（物理电子学专业论文）列车轮对自动检测系统.pdf

y 7 7 孑j 易7 中文摘要 。 中文摘要 车辆轮对作为列车上重要的可互换走行部件，在铁路安全运输和速 度方面起着关键性的作用。目前，我国车辆轮对的检测仍停留在手工测 量阶段，技术落后、工作效率低。而日本、美国等国在轮对自动检测方 面进行了大量的研究，并研制出各种类型的检测装置，产生了巨大经济 效益。随着我国工业控制技术领域的巨大进步和市场的开放，给计算机 控制技术、信息技术在铁路系统的应用带来了前所未有的机遇。 本文介绍一种应用c c d ( c h a r g ec o u p l ed e vj c e ) 图像测量技术实现 列车轮对外形尺寸非接触检测的方法，并在此基础卜完成了“列车轮对 自动检测系统”软件的开发。本文首先介绍了“检测系统”的硬件组成， 然后针对由硬件装置误差引起的采集图像的几何畸变，采用二元多项式 方法对其进行几何校正，应用“统计均值法”对图像进行分割，求出车 轮踏面的各项参数。最后，建立数据库，实现数据的存储、编辑、查询 等功能。通过在实验室对标准物进行测试实验，得到测量结果并进行分 析，得出由软件系统求得的各项参数满足系统的要求，“列车轮对自动检 测系统”能够实现对列车轮对准确测最的结论。 关键词：轮对、非接触检测、图像处理、几何校诈 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a i nw h e e li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n t e r c h a n g e a b l ec o m p o n e n t s i nt h ev e h i c l e ，a n di tp l a y sac r i t i c a lr o l ei nt h es a f e t yo f r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n a n ds p e e d ，b u ti no n rc o u n t r y , t h ew h e e l s e ti ss t i l li nt h es t a g eo fm a n u a l m e a s u r e m e n t ，w h i c hi sb a c k w a r da n dl e s se f f i c i e n tw h i l ei nt h ed e v e l o p e d c o u n t r i e ss u c ha su sa n dj a p a na d v a n c e dr e s e a r c hh a sb e e nc o n d u c t e da n d l o t so fm e a s u r e m e n te q u i p m e n th a sb e e nd e v e l o p e d ，t h e r e f o r eb r i n g i n ga b o u t e n o r l n o u se c o n o m i cb e n e f i t s t h eh u g ep r o g r e s sm a d ei nt h ei n d u s 订i a l c o n t r o lt e c h n o l o g ya n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya sw e l la st h eo p e u n i n g u po f t h em a r k e th a v eu s h e r e di nu n p r e c e d e m e d o p p o r t u n i t i e sf o rt h ea p p l i c a t i o no f t h ec o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g ya n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ：ot h er a i l w a y s y s t e m t h i st h e s i sm a i n l yi n t r o d u c e san o n c o n t a c tm e a s u r e m e n to fw h e e l s e t d i m e n s i o n su s i n gc c di m a g em e a s u r i n gt e c h n i q u e a n ds o f t w a r es y s t e mo f t r a i nw h e e l s e tp a r a m e t e rm e a s u r i n gd e v i c eh a sb e e nr e s e a r c h e d a tf i r s tt h i e t h e s i sm a k e sa ni n t r o d u c t i o no ft h eh a