构和数据采集、处理及通讯系统两大部分。 瞻号转换器卜_ 叫a d 转换器卜_ 叫工控机卜斗l 值班室l lll_ll i f i ii 尹匕li u 型槽 踏板及位移传感器 一 测量机构 ll 幸| l 图2 ，1 测量系统总体方案示意图 2 2 测量原理及测量机构 2 2 1 轮对几何参数的定义。4 北京交通大学硕士学位论文 轮对是机车车辆行走的基本部件，它由踏面、轮缘、辐板等部 分组成。车轮和钢轨的接触面称为踏面；为了防止车轮脱轨，在踏面 内侧制成凸缘，也就是图2 2 中左侧突起部分，称为轮缘；通过踏面 上距车轮内侧面7 0 m m 处至轮缘顶点的距离称轮缘高度。标准的轮缘 高度为机车轮2 8 m m ，车辆轮2 5 m m 。但由于列车行驶过程中踏面的 磨耗，轮缘高度会发生变化。 轮 缘 盲 径 图2 2 待测轮对几何参数的定义 轮缘直径是车轮包含车轮轮缘的滚动圆直径。 轮径是轮对的车轮滚动基准圆( 距轮辋内侧面7 0 m m 处) 的直径，左 右轮各个数值，公称值8 4 0 m m ，实际运用范围7 6 0 一8 5 0 m m 。 北京交通大学硕士学位论文 a 2 2 2 测量原理 么 梨偷 丫! i y 图2 3 测量原理示意图 b 测量采用“弦高法”，即固定弦长2 l 。轮缘直径不同的车轮从该 装置上面通过弦高h 会发生变化，由涡流传感器测量弦高h 的变化， 从而求得轮缘直径( 图2 3 a ) 。也就是公式： r 2 = r + ( r 一日) 2 ( 2 一1 ) 但是在实际的机车运行过程中轮缘与u 型槽机构的直接碰撞会给 测量机构带来极大的冲击与振动，甚至将机构撞击变形。因此我们在 原有方法的基础上加装减震轮，系统的示意图如2 3 b 所示。 系统要对轮缘直径进行测量，在列车行驶过程中车轮轮缘在钢轨 内侧随轮对整体转动前进，但与钢轨并不接触。车轮轮缘沿钢轨滚动， 在经过u 型槽机构时会在某一时刻同时与机构的两个转动圆及踏板相 切。也就是如图2 3 b 所示的几何位贾关系。 9 北京交通大学硕士学位论文 设r 和r 分别为车轮轮缘半径、机构转动圆半径，2 l 为测量机构 中两转动圆的圆心距，车轮轮缘圆心与两转动圆的圆心构成一个等腰 三角型，踏板与车轮轮缘切点到转动轮圆心连线的距离为h ( 随车轮轮 缘直径的变化而不同) 。 由几何关系可知： ( 外，) 2 = r + ( 外自) 2 ( 2 - 2 ) 孙轮缘半径只= 瓠笔七州 沼s ， = ( r + r ) 2 一r 一月 ( 2 4 ) 测量中采用标准轮比对的方法，首先通过轮缘直径为已知的标准 轮，再通过待测轮。设其直径、车轮轮缘切点到转动轮圆心连线的距 离、传感器的测量值分别为r i 、h i 、n l ，r 2 、h 2 、n 2 。 传感器的测量值反映了踏板相对于测量机构的高度变化量，易 知： 焉一岛= 呜一缟= 厅 ( 2 5 ) r l ，“1 ，n 2 为已知量由公式( 2 3 ) ( 2 4 ) 可得 如= + 码，= ( 且+ r ) 2 一r 一墨+ 鸭一n 2 ( 2 6 ) 恐2 等。：j i 二j i ：j ：赫一三。( r 十j i 币一r 1 + 啊一他) ( 2 7 ) 从而得到被测轮的轮缘直径。 由前面的车轮构造可知，车轮在钢轨上行进，踏面与钢轨相接触， 轮缘在钢轨内测沿着钢轨滚动。轮缘相对于与整个测量机构的最低 北京交通大学硕士学位论文 点是由轮缘高度决定的，踏板相对于u 型槽的位置变化是由轮缘直径 决定的。在实际的测量过程中轮缘高度与轮缘直径部是发生变化的。 因此若要保证轮缘同时与机构的两个转动圆及踏板相切必需要求u 型 槽与踏板的位置都能够发生变化。我们通过在两个位置加装弹簧实现 这一点。 弹簧2 ； 。