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西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 轮对作为铁路车辆重要的可互换走行部件，直接关系到行车安全。我国 铁路车辆部门对各型轮对的磨耗限度均有明确的规定。目前，我国铁路车辆 轮缘几何参数、轮对尺寸参数和踏面缺陷参数测量大多还停留在手工阶段， 特别是列车提速以后，现有检测方法已不能满足车辆段修的要求，需要研制 一种较高精度和可靠性的轮对综合参数自动化检测系统。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。 本文针对轮对检测的关键技术问题，应用一种新颖的能量传递时差分析 方法【1 】。在系统设计要求的基础上，进行了系统的总体方案和物理模型的设 计。在系统的组成结构设计中，电涡流传感器的引入，使系统较之其它同类 型的测量装置有了更好的抗干扰的性能。定位传感器的引入，简化了系统的 软件工作。同时按转向架为单位来采集数据，使采集的数据量大为减小，数 据处理方法更简单，轮位判断更准确；引入停机算法，避免了以往系统靠人 工停机或在程序中按估计的采集时间来停止采集，致使采集很多无用数据。 在系统的软件设计部分，本文采用了先采集后处理方案。数据采集模块 负责采集各个传感器的数据、检测传感器状态和判断停机。数据处理模块的 设计包括振动波的判断、擦伤轮位的判定以及擦伤深度的计算。由于本系统 的主程序采用v b 编写，而数据采集模块和数据处理模块采用动态链接库技 术，利用v c + + 6 o 语言将其编写为提供函数调用的动态链接库。 在系统设计完成以后，在实验室中进行了测试，证明本系统总体设计合 理。由于缺乏现场测试条件，计算擦伤深度 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研制铁道车辆踏面擦伤智能定量检测系统的意义 车轮是机车车赣走纾熬重要邦 譬。在捌车运行j 篷疆孛，车轮踏嚣零嚣务 种原因而出现局部擦伤或剿离，此类现象统称为率轮擦伤f 2 l 。带有擦伤车轮 的机车在线路上行驶时会产生周期性的噪声、轮轨冲击力，这种噪声不仅会 瓣乘车舒适发及周边环境等产生极其繇劣静影响；蕊且，轮轨冲击力沿道廉 囱路基静雨露传递破坏力，使锈辘、漓凝土鞔魏辩疆戆重要器鬻之一，势藤 这种冲击力也是造成轮轴疲劳冷切，轴承破损的重爱原因，特别是在高速黛 城釉擦伤程度加深的条件下，这种高强度冲击荷载的破坏性更强。耳前车辆 梭修帮门对蹬甏教簿我检旋仍然是逶逡麓检久虽静海疆霾 鋈| | 终鬈辩酶锤敲或 牮辆运行时听音检查来判断擦伤深浅，这样的劳动强度大，漏梭率高，技榆 时间长，不能适应铁路现代化的发展需要。因此对于车辆段来讲，研制一种 奄轮踏瑟擦终镞橇叁动稔溯系统，塞凌遮实瑰对副车动态捡溺，避露操 搴移 数据处理，对及时准确发现轮对踏面故障，提高攀辆检修质量，缩短技检时 间，加速车辆周转，改善运行条件，降低劳动强度，同时运用强大的计算机 瓣络可将瓒溅麓数据霸赡瑷结果露其它测量环节桷联，可驭对运行孛豹任意 一个轮对从篡出厂至i 最蜃报废的整个过程进行全瑟的跟踪，从蕊对它的整个 邋用情况有较全面地了解，进而对轮对接触几何关系作进一步的理论研究， 隽提出更合骥的踏面，孰疆形状奠定纂础，确保列举运行安全共有菲常重爱 的实际意义。 另外，轮对几何参数自动测量装鼹的研制也怒我国数字化铁路的一个发 展方向。数字化铁路的实现对我国铁路事业的发展具有非常重黉豹意义，对 予车辆裣掺部门来谤，数字纯静实褒瓣麸磊蔻颈貉修舞将来状态修蒙遘渡蠢 潜积极的意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 综上所述，研制铁路车辆踏面擦伤的智能定量测量装置无论在科学研究 车辆段检修，还是在数字化铁路等方面都有着重要的理论和现实意义。 1 2 国内外关于车辆踏面擦伤测量的研究现状 在国外，早已认识到踏面擦伤给机车安全运行带来的危害，并进行过不 同程度的实验测量与研究，其中开发利用较早的国家有德国、瑞典、美国、 日本、俄罗斯等。近几年我国在这方面的研究已取得了长足进步。目前国内 外对车轮踏面擦伤的检测方法可分为静态检测和动态检测，前者是指机车车 辆在检修时进行的测量，后者是指机车车辆在运行时进行的测量吲。 1 2 1 静态检测技术 静态检测技术经历了机械量具测量和电子量具等阶段。随着微电子技术 和可编程技术的发展，机械量具已逐渐被电子量具所取代。下面主要介绍几 种国内外典型的测量产品。 ( 1 ) 美国便携式车轮断面测量仪 美国国际电子机械有限公司于8 0 年代末期研制成功便携式车轮断面测 量仪【“。这种仪器可在2 s 的时间内测出轮缘厚度和踏面磨耗等数据，并能打 印记录结果，使用非常方便。在进行任何测量工作以前，2 组控制机构可确 保仪器放在车轮的正确位置，因而测量精度高，该仪器可在任何照明和气候 条件下正常工作，测量数据可以自动传送到计算机进行处理。 该公司还于同期研制成功便携式的车轮轮廓测量仪。轮廓测量仪能够提 供完整的轮缘和踏面的数字化断面，可以随时精确的测定踏面各点的磨耗量， 仪器还能为评价改变车轮踏面形状，更换车轮的整修计划以及不同轮缘润滑 技术的效果提供所需的数据。 ( 2 ) 芬兰车轮外形测量仪 芬兰铁路在9 0 年代初研制成功车轮外形测量仪器。该仪器可以测绘磨耗 车轮的外形并将测得的数据与存储的参考数据比较，进而计算出车轮外形参 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 数并对透隈袋怒疆车轮发爨修理臻令。纹器能在魏3 s 静露阕泠溅量1 0 0 0 个 点。每2 点的间隔仅有0 1 0 姗。测量装置用永磁铁安装在车轮上，包括齿轮 和齿条的测嫩架可在车轮踏面上移动，传感器和直线型滑杆负费采集数据弗 健绘控裁装豢。诗算飘稷黪跫车轮势影黢大3 落、毒嫠或l o 绩，势淡委豫藏 数字形式显示蹬来，另外还可以直接从控制装置或计算机绘出牮轮形状或抒 印测量结果。 ( 3 ) 蜀零轮对壹动j | 裘溯装置 日本铁路予8 0 年彳弋米期研制成功轮对自动检溺装置【1 锵。溺转向架解体 厝，装置可同时检测轮对2 个车轮的外形参数。设装置由2 支平行光源、2 螽e c d 摄像桃、控制处理机构和外部设备组成。豢轮对沿垂直方向以较低的 迷度匀速升黯辩，摄豫枫可以拍摄左蠢车轮兹外形轮臻，经谤冀杭蚕像处瑷 厝，可以得出相关参数。测量误差小予o 2 蛐，测嫩时间较长约2 0 分钟对。 该装置不仅实现了检修作姚自动化，提高了检测精度和可靠性，而且极大地 羧善了终堑舔境。 ( 4 ) 我嘲关于轮对几何参数的静态检测 我国在轮对几何参数静态检测方顾的研究也较多，比较成功的有： o 手持式牵籍路嚣溅豢纹 该装置采用旋转坐标，它由手持式专用测量机架和智能测爨仪组成b ”。 机架有2 个摆动式测量乎臂、1 个带磁性小轮和固定支架组成( 图卜1 ) ，测 爨瓣，首先将溅量规架安装在符测车轮上，税架俊嚣磁锢吸力疆定在车轮上， 使两个测量储在初始位鬣黼侧摆动，建立坐标系的角度零位鬣。然后将小轮 放置在车轮液面上，按下测量按钮后，从左到右( 藏相反) 推渤测量头，此 辩，在智能测量纹的屏幕上将会自动黧现测量小轮轮心戆轨迹，莠次按下测 繁按锰后，群幕将出瑗零轮鍪面益线鞠有关参数，并且车轮黧瑟的数器就会 自动存盘，邀就是一次测艇，整个过程大约需要3 5 秒时间。 此装置小巧便于携带，测量速度快，适合现场使用，精度较高；无模拟 髂譬密矗圆转换兹零漂、激漂，挠魏毪好，数据稳定，灞量误差大约麓0 ，0 5 麟。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图卜l 手持式车轮踏面测量仪 扫描式的地铁车轮测量仪器 专利c n1 2 5 6 3 9 7 a 公告提供了一种扫描式的地铁车轮测量仪器如图 卜2 所示，属接触式测量设备。装置由测量头、位移传感器、转动装置、测量 图卜2 地铁车轮踏面形状检测 霖凑交逮大学硕士磷究生学位论文第5 茭 头自动升降装置、定像漩置以及电脑控制系统维成。能转韵装置、测量头自 动升降装置、定位装鬣以及电脑控制系统组成。能动态显承踏面形状、轮缘 厚度、凸面高度，形状曲线上任意一点x ，y 坐标及该点与标准形状或磨损后 形状之闻豹偏差等。识谯测量过程中，当测头辅线不与轮缘黪糕嚣垂直或被 溅袭蠢特翔褪糙跨，溅获容易蒺嚣，瑟终该溅量饺苓能涎豢耱赣淳疫，在车 轮裔辗宽情况下也无法测量轮惘宽度，装嚣结构较大，测鬣时需要人工定位， 操作麻烦。 囝北京新联铁科贸有限公司等单位研制的车轮磨耗参数线阵面阵c c d 测 量装鬻如图卜3 所示，绘出的测量精度：麟西磨耗的精度为o 1 糊。但该装 羹壤稳复杂、残奉褰，彗乏终，缓菸e e d 党滚无法鞭先标定，暴统谖试嚣难。 图l 一4 采蘑c e d 方式懿轮对鲁动测量装置 1 2 2 动态检测技术 动态检溺耋动健缓度高，不占车麓鼹转对闻，便于枣锉信息资辩，近 2 0 年采受囊各重酶嚣旎。对车轮井形参数施戳动态检溅，哥以随车形式或遗 蕊测蹙形式。随车测爨型就是在机车车辆上安装车轮外形参数的测量系统， 虽然能够做到实时监擦，但需为所有的率辆都安装传感器，不经济也没必要。 据资料检索，目前仅旃豳本铁路对新于线电动车组开发使用了随车式车轮磨 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 耗形状检测装置。地面测量型就是在线路上固定安装车轮外形参数的测量系 统，对于大量正在运用的机车车辆而言，这种地面动态测量系统最为理想。 下面主要介绍几种典型的地面是检测装置。 ( 1 ) 俄罗斯轮对参数自动化检测装置 俄罗斯的思维尔德洛夫斯克铁路局在9 0 年代中期采用无接触式超声波 测距法研制成功轮对参数自动化检测装置。当机车车辆以不大于5 千米小时 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。其测量误 差分别为：轮径误差不大于1 衄，轮缘厚度误差不大于o 5 咖，踏面磨耗误差 不大于o 3 0 哪。整套装置由布置在左右钢轨上传感器组件、地面测量单元、 数据传输线路、操作控制单元和外部设备等组成。