r d w a r em a k e u po ft h e t e s t i n g s y s t e m ”，t h e na i m i n ga tt h eg e o m e t r i ca b b e r a t i o no fi m a g eg a t h e r i n gc a u s e d b yh a r d w a r ed e v i c ee r r o r , e m p l o y sm e t h o do fb i n a r ym u t i n o m l a lt or e c t i f yi t g e o m e t r i c l ya n da p p l i e s “s t a t i s t i c a la v e r a g em e t h o d ”t ot h ep a r t i t i o no ft h e i m a g es oa st oa c q u i r et h ev a r i o u sp a r a m e t e r so fw h e e lt r e a d e v e n t u a l l yi s e t u pad a t a b a s ea n dr a e i i z es u c hf u n c t i o n sa st h es t o r a g e ，e d i t i o na n di n q u i r y o ft h ed a t av i ac o n d u c t i n gt e s t i n ge x p e r i m e n to i ls t a n d a r do b j e c t si nt h e l a b o r a t o r ya n da n a l y z i n g t h et e s t i n gr e s u l t so b t a i n e d ，t h e s i sd r a w st oa c o n c l u s i o nt h a tt h ev a r i o u sp a r a m e t e r so b t a i n e db yt h es o f t w a r es y s t e m ，m e e t 中文摘要 t h er e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ，a n dt h et r a i nw h e e l s e ta u t o m a t i ct e s t i n g s y s t e mi sc a p a b l eo f r e a l i z i n gp r e c i s em e a s u r e m e n t so f t r a i nw h e e l s e t k e yw o r d s ：w h e e l s e tn o n c o n t a c yt e s t i n gi m a g ep r o c e s s i n g g e o m e t r i cr e c t i f i c a t i o n i i i 第1 章绪论 l 第1 章绪论 1 1 研究轮对外形几何参数自动检测系统的意义 铁路系统中，作为车辆走行郜主要部件的轮对是影确安全运行的一 个重要环节。轮对不仅承受着列牟的全部重量和自身的重量，而且还要 传递列车与钢轨间的驱动力和制动力。另外轮列需要承受很大的静载荷 和动作用力、组装应力、闸瓦韦0 动时产生的热应力以及f m 线通过时的构 架力、导向力、轮对本身旋转的离，i l , 力等。所以要求轮对必须保持良好 的技术状态，否则会严重影响行芊安全。而作为轮轨接触面的车轮踏面 和轮缘的几何参数又是判断轮刈技术状态的重要依抓，因此，对车轮踏 面和轮缘几何参数的测量一直是铁路部门密切关汴和不断研究的课题。 列车的高速、重载、高密度运行加速了轮对的縻损。而且，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，而引起轮对在4 九道上滑行或轮对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，使车轮的几伺形状发生变化。 所谓踏面“3 就是滚压在钢轨面上的接触部何。丽踏匦磨耗”，是指踏 面在工作过程中，沿车轮半径方向尺寸的减少。踏面的磨耗过大将产生 严重的事故隐患：踏面的斜度必然遭受破4 、，将引起蛇行运动的加剧， 使车辆运行平稳性，特别是横向平搦付下降：州叫，使轮对通过曲线钢 轨时，车轮产生局部滑行。这样不但增加运i t i j h 力和车轮与铡轨的磨耗， 而且影响行车安全”。使轮缘1 日对高度增加，极有可能切断鱼尾板螺 栓，从而造成车辆颠覆事故。加大车体匕一f 振动，易使车辆配件松动、 折断、磨损，并产生裂纹，降低了乘坐的舒适度，严重时更造成意外事 故。踏面损伤处与钢轨接触状态恶化，车轮转动时形成冲击，损仵深 黑龙江大学颂士学位论文 度越深，损伤面积越大，轴承所受的冲击力越大，不但缩短轴承的使用 寿命，而且极易造成热轴。 所谓轮缘“。是指为使车轮在轨道l 运行不致脱轨，而在车轮踏面内 侧设的一圆周凸起的凸缘。