弹簧 图2 4 u 型槽机构示意图 首先车轮轮缘接触转动圆，使整个u 型槽下移，随着车轮的滚动， u 型槽在弹簧1 的作用下上升，轮缘接触并下压踏板，在弹簧2 的作 用下踏板始终与轮缘保持接触，在中间某一时刻轮缘同时与机构的两 个转动圆及踏板相切，此时踏板相对于u 型槽下降到最低点，传感器 得到一最大测量值，最后车轮离开第二个转动圆，整个测量过程结束， 系统等待第二个被测轮通过。为了保证在车轮经过机构过程中的中间 时刻同时与两个转动圆及踏板相切在设计弹簧的刚度系数时要保证1 的刚度大子2 的刚度。 北京交通大学硕士学位论文 2 3 传感器的选择方案 从测量原理的分析可知在本系统中要使用位移传感器，采用的是 比较测量的方法。在测量计算的过程中我们需要的是标准轮与被测轮 分别通过测量机构得到的踏板高度变化量的差值，而不是踏板关于传 感器探头位置的绝对值。这样就避免了踏板由于轮对的冲击碰撞造成 的初始位置的高度值变化。 常见的位移传感器有，光栅位移传感器，电涡流传感器，激光 三角位移传感器，电容式位移传感器，自感式位移传感器等“，要做 出合适的选择一定要考虑测量系统本身的特点与铁路测量现场的环 境要素。由于轮对通过测量机构的时问短，会对轮对造成较大的冲击， 铁路现场环境比较恶劣，油污、天气等因素均会对测量造成影响，同 时考虑到测量精度的要求，磨耗大的接触式测量，以及响应慢，受振动 影响大、对测量环境要求高的测量方法都不能够满足系统的要求。鉴 于此，我们在系统中选择电涡流传感器，它的最大特点是非接触测量， 其优点是灵敏度高、结构简单，抗干扰能力强，不受油污等介质的影 响1 “。 电涡流传感器测位移的原理如图2 5 所示。 北京交通大学硕f 。学位论文 l 图2 5 电涡流原理 当线圈中有一高频电流通过时，便产生高频电磁场。如果线圈附近 有一块金属体，金属体内就要产生感应电流，这种电流在会属体内是闭 合的，且流动的路线呈涡旋形，故名涡流。 高频信号电流i 施加于邻近金属体一侧的电感线圈l 上，l 产生的 高频电磁场o i 作用于金属体的表面。由于趋附效应，高频电磁场不能 透过具有一定厚度的金属体，而仅作用于金属表面的薄层内余属体表 面感应的涡流ie 产生的电磁场中e 反作用于线圈l 上，改变其电感的 大小，电感的变化程度与线圈的外形尺寸，线圈至金属体之间的距离 d 、金属体材料的电阻率p 、磁导率u 、激励电流强度i 、频率f 及 线圈的几何形状等参数有关。假定金属体是均质的，其性能是线性和各 向同性的，则线圈的电感l 可用如下函数来表示： l = f ( p ，u ，i ，f ，r ，d ) ( 2 - 8 ) 当被测材料一定时，p 、u 为常数，在具体仪表中i 、f 为定值，传 感器制成后，r 也为常数。由此可见，如果控制p 、u 、i 、f 、r 值 恒定不变，那么电感l 就成为距离d 的单值函数。所以，只要测出线圈 电感的数值就可以确定线圈至金属之间的距离d ，即会属体的位移。 北京交通大学硕士学位论文 电涡流传感器的输出特性可用位移电压曲线表示 1 9 】。见图 2 6 ，横坐标表示位移变化，纵坐标代表传感器输出电压变化。理想的 位移一电压曲线是一斜率恒定的直线，直线的a c 为线性区，即有效 测量段。b 点为传感器线性中点。 2z1 21 *t卫 ab c 懂 图2 6 传感器特性曲线 _ _ 信号转换器； 被测件 图2 7 测量电路原理 当踏板与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的电感量发生 卫t t “口 日2 6 2 c 8 a 北京交通大学硕士学位论文 变化，电感量的变化引起了振荡器的振荡电压幅度变化，这个随距离 变化的振荡电压经检波、滤波和线性校工f 后变成了与位移成正比的电 压量。 在本系统中，我们使用清华大学精密仪器与机械学系生产的 q h 8 5 0 0 系列电涡流传感器。传感器的探头安装在踏板的下面，它由 绕在非金属骨架上的矩形截面线圈组成，外面由传感器壳体固定。