多通道的传感器组利用卡 座紧固在轨底的内表面上，其作用是将车轮的机械参数转化成电信号：地面 测量单元完成传感器信息的收集和模数转换等工作，并通过双线数据传输线 路与操纵控制单元连接，传感器组与地面测量单元之间的距离可达到2 0 米； 操纵控制单元包括微机、显示器、键盘和供电组件等设备。微机负责处理由 地面测量单元传送的数据，并将被检车轮的轮廓外形变换成相应的数据块， 以便观察和获得车轮的磨耗状态，所得的信息资料可以清晰地呈现在显示器 上，地面测量单元与操纵控制单元之间的距离可达到5 0 0 m ；外部设备包括中 央计算机和打印机等，中央计算机可动态管理和集中检查全部车轮的外形数 据，打印机则可将检测结果文件化。整套装置由交流2 2 0 v 电源供电，所需功 率小于2 0 0 w 。它可在车轮运动的情况下测出车轮的外形轮廓，然后将该踏面 外形同存储的标准踏面外形比较，得到有关车轮磨耗的数据信息。现场试验 结果表明，该装置具有很高的稳定性，可以保证车轮外形参数测量所必需的 精度。全部检测作业均自动完成，无需操作人员的参与，机车轮对参数测量 信息的传送根据查询请求进行。 ( 2 ) 罗马尼亚车轮外形磨耗自动检测装置 罗马尼亚铁路在9 0 年代研制成功车轮外形磨耗自动检测装置。检测过 程是利用采集图像的闭环系统和数字处理的视频测量系统来记录列车车轮的 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 外形图像，并在通过计算机确定车轴序号的同时，直接在图像上进行测量， 然后打印和处理影响运行安全的危险情况。装置由测量和控制单元、c c d 摄 像单元、连续缝隙光照单元、车轮导向单元、图像采集单元、微机单元以及 数据传输单元组成。当机车车辆以限定速度( 1 0 一1 2 k m h ) 运行时，安装在轨 道上的检测设备可捕捉所有车轮的外形轮廓，在计算机程序的辅助下，可以 得出车轮外形的磨耗参数并做出判断和进行处理。经常使用该自动检测装置 监测车轮外形的磨耗状态，可以防止车轮在两次定期修理期间各种缺陷的产 生，同时还可为诊断车轮技术状态，预测车轮使用寿命提供详尽的信息资料。 ( 3 ) 美国车轮自动检测系统( 删i s ) 美国l o r a m 公司于9 0 年代中期研制成功两种形式的车轮自动检车系统， 低速检测型和高速检测型【”1 。低速检测型可在列车运行速度不超过8 k g h 的 情况下输出图像、图表和统计数据：高速检测型可在列车运行速度不超过 7 2 k g h 的情况下打印出测量数据和报告。现场试验的结果表明，这套系统可 以自动测量列车的通过速度，具有连续图像采集、连续数据处理和车轮计数 等功能，可以测量轮缘厚度、踏面磨耗和车轮直径等参数，同时在精度以及 方便性和安全性等方面均能满足使用要求。 ( 4 ) 我国关于车轮参数的动态自动检测 国内开展轮对外形尺寸检测研究工作相对较晚，从9 0 年代开始，我国 铁路工作者在车轮参数的动态自动检测方面也作了大量的工作和相关的研 究，提出了一些新思路和新方法，研制出了不同类型的检测装置，但是没有 形成广泛适用的自动化检测产品，没有改变我国轮对尺寸定期进行人工检测 的落后状态。 1 3 本论文研究内容与工作 本文在广泛收集了国内外关于铁路车辆踏面擦伤测量研究资料的基础 上，在总结以往系统的不足的经验，提出了一种新的动态自动测量方案，确 定其设计要求，然后比较了几种检测系统结构后，采用集中式检测结构方案， 并在此基础上进行了系统的总体方案和物理模型的设计。从系统设计的角度 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 考虑整个测量装置，并应用相关的理论知识对该装置进行了理论分析。 在本文的系统的软件设计工作中，根据本系统的检测结构，在软件设计 中采用了先采集后处理方案。根据该方案进行了数据采集模块的设计和数据 处理模块的设计。在数据采集模块中，包括停机算法的设计和实现、传感器 状态的判断、采集数据的存储等；在数据处理模块中，包括振动波的提取、 擦伤轴位的判定、车轮重量的计算、擦伤深度的计算及检测结果的存储。本 文比较了当前流行的开发环境和开发工具后，系统采用了在w i n d o w s 2 0 0 0 平 台上，利用v b 6 o 编写主程序，利用动态链接库技术在v c + + 6 o 开发工具中 将数据采集模块和数据处理模块创建成动态链接库供主程序调用。 在系统设计完成后，在实验室进行了测试，证明本系统总系统设计的合 理性。由于不能进行现场调试，有些参数不能配置的更贴近实际条件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 轮对介绍 第2 章轮对基本知识 轮对是直接与钢轨接触的机车机械部分，支撑着机车的全部重量，机车 的全部静载荷均通过轮对传给钢轨：另外机车与钢轨间的牵引力和制动力也 通过轮对传递，因此轮对是机车走行部中极为重要的部件。轮对承受着复杂 的外力：首先，牵引电机的转矩经过轮对作用于钢轨，产生牵引力；其次， 当机车沿着轨道运行时，轮对还刚性地承受来自钢轨接头、道岔及线路其它 不平顺的全部垂直方向和水平方向的作用力。所以轮对质量的好坏直接影响 着行车安全，我们应对轮对的制造和维护给予高度的重视。