（车辆工程专业论文）嵌入式车轮外形测量与后处理软件研究.pdf

摘要 摘要 随着全国铁路第六次大提速，动车组的开行，机车车辆的运行速度越来越 高。因此，车辆的运行稳定性、安全性以及舒适性越发显得重要。车轮踏面外 形是否符合运行要求对机车的稳定运行有着重要影响，如果不能全面、准确地 掌握踏面外形形状及相关参数，轻则影响机车的稳定运行，重则有可能导致机 车在运行中出现安全事故。所以车轮踏面轮廓尺寸的测量是铁路检测工作中的 重要内容。 通过调查发现，操作人员对踏面检测仪器的要求主要有以下三点：1 、灵活 轻便，既方便安装和检测，又可以有效的降低检测工作的劳动强度；2 、智能化 程度高，检测过程操作简单，数据记录实现自动化；3 、测量参数丰富，数据计 算精确度高。 鉴于以上的原因，决定研制一种完全嵌入式的检测仪器，既能够实现现有 仪器所能具备的功能，又能体现出灵活轻便、高度智能化、测量参数丰富精确 的特点，以满足踏面检测工作越来越高的要求。硬件方面，采用3 2 位的d s p 芯 片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主控芯片，它具有数据处理速度快，具备成熟的算法库， 片上资源丰富等优点，非常适合嵌入式数据采集与处理系统的应用；采用 s l 8 1 1 h s t 做u 盘读写接口芯片，能够实现主控芯片与u 盘之间的连接。 本文中的系统设计方案，是基于现有仪器的优点和现场检测人员提出的具 体要求来进行的，不仅能够满足现有的使用要求，而且还可以方便地进行功能 扩展，以满足未来更为广泛的铁路检测需求。 关键词：踏面检测，d s p 芯片，s l 8 1 1 h s t ，光电编码器 a b s t r a c t a b s t r a c t a sar e s u l to ft h es i x t hn a t i o n a lw i d es p e e da d v a n c e m e n to fr a i l w a y s y s t e ma n d l a u n c ho ft h em o t o rt r a i nu n i t s ，r a i l w a yv e h i c l e sh a v eb e e nr u n n i n gi n c r e a s i n g l yf a s t t h e r e f o r e ，i t sg o i n gt ob em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt op a ya t t e n t i o nt ot h es t a b i l i t y , s a f e t ya n dc o m f o r to ft h ev e h i c l e s w h e e lp r o f i l e sa r ep l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei n v e h i c l e so p e r a t i o n w i t h o u tc o m p r e h e n s i v ea n da c c u r a t ec o n t r o lo ft h ew h e e lp r o f i l e a n di t sp a r a m e t e r s ，i ti sp o s s i b l et oi n f l u e n c et h ev e h i c l es t a b i l i t y , f u r t h e r m o r e ，e v e nt o c a u s er a i l w a ya c c i d e n t s s o ，t h em e a s u r e m e n to fw h e e lp r o f i l e si sa ni m p o r t a n tt a s ki n r a i l w a ys y s t e m sr o u t i n ed e t e c t i o n s a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lo p e r a t o r s ，t h em e a s u r e m e n td e v i c es h o u l db ee a s yt o t r a n s p o r t ，i n s t a l la n dm e a s u r e ；h i g h l yi n t e l l i g e n t i z e d ，a b u n d a n to fp a r a m e t e r sa n d a c c u r a t e t om e e tt h er e q u i r e m e n t s ，a ne m b e d d e dd e t e c t i n gd e v i c e ，w h i c hi sm u c hl i g h t e r a n dm o r ea u t o m a