初 始安装时与踏板相距1 2 m m 。 主要性能指标见下表19 】： 图表： 探头直径( m m ) 81 12 55 0 量程( m m )241 22 5 敏度( m v u m ) 8 4 0 8o 4 线性度 l土2 51 2 1 5 温度灵敏度c o 0 5o 0 5 o 0 4 00 5 8 稳定度( 年) 1l1l 频率响应( k h z ) 0 5o 50 50 5 温度探头c 1 8 1 7 01 8 1 7 0一18 1 7 01 8 1 7 0 范围前置器c3 4 1 0 03 4 l o o3 4 1 0 0 一3 4 1 0 0 表2 一l 涡流传感器主要性能指标 根据测量轮缘直径的变化范围与测量机构的尺寸我们选择直径 2 5 m m ，量程1 2 n u l l 的型号。 2 4 系统的机械部分 测量是由机械装置来保证完成的。该机械部分采用u 型槽定位机 北京交通大学硕士学位论史 构。该机构是整个测量系统的核心部分，它的设计与加工直接决定了 测量的精度。机械设计、安装主要考虑以下几个问题： 1 、实际轮缘直径的变化范围( 8 5 0 n m 卜9 5 0 h u n ) 设计合适的转动 轮尺寸及两轮的轮间距，关键是注意轮缘直径的变化范围内，在车轮 经过测量机构时踏板的高度差变化不能大于所选传感器的测量范围； 同时也要考虑传感器的最小分辨率、测量精度，使最终测量结果能够 满足轮缘直径的技术指标。 2 、轮缘在撞击机构时，同时带来了竖直和水平两个方向的冲击 力，为了避免机构发生水平方向的振动在踏板与u 型槽之问以及u 型 槽与基座之间加装直线轴轴承，保证机构只沿着竖直方向运动。 3 、当车轮通过测量机构，由于轮缘对转动轮的冲击作用，会引 起整个机构的振动，这种冲击振动不仅对测量系统本身造成一定程度 的损害，更为严重的是由于振动引起轮缘经过测量踏板的瞬间与之不 发生接触，产生一定的测量盲区，降低了测量系统的精度。因此测量 机构的整体在加工和装配必需保证一定的强度，特别是直接接触轮缘 冲击的转动圆，同时要选择合理的弹簧参数减小振动带来的误差。 如图2 8 所示，u 型槽的转动轮半径为3 0 m m ，两轮的圆心距 2 8 0 m m ，踏面长度1 5 0 m m ；u 型槽底部安装电涡流传感器与踏面底部 相距1 2 m m ，踏面顶部距转动轮顶部联机1 5 m m 。当轮缘直径在 8 5 0 9 5 0 m m 范围内变化时踏板的距离变化在传感器的量程之内，可以 满足测量的需要。 由测量原理可知，为了保证在轮对经过时车轮轮缘正确的下陷到 测量机构中，机构的安装与固定也是必需要高度注意的问题。 在实际的测量中，轮缘下陷的深度是由轮缘高来决定的，轮缘高 北京交通大学硕上学位论义 反映了轮缘最低点低于钢轨轨面的高度。通常的轮缘高度值在2 5 2 8 m m 由于车轮踏面的磨耗轮缘高度值会增加，因此要保正能够测量 2 5 3 2 m 的距离变化”“2 “。安装的情况如图2 9 所示。 机构的基座同钢轨固定在一起，这样能避免由于振动与冲击造成 的钢轨与测量机构相对位置的变化。初装时使踏板与轨面相距2 5 m m ， 左右转动轮与轨面相距5 m m ，涡流传感器的探头与踏板底面相距1 0 m ， 保证在测量的范围之内。 参数的设计是由列车轮对运行特点和几何形状决定的。 图2 - 8 u 型槽定位机构主视图 北京交通大学硕士学位论文 i川弗广一 一 图2 9u 型槽定位机构剖面图图 图2 1 0u 型槽定位机构侧视图 2 5 测量系统的软件设计 2 5 1 系统控制处理流程 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 北京交通大学硕上学位 e 丈 工作的。图2 ，l l 所示为系统控制处理流程图。