在正常 = 作条件下，轮缘的磨；j 并不严重， 轮缘只在车辆通过曲线或道龠时， 冈承受水平力的作用，与外轨内侧 面摩擦而产生磨耗。轮缘的磨损主嘎有j 种形式：轮缘厚度减小、轮缘 顶部形成锋芒和轮缘垂直摩耗”。轮缘磨损严重时，将会发生下列不良 后果：轮缘厚度磨耗变薄后，强度卜降，当轮对通过曲线或作蛇行运 动时，轮缘在来自钢轨水平力的作用f ，会导致崩裂缺损，甚至会造成 行车事故。轮缘顶部形成锋芒后，在轮对通过道岔时，可能挤开尖轨 而造成脱轨事故。轮缘垂宵磨耗超过限度时，其轮缘根- 鄙与钢轨内侧 面形成平面接触，当车轮通过道茼时，山于轮缘与钢轨接触处没有弧形， 就会使车轮碰击尖轨或梃e 撤叉心，1 司样会造成脱轨事故。 因此，通过对踏而几伺形状的榆洲可以及时了解踏面及轮缘的磨 损情况，以便采取适当措施保证午4 曲运行的安全性和平稳性。 至今为止，我国对轮对踏面的检测和诊断仍停留在手工测量阶段， 测量过程中的参数纪录也是靠手工充成。人工测量不仅繁琐、劳动强度 大( 两个人测量一组轮对需2 0 分钟) ，而且测量工具落后( 卡钳、直尺等) ， 不能消除人为的测量误筹。如果把计算机f 、e 用到检修环节当中，组成一 个以计算机为核心的自动控制测试系统，以便进行操作和数据处理，同 时运用强大的计算机网络可将所测得的数掘与其它测量环节相连，从而 使测试人员从复杂的劳动巾解脱求，也使得专业人员从繁琐的数据分 析处理中解脱出来，为榆修提供可靠的技术保证。由此可见，将计算机 应用到车辆段轮对踏面几何参数的检测当中，组成以计算机为核心的微 机控制测试系统具有非常重要的实际意义。 第1 章绪论 综上所述，列车轮划自动检测系统的开发，无论是在保证列车安全 运行，还是在提高轮对外形儿何参数检测a 劫化程度来说都有着重要的 意义。 1 2 国内外关于车轮外形检测技术的研究 国外从事轮对自动检测方葡的研究已经进行了很多年，在轮对的外形 尺寸检测方面进行了深入的研宄，拥有了较，k 熟的检测技术，开发 “了 适用于不同场合的动态静态自动检测产品。国内丌展轮刈外形尺寸检测 研究工作相对较晚，从9 0 年 tj l 始，经过十彰年的努力，提出了一些新 思路和新方法，研制出了不同类型的检测装冒但是没有形成广泛适用 的自动化检测产品，没有改变我罔轮对尺寸j i j 【月进行人工检测的落后状 态。 踏面损伤的车轮，其轮缘和踏面的几何自线相埘标准曲线而言有所 改变。因此，可通过检测踏可的儿何参数或踏面断面形状来了解踏庐的 损伤程度。概括起来，车轮踏丽嘧损检删的，i 法基本分静态和动态两种 检测方法“1 。 1 2 1 动态检测 动态检测技术实现了轮对的在线枪测，因此具有榆测速度快、效率 高、检测自动化程度高和不占用牟辆周转时州等优点。以f 介绍几种典 型的轮对外形尺寸动态检测技术， 1 接触测量法”1 接触测量法一般通过直接删嚣轮缘局度的蹙化帚柬扶得车轮尺寸。 它的理论依据是：车轮与钏轨的接触方式如j1 图所示，运用中的车轮， 其轮缘顶部a 点是不会被破、的，因此列牟轮踏而磨耗的测量就转换为对 a 点相对于钢轨的改变量的测量。根据这现象，只要测得轮缘高度的变 黑龙江大学硕士学位论文 一i - - i l i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 化量就可以得到当日u 车轮的客耗。悄况。使用接触方式进行车轮尺寸动态 检测的研究有：f = | 本北海通旅客铁道株式会社与住友金属工艺株式会社 在9 0 年代共同j i ：发的“便携式轮对主要尺寸及踏面形状测定装蔑“州”； 北方交大在9 0 年代l ，期提出的“机车轮对踏面磨耗自动检测新方法”1 和长沙铁道学院研究的“车轮踏而瞻耗自动榆测系统”“。这些“装置” 位移 专感器 f j l 一2 歧触删掣法l 门if f 原理图 和“方法”的i i 作原珲如罔卜2 所刁、，部是在测定基准位置上( 一般都是 轮缘) ，由可伸缩的各探头直接与被删定部位接触，根据探头的位移求出 车轮的主要参数。 第 章绪论 2 涡流法 前苏联于2 0 世纪8 0 年代初研制了利硝涡流检测变换器柬检测车轮磨 耗的“轮对踏面磨耗检测装置”。使用前需获得踏面鹏耗量与检测信 号振幅之间的关系，通过测量检测器输出的电瓜值术获得踏面磨耗量该 仪器对车速无限制，但其输m 端除输m 测量信号外还附带按一定规律振 荡的载波，其电压稳定性影响厂测量精度， 3 轨道电路中断时间法 该法的临界速度约为4 0k i n h 。踏而损伤的车轮存损伤处产生跳动， 使轨道电路短时中断，中断时f n j 作为判断踏由搠伤程度的依据由于中断 时间受车速及轴负荷的影响，所以必须依据车速来补偿、校准。根据该原 理，2 0 世纪8 0 年代初，匈牙利研制出了“k 。lu l n l ，u s 检测仪”，瑞典研制出 了“j u l 一4 0 0 检测仪”，但一昔的测帚= 精度均不高。 4 超声遥测法 俄罗斯于2 0 世 9 9 0 年代中期研制的“轮刈参数自动化检测装置”“1 能在车速不大于5 k m h l g , j - ，遥测传感器组，可测出距车轮各特征表面的距 离，经分析处理后得到轮径、轮缘厚度、踏而磨耗量及垂直磨耗量等。 5 冲击载荷法 这种方法的检测原理。