t i c a l l y , i st ob ed e s i g n e d t h eh a r d w a r eo ft h ed e v i c ec o n s i s t so fa c o r ec o n t r o l l i n gc h i p ，t m s 3 2 0 f 2 812 ，w h i c hh a sa3 2 b i tc p u ，h i g hs p e e do fd a t a p r o c e s s i n g ，m a t u r e da l g o r i t h ml i b r a r ya n da b u n d a n to n c h i pr e s o u r c e s ；au s b i n t e r f a c ec h i p ，s l 811h s t , w h i c hc a ni m p l e m e n tu s bc o n n e c t i o nb e t w e e nt h ec o r e c h i pa n d t h ef l a s hd i s k t h em e a s u r i n gs y s t e md e s i g n e dh e r e i nt i f f sp a p e ri sb a s e do nt h ea d v a n t a g e so f t h ec u r r e n td e v i c e sa n dt h ed e t a i l e dd e m a n do ff i e l do p e r a t o r s ，i tc a nn o tj u s tm e e tt h e c u r r e n tn e e d , b u ta l s ob ee x t e n d a b l ef o rn e ws i t u a t i o n sa n d r e q u i r e m e n t so fr a i l w a y d e t e c t i o n si nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：w h e e lp r o f i l em e a s u r e m e n t ，d s p , s l 811h s t , o p t i c a le n c o d e r n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的e n , 昂u 本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者魏浃褥 剥年；月侈日 沪l 7 一 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学雠文储潞茁褥 沪7 年7 月 第1 章绪论 1 1 轮对的基本知识 1 1 1 轮对的构造 机车车辆是利用轮对的转动使之在钢轨上运行的一种铁路运输工具。轮对 与钢轨直接接触不仅承受车辆的全部重量，起到支撑的作用，而且还传递列 车与钢轨问的牵引力和制动力，因此轮对是列车走行部中的重要部件。 车轴镶入车轮后的组合件称之为轮对，其组成如图1 1 所示图中l 为车轴， 2 为车轮。 图1 1 轮对组成 车轴所承受的外力比较复杂。车轴不仅承受机车自身使它弯曲的压力t 而 且还承受根大的扭矩( 扭矩主要由牵引电动机经齿轮传递而来) ；当机车通过曲 线时外轮的导向力将附加给车轴一个相当大的弯矩：一个车轮相对另一个车 轮滑转时也将产生附加扭矩；同时车轴还承受来自路线的冲击及其自身的振动 产生的附加载荷。 车轮由轮心和轮箍组装而成。轮心分为轮毂和轮辋两部分，轮心与轴颈套 接的部分称为轮毂：轮心与轮箍配合的部分称为轮辋。轮心一般用钢铸造而成。 第1 章绪论 为了减轻重量、清除铸件型砂和组装小齿轮时便于检查齿轮粘合的侧隙等，轮 心上通常均匀开了椭圆形孔。 轮箍位于车轮的最外层，是机车走行部分的一个重要而关键的部件。轮箍 用轮箍钢轧制而成。轮箍与钢轨接触的面称为踏面。由于线路曲线区段的外轨 比内轨长，外轨比内轨高，所以机车通过曲线时，水平方向受重力的分力和离 心力的共同作用。当车速较高时，离- 心力大于重力分力，车轮倚向外轨，车轮 以较大直径走外轨，而以较小直径走内轨；当车速较低时，重力分力大于离心 力，使得车轮倚向内轨，从而抑制机车的左右摆动，调节机车的平衡。轮缘的 作用是防止车轮脱轨和引导车轮安全通过曲线和道岔。 1 1 2 踏面的类型 车轮与钢轨的接触部分，简称为踏面。踏面与钢轨内侧接触的凸出部分称 为轮缘，轮缘的作用是防止车轮脱轨。车轮通过曲线时，轮缘与外轨内侧面接 触，引导机车在曲线上运行。踏面外形对机车的运行性能有很大的影响，设计 必须合理。以下是常见的两种典型的踏面外形。 1 锥型( t b 型) 车轮轮缘踏面 锥型( t b 型) 车轮轮缘踏面外形如图1 2 所示。 图1 2 锥型( t b 型) 车轮轮缘踏面外形 其外形特点是：轮缘厚度为3 3 r a m ，轮缘高度为2 8 m m ，由轮背内侧面测 量到1 0 8 m m 处的踏面上，此点称为基准线。