在系统等待过程中，程 序自动完成系统自检及高速采集卡的仞始化工作，根据计算机发出的 指令丌始并不断采集传感器数据。资料经过a d 转换后输入计算及进 行分析处理。 e ：一 l m 叫 悫 图2 一1 1 控制处理流程总图 2 5 2 数据处理软件设计 测量数据处理系统使用计算机软件编制程序实现，要达到的目的 是：完成数据采集系统与计算机系统之间的数据通讯，并能在计算机 中实现对测量数据的处理、分析、存储、绘图等功能。本系统的使用 者是现场的技术人员，所以设计时更多地考虑软件的方便性，达到接 口美观、功能强大、操作方便。 在数据处理及其软件的设计过程中，注意到将软件模块化，将系 统设计成为由相对独立、功能单一的模块组成的结构，便f 维护、调 北京交通大学硕十学位论文 试及扩充。软件按功能可分为系统状态检查、系统初始化、通讯、数 据处理与分析、绘图、打印和文件管理等几个模块。数据处理的整体 结构如图2 一1 2 所示。 图2 1 2 数据处理软件整体结构 2 6 结合踏面磨耗擦伤动态测量系统测轮径 在铁道部“旅客列车入库客车轮对几何参数在线动态测量的研究 与应用”项目中，要完成对车轮轮径，轮缘直径，擦伤，磨耗等多个 参数的测量。在列车轮缘直径在线动态测量系统中主要完成对车轮轮 缘直径的测量，还可以进一步配合车轮踏面擦伤动态测量系统2 2 1 完成 对车轮轮径的测量。 2 6 1 擦伤磨耗测量原理 对踏面擦伤和磨损所采用的测量方法为位移测量法，即通过测 北京交通大学硕1 。学位论文 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2 1 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 对于钢轨的位置将低于一般车轮轮缘顶部圆周上的t 点。因此t 点位 置的变化信息包含了车轮踏面受损的信息。所以通过测得t 点的相对 位移，经修正后就可得到当前车轮踏面的磨损和擦伤值【2 ”。这种方法 配合位移传感测量技术，实现方便。 图2 1 3 车轮踏面擦伤和磨耗对轮缘下垂量的影响 2 6 2 车轮轮径的测量 利用上面的测量方法可以测得轮对的擦伤和磨耗，在前面介绍的 u 型槽机构可以测得轮缘直径。两者在测量的过程中都采用了标准轮 比对的方法，也就是先让一个参数已知的标准轮通过测量机构，获得 一个传感器的输出值；然后再让被测轮通过测量机构；通过两次测得 的传感器的输出值结合标准轮的参数就可以计算出待测轮的参数。根 据列车轮对的参数定义以及两个测量系统的测量原理，我们可以进一 步计算出车轮轮径。 设标准轮、被测轮的车轮轮径，轮缘直径分别为d 1 、d 2 ；d 1 、d 2 。 由磨耗的测量原理可知： 车轮轮缘下垂量岛= d l d ，岛= d 2 一也 ( 2 9 ) 北京交通大学硕上学位论史 磨耗量 s = 吃一矗= 皿一破一d l + 碣 ( 2 - 1 0 ) b 与s 可以由两个测量机构测得，d 1 与z 为已知量，带入上式 中就可以得到被测轮的车轮轮径吐。 北京交通大学硕1 ：学位论文 第三章测量系统的静态过程分析 对于本测量系统来讲，所谓静态过程是指在不考虑车轮对测量系 统u 型槽机构的动力作用产生的振动情况下，分析车轮经过机构的整 个测量过程，进而分析产生测量误差的各种影响因素。 3 1 理想状态下测量系统测量原理的理论分析 根据车轮对测量机构的作用，我们可以把测量系统的测量原理分 为如下几个过程来进行理论分析：车轮与左转动圆接触到车轮刚刚压 上踏板；车轮刚压上踏板到车轮与右转动圆接触前；车轮与右转动圆 接触瞬问( 此时轮缘同时与机构的两个转动圆及踏板相切) 到车轮脱 离机构。 对于如图3 1 所示的测量系统u 型槽机构，设点f 为坐标原点， 碰撞起始时刻闻，列车运行速度v 0 ，设左右滚动圆圆心及车轮轴心分 别为a 、b 、d ，踏板表面中点为c ，碰撞起始时刻轮缘与机构切点为 g 点，轮缘与滚动圆半径分别为r 、r ，a b = 2 l ，点c 到a b 距离 ，f a = m 。 