“是通过检测i - g 曲通过时每一轮对与钢轨的载 荷值，由载荷值的异常情况判断踏面是否擦伤和擦伤的程度。美国于2 0 世纪9 0 年代中前期研制的“山猕系统”就是以俭测冲击载简来定量确定 车轮缺陷的“1 。该系统可自动5 & 下冲击载苘的大小，j 提供报告。在我国， 提出用“剪力法”来求得轮轨载荷值，斤目得5 , t j 了满意的结果。 6 图像测量法 随着c c d 技术的发展，c c d 图像测量技术在尺寸检测领域中得到了广 泛的应用“4 吖“1 。近年来，c c d n 像测量技术逐渐应用到铁路检测领域。 黑龙江大学硕士学位论文 这种方法大多是通过兕源照射被删物体，由一部或多部线阵c c d 或面阵 c c d 采集图像，再运用图像处砰相关知识对其进行分析和处理，最后获得 有用的数据。 目前，国外主要应喟这种删论丌发卅的车轮外形检测装置有：日本 于2 0 世 9 9 0 年代术研制的“牟轮躐f 酊形状自动测定装置”，由细带状激 光束、c c d 、车轮检测器、j 一步捡测传感器及遮光板组成3 。激光束照射 范围为通过的。个午轮。删量时光 u f 感器跟踪车轮轮缘，2 台c c d 高速拍 摄车轮被照部分散射光圈像，i f 尊帆逃行滤光和细线化处理，提取图像 中心线并计算车轮尺寸。澳大利亚j 2 0 世纪9 0 年代末研制出的“车轮实 时跟踪检测装置。咳装置能检测车轮断面形状、踏面磨耗及列车以 3 0k m h 速度行驶时车轮受冲击的偏移角度。机车进入榆测区时，光发射 器光源被切断，此时激光刚光币元投j 匕，照射车轮，c c d 摄像。 我国应用c c d 技术研制车轮动念捡测装置还处于起步阶段。至今还没 有能够推广的产品。侣存实验阶段已经有了突破性进展。如由西南交通 大学和兰州铁路局共同丌发的“j 几乍辆轮对检测装置”虽然还没有应 用到实际当中， 口已经通过j 现场 验，结果与预期结果完全一致。 1 2 2 静态检测 静态检测是指在列车静j e ( 如怆修) 时进行的检测“3 。与动态检测 技术相比，虽然这种方法仔住萧r l f _ l j 午辆周转时间的弊端，但它有精度 高、设备维护方便和使仔储车靴n ；息资料等优点。 静态检测技术经历了封l 槭量具删量、乜了量具测量和c c d 非接触式量 具测量等阶段。随着电子技术、传感器技术和光学技术的发展，机械量具 已有被电子量具和c ( j 叫 接触式量j i 昕驭代的趋势。下面主要介绍几种国 内外典型的测量产品。 第1 章绪论 1 机械式量具 目前我国普遍采用的l l j 一4 型铁道牟辆车轮第四种检查器“”如图 1 - 3 所示，就是机械式量具的典型代表。这类昼其虽然存在着工作量大、 图卜3l l 卜d 型馈馗7 l 辆下轮；b 仲博台器 检测速度慢和受人为因素影响大等缺点，但山f 它具有稳定性高、成本 低、携带方便等优点，在轮刺的定期检测中仍被广泛应用。 2 电子式量具 随着电子技术和传感器技术的发展，各罔研制出了多种车轮检测装 置。美国国际电子机械有限公司于8 0 年代未! 【月研制成功的“便携式轮径 电子测量仪”和“车轮轮廓测量仪”：匈玎利于2 0 世纪9 0 年代初研 制的“走行装置自动化珍断装置“；我困成都毫导科技有限责任公司 开发研制的l y 一6 1 0 系列的“便携式轮轨外形尺寸检测仪”，如图卜4 所示， 图卜4 成都主导科技有限责任公司 开发研制的便携式轮轨外形尺、_ r 检测仪 幽15 北京京大威科技发展有限 公几 制的轮对白动检测系统 和北京京天威科技发展有限公司研制的“轮对自动检测系统”，如图卜5 黑龙江大学颂士学位论文 所示等，都是通过各种接触式检测探头( 如爬行式接触传感器) 或非接 触式检测探头( 如激光传感器或感应1 t 移传感器等) 对车轮的轮缘踏面 部分进行扫描，再由电子设备对数掘进彳r 处理，最后得到车轮外形的各 种参数。电子式量具实现了车轮的自动化检测，提高了检测效率。 3 c c d 非接触式量具 c c d 技术和图像处理技术不仪在轮对外形的动态检测中得到了应用， 在静态检测中也被广泛应用。如h 本铁路于8 0 年代术期研制成功“轮对 自动检查装霄”“：北京凯瑞德图像技术有限责任公司开发的“轮对图 像自动检测系统”- ”“；以及大连理工大学丌发的“基于c c d 的火车轮对智 能测量系统”等都是应用各种不同种类的c c d 和图像处理技术相结合开发 出来的产品。这。一类型的量具不但实现了检修作业的自动化，提高了检 测精度，而且由f 这种景只具有非接触式的优点，使设备的使用寿命得 到了延长。 1 2 3 轮对检测技术的未来发展方向 轮对外形尺寸检测技术经j 力 r 儿f 一年的发展后已同趋成熟，从接触 式测量到非接触式测量，从机械，量具到r 乜了、光学式量具，形成了原 理各异、各具特色的检测技术。 v d 图像测量技术以其检测速度快、精度 高、自动化程度高等特点，无论葙静态检测还是在动态检测领域都日益 受到国内外的广泛火注，引领肴车轮外j 俘尺寸检测的方向。 1 3 本文做的工作 在“列车轮对自动检测系统”的研制丌发过程中，我主要负责软件 系统的设计。土要研究内容如下： ( 1 ) 对系统的硬件进行分析，找出其中引起采集图像几何畸变的原 因，并提出解决方法。 帮1 章绪论 ( 2 ) 基于图像处理理论的轮对参数检测软件的总体设计。