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：另外列车与钢轨间的牵引力和制动力也通过轮对传递，因此轮 对是列车走行部中极为重要的部件。 2 2 轮对的组成 图2 1 轮对立体圈 轮对主要由车轴和车轮两部分组成”】，如图2 1 所示，其中1 是车轴 轮对主要由车轴和车轮两部分组成”】，如图2 1 所示，其中1 是车轴 2 是车轮。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 聪 2 。3 轮对冬部分奔绍 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。 滑动轴承举轴如图2 2 所示，其中卜中心孔；2 一轴颈前肩：3 轴颈后肩； 4 一轮壅兹窟；s 一轮座嚣定；s 一辘身 ? 一霉壅孛夹蘩；8 轮座；9 一茨尘援痊；l o 一轴颈；l l 轴领。 l 图2 2 滑动轴承车轴 滚动轴承车轴如图2 3 所示，其中卜中心孔；2 一轴端螺纹：3 一轴颈后肩； 喽一轮座蓑j 砉；s 轮痤鑫窟；s 一辘麦；? 一鹚辛夹部：8 一轮窿；9 一耱尘援窿；1 0 一 轴颈；1 1 一卸荷槽；1 2 一退刀槽；1 3 一防松板座；1 4 一防松板座槽：1 5 一轴端螺捻 孔。 2 。3 2 车轮 圈2 3 滚动轴承车轴 车轮如图2 4 所示，冀中卜轮缘；2 踏面：3 一轮鸺；4 一轮毅；5 一轮毅孔； 6 一辐板；7 一辐板孑l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 缀 墨2 一鬟车车轮 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。 下瑟夯绥霓耪典型瓣麓瑟强形。 ( 1 ) 锻激( t b 型) 章轮轮缘踏面外形 锥型( t b 溅) 车轮轮缘踏面外形1 如图2 5 所永。其外形特点是：轮缘脬 发为3 2 毫米，轮缘高度为2 5 毫米，峦轮鹜内侧瑟铡鲎爨? o 毫米处鳃踏面上， 诧点称为基准线。由基准线起向左2 2 滗米，向右3 0 毫米，合诗5 2 毫米静部 分上设有l ：2 0 的斜度，踏面最右边的一段设有1 ：1 0 的斜度。设有两个镶 形斜面的理融是：当车辆懑过曲线时，出于离心力的作用，轮j c 寸偏内外孰转 凌，荑了健轮辩颓羁逶适艴线，就夏设嚣个不露尺寸静壹径，帮蠹衡踏蟊麓 逝径大于外侧踏面的直径。这样轮对j 髓过曲线时，外轨的车轮滚动要比内轨 车轮滚动的长度太，才糍弯转过来。此外，当车辆在直线上逶行中，由于踏 瓣鸯斜凌貔关系，使车轮霹班经豢魏叁动翻歪攀辆中心绫与线路孛心线瓣 麓距。还由于踏面外侧有l ：1 0 的斜腱，使踏面外侧距轨面有一定的高度， 可保证车轮踏面中部经过一定磨耗后，仍能安全地通过岔道，桐对地延长了 车轮嚣菠矮黩霾。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 5 锥型( t b 型) 车轮轮缘踏面外形 ( 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。自七十年代中期，我国就采 一3 z a 划 封n 罐 、 | r 一+ p 遴釜蓬篓毒 l # 秀+g 磊蕊 1 3 s 0 八智 轮经蒯慧摹拨一? l 鲻 图2 6 磨耗型( l m 型) 车轮轮缘踏面 用磨耗型踏面。实践证明，磨耗型踏面的运用是安全可靠的，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 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 曲线半径大于1 1 0 0 米时，轮缘与轨道才能避免接触，因此，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 3 3 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 ) 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 7 所示。对于车轮踏面圆周磨耗来说，其磨耗 图2 7 车轮踏面圆周磨耗情况( s m 是磨耗量) 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。 ( 2 ) 轮缘磨耗 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 贾 在歪鬻z 俸条停下，耱缘静蘑耗势不严重，轮缘只在车辆遥：遘遗线或邋 嵇时，才因承受水平力的作用，与外轨内侧面摩擦丽产生磨耗。在直线区段， 轮对蛇行前谶，轮缘磨耗不犬。如果蹒面磨耗严羹战转向架组装不正，轮对 瓣予钢鞔霾麓穗霹位置不藏鬻，羹轮辩菸镶予线臻一鬟l ，弓l 莛轮缘褊瘥。轮 缘偏磨有以下三种形式：轮缘厚度减少、轮缘项部形成锋芒和轮缘垂直磨耗。 磨耗后的轮缘形状如图2 8 所示。轮缘磨耗过甚时，会产生我们在绪论中介 绥熬瑟些严熏爱暴。嚣戴我国稷蠡实黪运震经验艇定轮缘霉发黥最小羧疫麓 2 2 毫米( 在躐轮缘顶部1 5 毫米处测蚤) 。 ( a ) 轮缘蘑豢变薄( b ) 轮缘瘗裁成锋芒 ( c ) 轮缭垂直蘑耗 图2 8 轮缘偏磨后的形状 ( a ) 轮缘厚度磨损变薄媛，强皮下降，当轮对过曲线或做蛇行运动时， 轮缘在来蠡铜辘永平力躲作震下，会导致蘸裂缺攘，甚至遥成行车事藏。 同时，车轮与钢轨的安众搭载量是根据轨距和车轮内侧距以及轮缘厚度婶 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 镶貔懿安全搭载量。 ( b ) 轮缘形成锋芒殿，在轮对通过道岔时，可能挤开尖轨而造成脱轨攀 敞，所以轮缘磨损成锋替时，必须熙换轮对。 ( e 轮缘藿壹瘗损怒避疆疫对，焚轮缘棂部与镶孰内铡瓣澎藏平覆接 触，当车轮通过道岔时，由于轮缘与钢轨接触处没有弧形，就会使车轮磁 击尖轨或爬上撤叉心，同样会造成脱轨事故。因此，轮缘垂赢磨损过限的 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 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相符，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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 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。 西南变通大学硕士研究生学位论文第17 戤 第3 章检测系统的总体方案与物理模型 3 。1 系统的设计要求 本文所介绍的“铁路攀辆踏面擦伤智能定量梭测系统”是为了提高车辆 厂绞车囊段瓣轮对送行定麓检查鑫熬囊凌纯程度嚣浚 豹，蘩叛该系统应该 达到以下要求： 本系统用于车辆到达场铁路贷牮车辆轮对路面擦伤检测。 海薅裂凝车辍擦伤罄稔轮霞。 检测结果的精度爨优于目前人工检测的稽淡，误差小予o 1 毫米。 现场使用要求可靠性高，抗干扰能力强，能适应现场粉焱、震动、噪 音豹影响。 实现觅入值守自动梭灏，当毒轮辩擦伤对彝动报警，列举通过辩，形 成列辈数据文件，检测结果能够显示、保存和查询，并且按照一定的 要求抒印。 穰据滚上设诗要求，黪参考绪论中所奔缮豹瓣凌终车轮检测技术懿发鼹 现况，选择以传感器测激技术为基础，结合振动的能量转换的相关理论和时 麓分析方法来检测车轮踏面的擦伤深度。并将检测结果进行保存，可以对棱 凝结莱孛戆数攥迸髫查谗秘努零。 3 2 系统的方案选择 目前，计算机检测系统所检测静参数的多种多样盼，裣测静实现方法鸯 备式各样，从而导致检测系统的具体结构也是千麓万别的。本节内容是在研 究铁路车瓤轮x 重路面擦伤叛动能量采集窝工业现场疑求的基础上，提出并分 析各种方案的优缺点，从黼确定本系统静检测方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 3 2 1 几种检测系统方案优缺点比较 目前工业控制技术上计算机自动检测方法按功能分类，有集中式检测， 接力式检测和分级分布式检测等三种结构，下面对以上三种结构进行讨论。 ( 1 ) 集中式检测系统结构 集中式检测系统结构如图3 一l 所示。在这种检测系统中，各路检测设备 的模拟信号经放大器放大后，通过选择开关后被送往数据采集板进行模拟量 至数字量的变换。工业控制计算机根据采集到的数据和程序的流程决定控制 输出。本方法的数据可以用仪表来显示，也可以不用仪表显示而直接由工业 控制计算机的显示器显示。在整检测系统中，工业控制计算机完成数据采集、 处理判断、控制输出、报表打印等功能。 l 堡塑! 区 = 。 l 传感器2f = 2 纠放大f = = o 工 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ 一i 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一业 止控 a 仍 、r 一 制 i 计 算 机 设备广 接托广“ 图3 1 集中式测控系统框图 集中式检测方案的优点是结构简单、开发周期短、成本低。但它的工业 控制计算机任务繁多，易受外界干扰，一旦工业控制计算机发生故障，整个 系统将停止工作。它主要用于中小型检测系统。 ( 2 ) 接力式检测系统结构 接力式检测系统框图如3 2 所示，在每个工位各自设一个工控机，对本 工位检测设备的信号进行采集、处理和显示，并将处理完的数据传给下一个 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 指挥、调度。其中，下面两层的通讯采用较低的速率，上面两层的通讯采用 较高的速率。这种检测系统结构，由于采用了分布测控、单机显示、多级管 理、数据通讯的措施，有效都防止了由于主控机故障而导致整个检测系统停 止运行的事故。若中央控制机发生故障，其下一级的单片机能实现显示打印。 由于各个控制机任务单一，对于设备校正，维护很方便，很容易配置备用机 来提高系统的可靠性。 3 2 2 本系统所采用方案的优点 从上面对几种检测系统的结构分析可见，集中式检测结构由于任务过于 集中，一旦主控计算机出现故障，将会影响全局。但系统结构简单，在中小 型检测系统中可以优先使用。