在不考虑动力的情况下，车轮轮缘与左转动圆接触后两者不再分 离，由于车轮的向前滚动，使得整个机构向下运动。接下来计算特征 点的位置随时间的变化情况。 t = o 时刻，轮缘与转动圆刚刚发生接触，此时各个特征点的坐 标为 北京交通大学硕士学位论文 心、，一 譬、竹厂八f u 1 i 图3 1 碰撞起始时刻 爿 ( r + ，) s m 口，o 占 ( r + r ) s i n 口十2 工，o c ( r + r ) s i n 口+ ， d o ，( 足+ ，) - c o s 目 f 【o ，o 】 g 【r s i n p ，c o s 臼】 在列车通过机构的过程中，u 型槽机构只沿竖直方向运动，车轮只 沿水平方向运动，所以h k 在整个测量过程中不发生变化。 ，( 。，罢 时，此时机构在轮缘作用下下降，在t _ 景时刻车轮 圆心与与左转动圆圆心在一竖直线上，测量机构降到最低点。如图3 2 所示 北京交通大学颁士学位论文 图3 2图3 3 x 一x d = 小一吖= p ，n 一= g 根据几何关系易知 q ：、5 ：；i 而y a ：y d q = y by c y 。= i 将特征点的坐标表示为对间的函数为 y 。( f ) - 蜘一瓜i i 订( 3 1 ) 蜘( f ) = n ( f ) k ( f ) = n ( ，) + 7 ( 3 2 ) ( 3 3 1 ，i 竺，业1 时，机构随车轮的滚动上升，在f ：坐时刻 f 瞄炀- 蜴 北京交通大学硕士学位论文 轮缘开始同时与踏板、左滚动圆相切。邝：板i i 了二丽 设一心= v o ( r 一罢) = pl， y d _ y ：1 瓜而t q y c y = l 将特征点的坐标表示为时间的函数为 啪却8 一f i 两 ( 3 4 ) r 3 - 5 1 ( 3 6 ) r f 业，盟l ，机构继续随车轮的滚动上升，踏板相对于 l v 0v 0 j 机构下降，一蜘，传感器的示值开始发生变化，设传感器的示 值为s ( 在这里定义传感器的示值表示踏面中点c 到两个转动轮圆心 联机的距离) ，则s = 坛一n 。当t = 盟时，车轮轴心通过机构中点， p o 轮缘同时与踏板，左右两个滚动圆相切，踏板相对于机构下降到最低 点。此时 y c y = h ：厮面r 传感器的变化范围 s 【h ，f 】， 北京交通大学硕士学位论文 么 裂偷 丫：i h 丫 图3 - 4 在这个过程中矿 = v o ( 卜等卜= v o 旧) = p 一n = ( r + ，) 2 一p 2 = 9 s = y c y 。= 0 y d 一吣一y 4 y n y f = r ”，在此过程中不发生变化，踏板相对于坐标轴位置保持不变。 将特征点的牮标表示为时间的函数为 儿c r ，= ，。一止r + r ) 2 一v 0 2 ( r 一詈 2 蜘( f ) = ( f ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 北京交通大学硕士学位论文 儿( f ) = y 。一r = ( 月+ ，) c o s 目一只 ( 3 9 ) s(r)=cy。一只)y。c，)=zy。一月一j：_：i碉cs一-。， 将。 过程合并在一起，r e 巨等 时l v o v 0 j 瓣胪f i 阿 ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) f 。f 盟，三幽| ，轮缘脱离左转动圆，与踏板及右转动 lv 0 v 0 圆保持相切；轮缘随着车轮的前进轮缘脱离踏板，继续与右转动圆保 持相切：在f ：互! ! 二堂时刻，车轮与整个测量机构脱离，整个测量 v 0 过程结束。