重点研究如 何应用图像处理的方法校i t 月i 采集图像的几何畸变，并应用适当的方法 分割图像，获取车轮的几何参数。 ( 3 ) 建立数据库，实现数掘的存储、编辅、查询等功能。 黑龙江大学硕士学位论又 , 幂“- h - 2 章轮对基本知识 2 1 轮对介绍 轮对是直接与钢轨接触的列车机械部分，支撑着列车的全部重量， 列车的全部静载荷均通过轮对传给钢轨；另外列车与钢轨问的牵引力和 制动力也通过轮对传递，因此轮刈是列车走行部中极为重要的部件。 2 2 轮对的组成 轮对主要由午轴和车轮两部分组成“。，如图2 一l 所示，其中l 是车 轴，2 足车轮。 2 3 轮对各部分介绍 2 3 1 车轴 车轴主要分为滑动轴承车轴和滚动轴承车轴两种。 滑动轴承车轴如图2 2 所示，其中l 中心孔；2 - 轴颈前肩；3 - 轴颈 后肩；4 轮座前肩；5 一轮座后肩；6 - 轴身；7 - 轴中央部：8 轮座；9 - 防 第2 章轮对基本知识 尘板座；l o 一轴颈，1 卜轴领。 幽22 潲，力轴承干轴 滚动轴承车轴如图2 3 所示，其中l _ 中心孔；2 - 轴端螺纹；3 一轴颈 后肩：4 轮座自i 肩i5 一轮座后肩；6 一轴身；7 一轴中央部；8 轮座；9 一防 尘板座：1 0 一轴颈；l l 一卸荷槽；1 2 退刀槽；l ：卜防松板座：1 4 一防松板座 槽；1 5 一轴端螺栓孑l ：1 6 皮带轮安装座。 1 6 2 3 2 车轮 葛3 静4 5 车轮如图2 4 所示，其中1 轮缘；2 一踏面：3 一轮辋：4 一轮毂；5 - 轮毂 孔；6 一辐板；7 一辐板孔。 黑龙江大学硕士学位论文 图2 4 赞下车轮 为了使轮对在钢轨j ：运行平稳，顺利通过曲线和道衍，降低踏面和 轮缘糜耗，延长使用寿命。铁道私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而外形。 1 ，锥型( t b 型) 车轮轮缘踏面外形 锥型( t b 型) 车轮轮缘踏面外形如图2j 所示。 其外形特点是：轮缘厚度为3 2 皂米，轮缘高度为2 5 毫米，由轮背内 侧面测量至l j 7 0 毫米处的踏面上，此点称为基准线。由基准线起向左2 2 毫 米，向右3 0 毫米，合计5 2 亳水的部分上- 设自l ：2 0 的斜度，踏面最右边的 目2 - 5 锥型( t b _ j ) 车轮轮缘踏面外彤 第2 章轮对基本知识 一段设有l ：l o 的斜度。设有两个锥形斜面的理由是“1 ：当车辆通过f l 线 时，由于离心力的作用，轮对偏向外轨转动，为了使轮对顺利通过曲线， 就要设两个不同尺寸的直径，即内侧踏面的有径大于外侧踏面的直径。 这样轮对通过曲线时，外轨的车轮滚动要比内轨车轮滚动的长度大t 4 能弯转过来。此外，当车辆在直线上运行中，由于踏面上台斜度的关系， 使车轮可以经常地自动纠l 卜车辆中心线与线路中心线的差距。还由于踏 面外侧有l ：1 0 的斜度，使踏面外侧距轨面有一定的高度，可保证车轮踏 面巾部经过一定磨耗后，仍能安全地通过翁道，相对地延长了车轮的使 用时间。 2 磨耗型( l m 型) 车轮轮缘踏面外形 磨耗型( l m 型) 车轮轮缘踏面如图2 6 所示。 匹南d 7 - f 厂一r ! j v t o i 厂、弋 7 0 、 辱 斜鹰t 8 1 3 5 t j 蝗堡型曼蔓丛 f ! 丁 剧26 磨耗艰( l m 掣) 乍轮轮缘踏回 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 的运用是安全可靠的，存减少网周磨耗和轮缘磨耗以及减少旋削量方面 都取得了预期效果。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 于曲线上并产生较人的横向偏移时，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) 9 2 5 0 米的小曲线 黑龙江大掌硕士学位论文 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 1 0 0 米时，轮缘与轨道才能避免接触，冈此，磨耗型踏面轮对于列车通 过曲线及减轻轮轨磨耗是十分有利的。 2 4 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筹、轮轨外形及材质匹配 不合理、转向架技术状态不良、牵引装载定数过人、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冈，导致车轮踏面及轮缘山现磨损，使踏面的几何 形状发生变化。其表现形式主要有以下几种。 2 4 1车轮踏面圆周磨耗 车轮踏面圆周磨耗是指踏丽在丁作过程巾，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 7 所示。对于车轮踏面圆周磨耗来说， 图271 轮踏面吲周磨耗怙况( s m 是磨耗量) 其磨耗量几乎与走行公早- 成正比【2 i ，车轮踏而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，当车轮踏面圆蒯磨耗量达到 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。 