分级分布检测结构，由于任务分散，若干台微 处理器或微机分承担各自的任务，将检测功能分散，既能进行控制又能实现 管理。由于计算机控制和管理范围的缩小，使其应用灵活方便，可靠性增高。 随着科学技术的发展，价廉而功能日趋完善的微机的出现，分级分布式计算 机检测系统是未来检测系统发展的方向。 综合以上三种方案的优缺点，考虑到铁路货车轮对检测的特殊性 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 在钢轨中的传播速度可分析出振动发生的准确位置，根据振动发生的即时位 置与机车动态行进方程即可判断擦伤的轮位，根据滤波后的振动能量大小即 可计算出擦伤深度值。当然还要知道车辆轮位的到达、车辆速度、车辆重量。 因此，物理模型是：带有精确测量振动能量、测速、测重、定位的冲击振动 能量时差分析系统。该模型一并示于总体方案配置图3 4 中。 3 3 2 系统配置 图3 4 总体方案配置 根据上述物理模型即可设计出铁道车辆踏面擦伤智能定量检测系统总体 结构如图3 4 所示。系统的一个重要任务是在轨道上安装用于定位和测速的 传感器。在轨道上，按照车辆轮对踏面的最大周长3 m ，安装2 个( 双轨4 个) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 压电式加速度传感器，经由电荷放大器，a d 数据采集板与微机相连，在列 车经过时，开始进行数据采集和停止采集判断并及时停机，并进行数据处理， 判断出擦伤深度在那个范围内，发出相应的检测意见。 根据本系统方案选择以下硬件设备，具体的配置如下： ( 1 ) 主机 采用c p u 主频p 42 0 g 内存5 1 2 m 及以上的计算机，进行数据采集、分析 处理、并输出结果。 ( 2 ) y d 一1 2 压电式加速度传感器 y d 1 2 加速度传感器是一种机电换能器。当它感受到振动信号时，其输 出端产生一个与加速度成正比的电荷或电压量，它采用压缩和剪切形式减低 各种环境响应灵敏度，配接电和放大器或其它二次仪表可测量振动的加速度、 速度和位移，也可以测量冲击信号。由于它体积小、重量轻、频带宽、动态 范围大，所以在振动测量领域中得到非常广泛的应用。 根据计算，振动产生的电荷不会超过2 0 0 0 m s ，系统的适应环境温度范围 为一2 0 4 5 ，擦伤的振动频率一般在几百赫兹到几千赫兹。故选用y d 一1 2 型加速度传感器。 y d 一1 2 型加速度传感器的参数如表3 1 所示。 表3 1y d 一1 2 型加速度传感器的参数如表 名称型号灵敏度频率h z输出极限加速工作温度 p c m s度s 2 加速度传感器 y d 一1 28 一1 0l 一1 0 0 0 02 0 0 0一2 0 一4 5 ( 3 ) 电荷放大器d h f 一2 ( 共八台组合，带电源) 电荷放大器是一个具有深度电容负反馈的高开环增益的运算放大器。它 把压电类型传感器的高输出阻抗转变 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 表3 2d h f 一2 型电荷放大器的参数表 名称型号频率范围( h z )输入输出 l 电荷放大器 d h f 一20 3 1 0 0 0 01 0 6 9 o l o v 5 0 l a ( 4 ) 电涡流式传感器 电涡流式传感器是利用电涡流效应，将位移、温度、转速、振动等非电 量转换为阻抗的变化( 或电感的变化) ，从而进行非电量的测量【帖】。这种传 感器可以实现非接触测量物体表面为金属导体的多种物理量，具有结构简单、 频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强、体积较小等一些 特点。 如图3 5 所示，一个通有交变电流i 。的传感器线圈，由于电流的变化， 在线圈周围就产生一个交变磁场h 。如果被测导体置于该磁场范围之内，被 测导体内便产生电涡流i ：，电涡流也将产生一个新磁场h ：，h ：于h 。方向相反， 因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感，阻抗和品质因数发生改变。 本系统中的测速、定位传感器均采用电涡流式传感器。， 图3 5 电涡流原理 ( 5 ) 称重传感器 电阻应变式称重传感器的原理是：弹性体( 弹性元件，敏感梁) 在外力作 用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片( 转换元件) 也随同产生 变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化( 增大或减小) ，再经相应的 测量电路把这一电阻变化转换为电信号( 电压或电流) ，从而完成了将外力变 蓖南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 换为电信号的过程。n s t h 2 称重传感器正根据这种原理，它具有结构简单、 坚固、安装方便、抗振动冲击力强，采用全密封结构，防水、防腐等特点。 本文选用两只这种传感器来测量左右车轮的重量。