实际上在这个阶段中整个系统的运动隋况关于f ：垒三三旦 v 0 时刻是对称的。 北京交通大学硕士学位论文 图3 5 设y ( f ) = ) ，。( f ) f 与f ，关于t ：垒竺! 对称。 坤“等一卜等) _ 掣一t p 均 ( f ) = n ( t ) 至此测量机构在整个测量过程中的运动情况分析结束。 为r 更好的分析，再现实际的测量过程，将列车经过机构时的实 际速度，测量机构设计的具体参数带入前面分析的公式中，得出具体 的特征点与传感器随时间变化的函数图。 北京交通大学硕士学位论文 h e l c 虮tm 图3 6a 点位置随时间变化函数图 h e i q h tm i 八 影0 1 影0 2 t j i r es t ms 图3 7c 点位置随时间变化函数图 3 0 一 巧 m 屿 加 ， 山 山 珈 北京交通大学硕士学位论文 h e i o h tm 一 ： o 1 0 20 1 0 40 1 0 6 0 1 0 80 1 l 图3 8 传感器示值随时间变化函数图 考虑到测量机构是在列车入库的过程中完成测量，列车入库的速 度为5 k r r l l 1 5 l 【1 1 1 1 ，在这里取1 0 k i t 汕，也就是2 7 7 8 1 1 1 1 “s 。对于u 型 槽机构，f 3 0 m m ，l = 1 4 0 m m 。分析一个标准轮对经过测量机构的过 程，轮缘直径d = 9 0 0 m m ，即r = 4 5 0 m m ；轮缘高为2 8 m m 。设轮缘接 触左转动轮为测量的起始时刻到轮缘离丌右转动轮的一刹那为一个 完整的测量周期。由前面的测量原理分析可知轮对在整个测量周期的 总行程为 占= 2 ( 詹+ ，) s i n 护+ 三 ( 3 1 4 ) 根据轮对几何参数的定义通过计算的到 s = 2 f 而+ 1 4 0 1 z 5 7 3 6 l m m 经过机构的时间，zo 2 0 6 j 北京交通大学硕士学位论文 第四章测量系统的动力响应分析 通过测量原理可知，当车轮通过测量机构时，出于轮缘对测量机 构中左右转动圆的冲击作用，会引起整个机构的振动，这种振动不仪 对测量系统本身造成一定程度的损害，更为严重的时由于振动造成的 轮缘与踏板的瞬间不接触，产生一定的测量卣区，造成测量信号的误 报，从而降低了测量系统的测量精度。 为了提高测量系统的测量精度，除了要考虑各种静念误差源，还 必须对测量机构进行动力分析，为减小咀致最终消除动力作用对测量 系统的影响提供依据。 在本章中，将对测量机构进行动力分析，通过拟定机构的动力参 数，建立机构的动力模型，求解动力方程式得到机构的动力响应。 4 1 冲击载荷近似分析方法的概述 在求解机构动力响应的过程中，除了要建立机构的动力模型，还 必须要知道外界( 车轮) 对测量机构的激励作用，或者要知道机构振 动的初始状态。由于受到实验条件等方面的限制，我们无法直接得到 车轮对测量平板的动力激励，只能通过间接的方式，求得机构的自身 激励。 在该系统的研究中，轮缘对机构作用的机理是：存轮缘的冲击作 用下，机构离开平衡位置开始振动。当返回到平衡位置附近时再次与 轮缘相撞，再次发生振动，反复如此，直至振动最终衰减为零。根据 轮缘相撞，再次发生振动，反复如此，直至振动最终衰减为零。根挤 1 北京交通大学颐f j 学位论文 这个特点，可把测量机构的振动分为若干个周期来求解，从每一次平 板与车轮轮缘开始作用到下一次与轮缘作用之前为一个求解周期。最 后综合一起就形成机构动力响应的全过程。 对于每一个周期，轮缘对该机构的动力作用，可视为持续时间很 短的冲击载荷。计算这种载荷下反应的一个方便的近似方法，即将反 应分为两个阶段求解：第一个阶段为冲击载荷作用期间内的动力响 应。第二个阶段为随后发生的自由振动阶段内机构的动力响应。在第 一个阶段，机构承受载荷，从静止开始运动。