第2 章轮对基本知识 2 4 2 轮缘磨耗 在正常工作条件f ，轮缘的磨耗并不严重，轮缘只在午辆通过曲线 或道筒时，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，轮秀j - 蛇行前进，轮缘麽耗不大。如果踏面磨耗严重或转向架 组装不正，轮对对于钢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、轮缘顶郜形 成锋芒和轮缘垂直磨耗。磨耗后的轮缘形状如图28 所示。轮缘磨耗过甚 肘，会产生我们在绪论巾介绍的那止严重后果。冈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( 在距轮缘琐部l5 - & 米处测量) 。 ( a ) 轮缘磨损变薄 k ( c ) 轮缘垂直磨耗 幽28 轮缘偏磨厉的形状 ( b ) 轮缘磨耗成锋芒 2 5 车轮外形尺寸的测量参数 如图2 9 所示，车轮外形尺寸的关键测量参数包括轮缘高度j 。轮缘 宽度l - 、轮缘磨耗b 、踏面圆周磨耗t 。、轮辋宽度l w 等。 黑龙江大擘硕士学位论文 0 圈2 97 f 轮外形关键八寸的关系 这些参数之m 有以下关系： l f w h l , - h 十t 。 ( 2 一1 ) 式中w 一轮缘宽度的标准值。 h 轮缘高度的标准值。 由公式( 2 1 ) 可知，若获得了车轮的实际轮缘高度l ，和轮缘宽度 b 的数值( 轮缘高度和轮缘宽度的水取方法参见2 3 2 节) ，轮缘磨耗h 和踏而圆周磨耗h 值也随之获得。通过这两个尺寸参数即可了解车轮的 磨耗情况及尺、j 信息。 2 6 本章小结 本章首先介绍了轮对的各组成部分，尤其划车轮踏而的分类和几何 参数作了详细n 勺说明。然后，介缁了车轮踏面损伤的表现形式。最后， 结介例图说明了，踏面各个参数的获取方法。 第3 章方案选择 9 9 3 章方案选择 3 1 设计要求 本文所介绍的“列车轮对自动检测系统”是为了提高车辆厂或车辆 段对轮对进行定期检查时的自动化程度而设计的。所以该“系统”应该 达到以下要求： 自动检测出车轮踏面几何形状的各项参数( 包括轮缘厚度、轮缘高 度、轮缘磨耗、踏面劂周磨耗和轮辋宽度) 。 测量参数的精度要优于目前人工检测的精度，误差小r0 5 毫米。 现场使用要求可靠性高，抗干扰能力强，能适应现场粉尘、震动、 噪音的影响，满足全线流水生产节奏。 测量结果能够显示和保存，并且按照一定规范打印。 建立测量结果数据库，方便对每一个车轮的应用情况进行跟踪。 根据以上设计要求，并参考绪论中所介烈的国内外车轮检测技术的 发展现况，选择以c c d 测量技术为基础，结合光学和图像处理方面的相 关理论束检测车轮踏面曲线，获得车轮踏面外形尺寸参数。并建立数据 库，可以对数据库中的数据进行查淘、比较和统计。 3 2 系统介绍 轮对自动检测系统是以计算机为核心的踏面检测i 几备，其功能及要 求是：轮对进入机台后，住计算机的控制下，自动完成从准备、检测、 剑检测结果分析、输出，及踏噍资料的存挡、打印、检索等一系列工作。 因此设备由机械系统、电气控制系统、c c d 成像采集系统和软件分析系 统等部分组成。陔系统的结构组成如图3 一i 所示。 黑龙江大学硕士学位论文 机械系统1 + 一电气控带。系统 1， 上 c c d 成像采集系统 图3 1 午轮踏面检测系统原理图 c c d 成像采集系统已经由其他老师负责设计完成，软件分析系统是 本论文的主要研究方向。下而分别对c c d 成像采集系统和软件分析系统 进行详细的介绍。 3 3 本章小结 本章主要介绍了系统的设计要求，同时参考绪论巾所介绍的国内外 轮对检测技术的发展现状，确定了以c c d 测量技术为基础，应用数字图 像处理的方法获得车轮踏而外形尺寸参数的方案。并对系统的总体作了 简单的介绍。 第4 章c c d 成像采集系统 第4 章c c d 成像采集系统 4 1 c o d 成像采集系统的检测原理 由光的直线传播定律”“可知，平行光水平照射在一个竖直物体上， 在物体另- n 的竖直像面上，能得到一个和物体等高的像。根据这一理 论，提出c c d 成像采集系统的原理：处在球而镜焦面上的点光源照射球 面反射镜产生准平行光，该准平行光从一侧照射竖立的车轮，在车轮的 另侧，同样是竖立的像面j ：获得等尺、j 的车轮踏面外形的影像，歼用 c c d 摄像头采集这个车轮踏而外形的影像，通过图像采集卡传输到计算 机，最后用软件获取车轮踏曲的有关参数。检测原理如图4 1 所示。 光源 像 球面镜 图4 一lc c d 成像采集系统的检测原理图 4 2c o d 成像采集系统的组成 c c d 图像测量技术是一种视频测量技术。这种技术的原理是：被测 对象的光信息通过光学系统，在c c d 光敏单元上形成光学图像，c c d 器 件通过自身扫描功能和光电转换功能将被测对象的空间光强分布转换成 时序的图像信号，并根据确定的时空参数问的相互关系获得物体空问分 黑龙江大学硕士学位论文 布状态数据”。 本c c d 成像采集系统组成结构框图如图4 2 所示。 爵目圈目圜 图4 2c c d 成像采集系统组成结构框图 其实际结构如图4 3 所示。 