其主要参数如下： 表3 3n s n 1 2 称重传感器的主要参数表 l 量程( t )额定输出( m v v )工作温度( )绝缘电阻( m q ) l o 2 2 0 0 1 52 0 + 7 02 0 0 0 ( 6 ) a d 数据采集板p c i 一8 3 4 0 数据采集要在一列车辆的每个转向架通过检测线时，不间断地对定位、 测速、4 个传感器通道进行高速轮循数据采集。擦伤的振动频率一般从几百 赫兹到数千赫兹，按采样定理： 2 。； ( 3 1 ) 其中：w s 采样频率；w m a x 频带宽度。 本系统需要同时采集6 个传感器的数据，所以需要一个8 路双端，每路的 采样频率应达到2 0 k 以上，故选者p c i 一8 3 4 0 它1 6 路单端8 路双端输入，采 样频率为2 0 0 k 的数据采集卡。下面简单介绍一下数据采集板p c i 一8 3 4 0 。 ( 1 ) 数据采集板的工作原理简介 p c i 一8 3 4 0 高速模入接口卡主要由高速多路模拟开关选通电路、高速高精 度放大电路、高速模数转换电路、先进先出( f i f o ) 缓冲存储器电路、开关量 输入输出电路和接口控制逻辑电路等部分组成。 高速多路模拟开关选通电路 该电路由2 片a d g 4 0 8 ( 或同类产品) 及跨接选择器k j l 、k j 2 组成，用以 从1 6 路单端信号或8 路双端信号中选择其中一路，送入后端的放大器电路处 理。 高速高精度放大电路 该电路由4 片高速高精度放大器、基准源、阻容件及跨接选择器k j 3 组成， 用以对通道开关选中的模拟信号进行变换处理，以提供模数转换电路所需要 的信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 3 3 3 传感器分工及安装位置 说明： 图3 6 传感器安装示意图 1 号：启停机传感器； 2 号：小电涡流传感器，和3 号传感器配合测量车速； 3 号：小电涡流传感器，和2 号传感器配合测量车速；定位传感器： 4 号、5 号、6 号、7 号：测振动的加速度传感器y d 一1 2 ； 8 号、9 号：n s t h 2 称重传感器，测量左右车轮的重量。 3 4 数据采集控制与擦伤深度计算 数据采集的方式直接影响到后面的数据处理方法，本节介绍一种以转向 架为单位采集数据， x 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 第4 章软件系统设计 软件系统控制数据采集板的采集并将采集数据保存到相应的文件中，负 责对采集到的数据进行处理，提取振动波数据，判断其有效性，确认产生振 动波的车轮的轮位，计算该振动波对应的擦伤深度并保存；将每个车轮擦伤 深度的最大结果值保存并显示；提供对检测结果的打印。 4 1 软件的总体设计 4 1 1 软件平台和编程语言的选择 目前。用户可用来开发软件的操作系统主要有三种：d o s ，w i n d o w s 和 l i n u x 。d o s 是单用户操作系统，适合于计算机的实时控制系统，由于它是 文本界面，相对来讲编程界面不够友好，目前已面临过时。l i n u x 与其它操 作系统相比，它最为显著的特点是系统的核心代码公开化，但它目前使用不 广泛，支撑它的软件还不多。w i n d o w s 操作系统是目前最为流行的操作系统， 图文并茂，简单易用，在文件管理、系统维护、软硬件支持、多媒体等方面 具有明显的优势，是一个多用户、多线程的操作系统，对测试系统而言，多 线程能力对数据采集卡和i o 有良好的适应性，能防止测试应用软件与a d 卡或使用标准接口的设备进行通信时产生堵塞，能将应用软件的各个功能模 块分配到不同的线程上。同时w i n d o w 操作系统具有较强的网络通讯能力和 较好的稳定性和安全性。所以，我们采用w i n d o w 操作系统作为检测系统的 运行平台。 从编程语言来看，目前比较流行而且使用情况比较好的有：t u r b oc 、 h p r i s e 公司( 原b o r l a n d 公司) 的d e l p h i 和m i c r o s o f t 公司v b 、v i s u a l c + + 。t u r b o c 的特点是语言简洁、灵活，数据结构丰富，生成代码质量高，程序执行效 率高，可移植性好的特点使它一度风靡一时，但由于可视化编程尤其是面向 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 对象的程序设计方法的兴起，使它日渐衰退。i p r i s e 公司的d e l p h i 是一种面 向对象的可视化编程工具，它速度快，具有强大且容易使用的可视化开发环 境，并采用具有弹性和可重用的完整的面向程序语言( o b j e c t p a s c a l ) ，以 及先进的数据库技术。它的出现使面向对象的可视化编程变得非常简单方便。 它的一个比较突出的缺点是：由于是基于p a s c a l 语言的，而对曾经风靡c 没有继承能力，以及对底层物理地址访问不够s u a lc + + 方便，使得它的应 用范围受到限制。而v i s u a lc + + 是m i c r o s o f l 公司推出的功能最为强大，最为 复杂的编程工具。