由于冲击载荷的持续时 间很短，机构的位移状态与冲击作用之前相比，几乎不发生变化，所 以位移响应可以忽略不计。因此，速度的改变是反应的更有效尺度， 求解机构的动力响应，即主要是求解机构的速度响应。在第二阶段， 机构以冲击作用之前机构的初位移和第一阶段结束后机构的速度为 初始状态作自由振动。 求解该机构在轮缘作用下的一个周期的动力响应时，首先要建立 测量机构的动力模型，其次要根据冲击载荷作用的特点求解机构的动 力方程。 4 2 测量机构动力模型的建立 机构动力模型的建立，即是指建立机构的动力方程。( 动力体系 运动方程的建立，一般常用的三种方法有：利用达朗贝尔原理的直接 平衡法、虚位移原理以及h a m i l t o n 原理1 2 4 1 ) 。在本研究中，由于u 型 槽机构的转动轮、踏板、支架的刚度远远大于支撑弹簧的刚度，因此 可以视为刚性的。所以对于该机构，可将其简化为如图4 1 所示的双 自由度模型。设剐度系数为岛的弹簧支撑质量为聊。的物体，上面受到 北京交通大学硕i j 学位论文 的激励为f ( t ) 。在此物体上安装刚度系数为女：的弹簧和质量为的 小物体，上面受到的激励为e ( t ) 。码与基座间的阻尼系数为c 1 ，卅：与 肌。之间的阻尼系数为q 。于是系统就转化为具有两个自由度的振动模 型。质量m ，弹簧k ，阻尼c 便是构成振动系统并决定其振动特性的三 要素，外界的激励是产生振动并维持振动的条件。 在此系统中，质量储存的动能和弹簧 储存的势能在振动过程中互相转换，阻尼 则消耗系统的能量。在实际的机构中，u 型槽和踏板的位置在小范围内变化，弹簧 的刚度系数在整个过程中不发生变化：机 构的阻尼主要来自结构材料本身内部摩 擦引起的阻尼和结构各部件之间连接接 口的相对滑动产生的阻尼，也就是结构阻 尼，因此可将系统视为线性的。它的惯性 力、阻尼力及弹性力只分别与加速度、速 度与位移成正比。 4 2 1 等效质量的计算 图4 1 冲击作用简化 模型 在一股的振动分析中，往往需要将系统简化忽略弹簧的质量。图 4 1 所示的动力学模型中，物体码的数值可视为u 型槽的质量：物体 m 、的数值可视为踏板的质量，弹簧被视为无质量的。但由于踏扳的质 北京交通大学硕士学位论文 量相对较小，在确定鹄的数值的时候考虑弹簧的质量。在这里利用能 量法对弹簧的等效质量进行近似计算。 单独建立一个弹簧及踏板的模型，在平衡位置时弹簧的长度为， 单位长度的质量为n ，弹簧端点的位移为x ，a 为振动的振幅，并将 其视为无阻尼保守系统，其机械能守恒，即动能与势能之和保持不变 t + v = 常数 因此动能为零时势能达到最大值，将动能取最大值时的势能取作零， 乙= v m 。 由无阻尼自由振动系统的普遍规律 x = 爿s i n ( 毋i r + 臼) x = 一万oc o s ( 岔o f + 口) 对应的最大动能和最大势能为 乙= 圭槲2 吼2比。= 圭艇2 假定弹簧的变形与离固定点的距离考成正比，将微元长度d 善的动能在 整个弹簧范围内积分，并计算弹簧的动能z ，得到 l = 三局f 字 2 d = 三( 等) ；2 其中m = p f ，为弹簧质量，令弹簧的l 3 质量为弹簧的等效质量，则考 虑弹簧质量的系统总动能为r = 圭( 朋+ 等 ；2 m 为踏板的质量a 北京变通大学硕士学位论文 因此m ：的等效质量为m + 娶。 j 4 2 2 等效刚度的计算 ( 5 1 ) 在实际的系统中使用的是两个相同的弹簧以并联的方式连接机 构的各部分在模型的分析中则是单独使用一个弹性组件。这是需要把 组合的弹簧系统则算成一个等效的弹簧。这等效的弹簧的刚度和原来 的组合弹簧系统的刚度相等，也就是等效刚度。 等效刚度可由弹簧的受力与变形关系求得。由与并联的特点是弹 簧的变形相同而受力不等。设总的弹性力为p ，弹簧的形变为j ，两 根弹簧的刚度系数分别为k ，k 2 。 p 由于p = 岛占+ 2 占，故等