调节球面镜的螺丝钾 球面镄 卞轮懵光源 lt ：一一_ ：；：；：= = ；7 ， 取 7 一夕一：、i 、 t 一一二一一7 铲7 寸、n 厂、 一 ：球面反射镜 成傅 遗光板进轮u达到最大成像度的乍轮正常情况下的车轮 ( 1 ) ( 2 ) 图4 - 3 图像采集系统结构图 2 0 一 ( 3 ) 第4 章c c d 成像采集系统 光学系统由球面反射镜和c c d 摄像头的镜头构成，用来产生平行光 和采集图像；测量对象是竖立车轮处在车轮槽中的部分，经平行光照射 后在成像面上所成的像；c c d 摄像系统是c c d 摄像头中的面阵c c d ；图像 采集卡构成的图像采集系统把采集的图像转换成数字格式传输给计算 机。 4 3c c d 成像采集系统各组成部分的具体参数 1 成像面的宽度和高度 c c d 成像采集系统采用单面毛玻璃作为成像血，它的作用是显示车 轮经准平行光照射后所成的影像，所以成像面的宽度要比车轮的轮辋宽 一些( 轮辋宽1 3 5 m m ) ，考虑到轮子在定位时会在左右方向上有一定的位 移，把毛玻璃成像面的宽度定为1 6 0 毫米。根据c c d 成像面宽高比例是 4 ：3 的惯例“”，毛玻璃的高度定为1 2 0 毫米。为了很好的固定毛玻璃， 在其四周加上一圈宽度为1 0 毫米的衬框。成像面的实际结构如下图所 示。 图44 成像面实际结构 2 车轮槽的宽度和长度 在车轮槽中成像，可以极大的削减环境光和杂散光的影响，使目标 与背景图像间的对比度加大，简化目标提取的过程。车轮槽的实际结构 黑龙江大学硕士学位论文 如图4 3 所示，车轮槽两侧壁之问的距离应该等于成像面与其边框宽度 的和，即1 8 0 毫米。考虑到槽壁的厚度，车轮槽宽度定为1 9 0 毫米。 为了避免环境光的干扰，在车轮槽的后端( 靠近反射镜的一端) 设计 了一段长2 0 0 毫米的遮光板，如图4 3 ( 1 ) 所示。在遮光板和车轮槽的前 端( 靠近摄像头的一端) 之间是进轮u ，这是实际容纳车轮的地方。检 测车轮时，车轮的圆心对准进轮口的中心，进入到检测位置。 考虑一种极限情况，这种情况f 轮缘的影像正好与成像面的上边相 切，车轮达到最高的成像位置。如图4 5 所示。设此时车轮在槽内那部 分拱形的弦长为2 l ，如图4 - 6 所示，根据直角三角形j 条边之间的关系 18 n m “ i 斗f + j 业生h 图4 - 5 车轮轮缘与成像面上边相切图 i 1 1 2 0 m m i ， 得到如下的公式： l = 瓶孬二丽) = 3 0 4 2 l = b 0 8 r a m 即拱面的弦长6 0 8 毫米为了给车轮前后晃动预留出空间，车轮槽进 轮口的长度设计为7 0 0 毫米。再加上遮光板，车轮槽内侧长度定为9 0 0 毫米，考虑到槽壁的厚度，车轮槽长9 1 0 毫米。 m伽 一奉ii卜=_fil曼 图4 6 车轮槽分制车轮幽 3 - 光源的选择和光源高度、车轮槽高度 实际中不可能得到理想的点光源，为了实现点光源的效果，采用具 有小孔的“t ”形套管和卤钨灯来模拟。如图4 7 所示。应用“t ，型套 管还可以使光源在前端槽扳卜，做小距离的前后移动，有利于对反射光 的调节。卤钨灯具有亮度高、光通亮稳定、结构简单、成本低、寿命长 等特点，符合工业生产中能够长时问无故障连续使用的要求。 为了使光源产生的光线照射到反射镜的过程中，车轮不遮挡光路， 要求光源照射到反射镜f 边的光线在槽内车轮最高点的上方。如图4 3 和图4 6 所示。考虑车轮在槽中达到最高的成像位置，如图4 3 中虚线 车轮的位置。此时光线与车轮相切于a 点，但由于这是种极限情况， 黑龙江大学硕士学位论文 实际测量中，车轮位置总是低于这个极限位置。所以在计算中以跃度r 】 柬代替长度r 2 ( r l 、r 2 见图4 - 3 ) 。由照射到反射镜下边的光线、槽的侧 面底边、r l 和槽前端面近似构成两个相似三角形，根据相似三角形理论， 得到： 设光源距槽下边的距离是h 弦中点到槽后端的距离是3 5 0 * 2 0 0 = 5 5 0 1 3 0 ：5 5 0j h ：1 3 0 9 0 0 ：2 13m m h9 0 0 5 5 0 由上面的结果得出，光源应该距离槽底面不少于2 1 3 毫米。结合系统的 整体考虑，点光源的高度设定为2 2 0 毫米。 为了使设备的结构简单，把光源设计在车轮槽前端的槽端板上，所 以车轮槽的高度应该高_ 丁光源的高度，车轮槽内侧的高度设定为2 7 0 毫 米，考虑槽壁的厚度，车轮槽高2 7 5 毫米。 4 反射镜的参数 c c d 成像采集系统采用反射镜来获得平行光。在设计反射镜的时候， 要求反射镜的中心、成像面的中心和c c d 摄像头镜头的光轴在一条直线 上。并保证点光源照射到反射镜中点a 的光线经过反射能够照射到成像 面的中心点r 处。如图4 8 所示 图4 - 8 光学系统的要求 因为系统的成像而采用的是方形结构，所以反射镜也采用方形结构。 第4 章c c d 成像采集系统 为了使成像面能够充分成像，反射镜的尺寸应该稍稍大于成像面的尺寸。 因此反射镜的宽和高分别没定为17 0 毫米和1 3 0 毫米。 由轴外一点照射反射镜来获得平行光的理想选择是抛物面反射镜， 但由于抛物面反射镜的成本高、制作起来难度很大等原因，实际中选择 的是球面反射镜。