它的特点【”】如下： 面向对象的可视化编程工具，它速度快，具有强大且容易使 用的可视化开发环境。 语法符号a n s ic + + 标准，继承了c 语言的许多风格，并在此 基础上增加了许多针对w i n d o w s 操作系统的功能。 含有强大的类库m f c ( m i c r o s o f tf u n d a t i o na a s s ) ，其封装w i d o w sa _ p i 函数从而大大提高了应用程序的效率。 相对于s u a lc + + ，v b 编写用户界面却相当简单而且迅速，v b 以其简 单易用，受到广大用户的欢迎。 综合比较后，本文选用v i s u a lc + + 6 o 来开发动态链接库，v b 6 0 来开 发用户界面，w i n d o w s 2 0 0 0s e r v e r 作为软件开发平台。 4 1 2 软件模 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 4 2 人机界面设计 4 2 1 主界面设计 图4 1 软件模块设计 v i s u a lb a s i c 是一个功能强大的w i n d o w s 应用程序开发平台，用户可以 快速地生成标准w i n d o w sg u i 用户界面应用程序。 根据实际的需要和用户的要求，软件主界面设计如图4 2 所示，介于篇 幅，这里只给出部分界面。 主界面主要包括两大部分： ( 1 ) 菜单 主要包括文件、参数设景、传感器测试、轮对检测、擦伤和帮助等几部 分。除了一些w i n d 。w s 常用的子菜单项目外，还设有打印、查询结果、开始 检测、停止检测等等内容。为了保护检测系统，予菜单中的某些项( 参数设置) 设有用户密码，只有授权的用户才能使用该项功能，进行相关操作，而一般 用户只能使用一些通常的操作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 的好坏直接影响系统的使用。v b 提供了两种实现打印的方法【5 1 】。一般在对打 印质量要求不高的场合，或者是编程项目的早期开发过程中，可以直接使用 v b 窗体的p r i n t f o r m 方法实现打印。用这种方法实现打印具有编程简单、易 用并且功能强大的优点，它只需要通过一行代码，几乎能打印所有内容。实 现的方法就是：首先将要打印的内容在屏幕上显示出来，然后开发人员只要为 窗体对象激活p r i n t f o r m ，窗体则自动将要打印的内容发送到p r i n t e r 对象上，其语法格式如下： 窗体 p r i n t f o r m 。如果窗体中包括图形，那 么打印前应先置窗体的a u t o r e d r a w 属性为真。这种方法虽然简单，但是它却 存在着内存消耗大、打印粗糙、速度慢等缺陷，尤其对于带有滚动条的图像， 这种方法只能打印当前可视的区域。在实际应用中经常会遇到对打印质量要 求很高的场合，例如本文中打印带有滚动条的数据报表，这种应用场合若采 用v b 提供的另种基于p r i n t e r 对象的打印方法则可以获得高分辨率的打 印，得到很高的打印质量，并且能打印出全部的报表数据。在实际应用中， 也可以根据实际应用情况将上述两种方法结合起来使用，即：前期工作使用 p r i n t f o r 皿简单的打印方法将窗体的布局定下来，后期再使用基于p r i n t e r 对象的打印方法实现最终的打印工作。 4 2 3 结果查询 为了方便用户了解自己感兴趣的数据和以往数据，本系统提供了对当前 和历史数据的查询支持，用户可以按照擦伤深度、左、右车轮，车厢号等条 件进行简单和组合查询数据。查询界面如图4 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 i n ts e n s o r l ： i n ts e n s o r 2 ： i n ts e n s o r 3 ： i n ts e n s o r 4 ：) 结构中r d n u m 为转向架编号，s e n s o r i 为个振动传感器的状态，1 代表有 故障，o 代表无故障。 4 3 数据采集程序 4 3 1 数据采集 数据采集涉及数据的存储与处理。当前主要采用以下两种采集方式： ( 1 ) 实时采集处理方式 该方案是在某一车辆的车轮踏面( 或一个转向架) 通过检测线时采集数 据，在下一车辆( 或转向架) 未到达检测线之前的一段时间内，将采集的数据 处理完毕，判断出擦伤状况；然后对下一车辆( 或转向架) 进行数据处采集和 处理。其优点是不需要考虑大量采集数据的存储问题，可及时报告检测情况。 根据两车辆( 或转向架) 的最小检测距离，以及在检测允许的最高行驶速度下， 计算出下一车辆( 或转向架) 到达的最短时间，确定出在该时间内计算机系统 能否将数据处理完毕。 由于以上处理方式存在以下缺点：第一，因为计算机还有计算车辆速度、 定位等工作，同时由于本系统是集中式检测系统，这样使得系统主机处理任 务太过繁重，不能胜任；第二，不同计算机的处理速度不同，使本方案实施 情况过于复杂，所以系统采用下面一种方案。 (