另外如果光源相对于球面反射镜的光轴偏离很远，就 得不到理想的平行光。综合这两点考虑，要求在不遮挡光路的前提下， 光源尽量接近球面反射镜光轴焦点。考虑到光源位置的可调解度小，采 用调节反射镜的方法。把反射镜安装在车轮槽的后端槽板上，如图4 - 9 所示，用4 个螺丝钉对其进行崮定，这4 个螺丝钉还具有调节反射镜的 图4 - 9 安装在车轮糟厉端板上的反射镜 角度和前后距离的作用。这样通过调节反射镜的角度和远近，来获得近 似的平行光。如图4 一1 0 和43 所示。 图4 一加可调节的反射镜( 右图白圈指示了螺丝钉f 勺具体位置) 设计过程中，虽然光源不能理想的位于反射镜光轴焦点处，但要尽 量接近焦点，考虑到光源偏离焦点的距离相对于球面反射镜曲率半径的 黑龙江大学硕士学位论文 实际尺、j | 非常小，所以在设计球面镜的曲率半径长度时，近似的认为光 源在球面镜的光轴焦点上。参考本系统点光源的位置和车轮槽的长度， 选取球面反射镜的曲率半径为9 3 0 毫米。 5 g o d 摄像头的选择 c c d ( c h a r g ec o u pl e dd e v ic e ) 是电荷耦合器件的缩写，它是一种特 殊半导体器件。光学系统将物体的影像成像在c c d 光敏单元上，c c d 摄 像系统将光敏单元上的光学图像转换成视频信号供后续单元分析处理。 c c d 摄像器件是c c d 摄像系统的核心器件，也是整个磨耗鼍检测单元的 核心检测器件。 c c d 摄像头由摄像机和镜头两部分组成。 摄像机的选择 “列车轮对自动检测系统”的测量对象车轮踏面，经光学系统在 成像面上形成二维的光学图像，所以采用面阵c c d 摄像机作为检测器件。 考虑到精度要求，选用台湾敏通公司生产的i d t v 一1 8 8 l e x 型号摄像机。它 采用1 3 英寸c c d ，有效像素为7 6 4 * 5 7 6 。 镜头的选择 在选择镜头时，考虑到以下因素：在短物距下获得大范围视场：在 车轮检测现场，光源亮度不会出现火幅度变化：制造成本的问题。所以 在设计c c d 成像采集系统时选择了焦距为1 2 毫米手动光圈的短焦镜头。 6 c o d 摄像头的安装位置 由于c c d 摄像头的拍摄对像是成像丽上的影像并且为了避免外界杂 光的干扰，把c c d 摄像头安装在靠近成像面，一端具有广角丌口的方管 中，如图4 一l l 所示。方管中摄像头的轴线应该与成像面的中心线在一条 水平线上。设计时使方管的尺寸稍稍大于摄像头的尺寸，以便摄像头在 第4 章o c d 成像采集系统 上下方向和前后方向上可以做小范围的调节。 图4 1 1c c d 摄像机和j 几管 7 图像采集系统 由c c d 输出的模拟信号，需要由图像采集卡进行a d 转换变为数 字信号，经总线传输到计算机中。本系统采用的是科技嘉仪器仪表有限 公司生产的c a c p e 一1 0 0 0 图像采集卡。现对陔卡的技术特点”及使用方 法介绍如下。 ( j ) 技术特点及指标 c a c p e 一1 0 0 0 图像采集卡是基于微型计算机p c i 总线结构的彩色( 黑 白) 图像采集( 及前端处理) 卡。它采用先进的数字解码方式，将标准 输入的p a l 制、n t s c 制式或s e c a m 制的复合彩色( 或黑白) 视频信号或 s v i d e o 信号( 即y c 分离信号) 数字化，经解码后转换为适于图像处 理的r g b 一2 4 b i t s 格式的数字信息，然后通过p c i 总线实时传送到p c 机 系统内存( 或视频显示缓冲区) 。该图像卡结构框图如图4 一1 2 所示。 其技术参数如下： 标准p a l 、n t s c 或s e c a m 制彩色黑白输入信号。 六路c v b s 输入选择或三路y c 输入选择。 亮度、色度、对比度软件可调。 采集图像大小、位置、压缩比软件设定。 图像采集显示分辨率最大7 6 8 x5 7 6 3 2 b i t 。 黑龙江大学硕士学位论文 l 支持8 b i t 黑白格式 采集的图像由v g a 卡显示，实现图像和菜单同屏显示工作方式。 灰度精度1 2 5 6 ，点阵扰动( p i x e lj it t e r ) 不大于l o n s 。 可按单场、单帧、连续帧及间隔几帧等方式采集，连续相邻帧 的图像精确到帧。 一路辅监输出。 可稳定接收录像机视频信号。 提供d o s 、w i n d o w s 3 x 及w jn d o w s 9 5 环境下的开发库。 v i d e o l v i d e 0 6 网4 1 2c ac p e 1 0 0 0 图像采集卜结构框图 从结构框图可以看到，c ac p e - 1 0 0 0 图像卡可以很好地完成实时图 像的解码及前端处理，从而可以与微机已有的资源形成一个比较完整的 实时图像采集处理系统，如图4 一1 3 所示。c ac p e 1 0 0 0 图像采集卡采用 以采集卡为主的总线控制技术，网像传送速度高达6 0 m b s ，可实现摄像 机图像到计算机内存的可靠实时传送，连续相邻帧的图像精确到场。由 于采用了高精度g e nl o c k 技术和线性筘位技术，所采集的图像点阵位置 第4 章c g d 成像采集系统 精度高，a d 转换后的数字视频信号误差小，适用于