由基准线起向左3 5 r a m ，向右3 2 m m ， 2 第l 章绪论 合计6 7 m m 的部分上设有l ：2 0 的斜度，踏面最右边的一段设有l ：1 0 的斜度。 设有两个锥形斜面的理由是：当车辆通过曲线时，由于离心力的作用，轮对偏 向外轨转动，力了使轮对顺利通过蓝线，就要设涎个不同尺寸的直径，即内侧 踏面的直径小于外侧踏面的直径。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，才能转过弯来。此外，当车辆在直线上运行中，由于 踏面上有斜度的关系，使车轮可以经常地自动纠正车辆中心线与线路中心线的 差距。还由予踏面外侧有1 ；1 0 的斜度，使踏面外侧距轨面有一定的高度，可 保诞车轮踏面中部经过一定的蘑耗后，仍能安全地逶过岔道，相对地延长了车 轮的使用时间。 2 。磨耗型( l m 型) 车轮轮缘踏丽 磨耗型( l m 型) 车轮轮缘踏面外形如图1 3 所示。 圈1 3 磨耗型( l m 裂) 车轮轮缘踏面外形 自七十年代中期，我国就采用磨耗型踏面。实践证明，蘑耗型踏面鲶运雳 是安全可靠的，在减少圆周磨耗和轮缘磨耗以及减少镟削量方面都取得了预期 效果。蘑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 米的小睦线上，轮缘与轨道之闻尚有一定闻隙，焉标 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。因此，磨 耗型踏瑟轮对于列车通过曲线及减轻轮轨蘑耗是十分有利鼢。 3 第1 章绪论 1 2 车轮磨耗的形式 车轮的磨耗主要包括轮缘磨耗和踏面磨耗。 1 轮缘磨耗 在车辆运用过程中，因轮缘根部与钢轨内侧面的频繁挤压，造成轮缘根部 发生磨损；而踏面擦伤、剥离改变了踏面的基本型线，加剧了轮对踏面在轨面 上的径向跳动，同样会加剧轮缘的根部磨损。因此，轮缘的异常磨损主要与轮 对、转向架结构、轮对踏面状态有直接关系。其典型的原因包括：轮对与转向 架无横向位移，加剧了轮缘根部的磨损；踏面剥离及沟状磨耗加快轮缘的磨损； 踏面磨损加剧了轮缘的异常磨榭2 1 。 2 踏面磨耗 踏面是车轮与钢轨的接触面，其磨耗是车辆日常运行过程中最为常见的磨 耗形式。造成踏面磨耗的原因也是多种多样，其中制动力过大或制动过于频繁 会引起车轮踏面擦伤是最为典型的一种原w 3 1 。另外一种踏面的磨耗表现为踏面 的剥离，它的典型原因又包括： 材质原因。在车轮铸造、锻压等生产过程中，会有一些杂质夹杂在钢水中， 车轮锻压后形成碾片等缺陷，这些缺陷如果接近踏面表面，即将从缺陷处发生 开裂，形成踏面剥离等故障。 列车速度提高，震动加剧，轮轨间的摩擦力增大，接触面弹性变形面积增 大，车轮表面的应力也相应增加。当车轮表面的应力超过制造车轮材料的屈服 极限时，车轮表面便出现开裂，甚至出现车轮踏面剥离。 因此，踏面外形检测仪的一项重要功能就是检测并计算车轮踏面外形相对 于标准踏面外形的轮缘磨耗量和踏面磨耗量。 1 3 铁道车辆踏面外形检测的意义 1 3 1 踏面形状对机车运行的影响 铁道车辆车轮踏面外形对车辆的运行起着至关重要的作用，它不仅关系到 车辆的动力学性能，也关系到轮轨之间的磨耗。 踏面外形对车辆动力学性能的影响主要包括：直线运行时的蛇形运行稳定 4 第1 章绪论 性、曲线通过性、运行的平稳性等。 踏面外形对轮轨磨耗的影响主要包括：轮缘磨耗、踏面磨耗、曲线外轨的 侧磨及车轮踏面及钢轨顶面的剥离等。 因此，保证车轮踏面的外形在规定范围内，不仅可以改善车辆的动力学性 能，而且还能降低轮轨间的磨耗，减少制造和维修成本，提高车轮的可靠性， 延长车轮的使用寿命【4 】。 1 3 2 踏面外形检测的意义 1 日常检修 通过对车轮踏面外形的检测、记录和分析，可以取得第一手的车轮参数， 便于对车轮进行一定的镟修，延长车轮使用寿命，保证车辆运行的安全。随着 铁路车辆运行速度的不断提高，车辆检测的要求也越来越高，特别是对高速车 辆的车轮踏面外形的检测和控制，更加严格。因此，迅速准确的检测出车辆踏 面擦伤对保障机车运行的安全性及高速化、重载化的实现具有重要的意义。 2 研究设计 通过对列车车辆的踏面外形的记录，可以为车辆动力学的研究提供原始的 数据，特别是轮对几何参数的测量为轮轨接触几何关系的研究提供了有力的依 据。通过对轮对的检查和追踪，不仅可以使相关科研人员对车轮的踏面外形有 一个准确的掌握，从而对车辆运行的各项性能及故障进行分析研究，发现车辆 日常运行中存在的问题，并找到解决问题的方法；同时还可以对轮对的运用情 况有全面的把握，从而为更加合理的踏面和轮轨外形的提出奠定了基础。 3 线路运营管理 对踏面外形进行数字化检测所得到的数据，可以方便地用计算机进行保存， 并可以用特定的计算机软件进行处理、分析，实现了高度的自动化和信息化。 长期的数据积累，不仅为车辆的运行安全性和稳定性提供分析参考的依据，同 时也能为铁路线路的运营管理提供依据，为线路的优化改造以及新线路的规划 制定提供宝贵的经验。 第1 章绪论 1 4 国内外踏面检测研究的现状 1 4 1 国内研究现状 1 机械式量具测量 传统的车轮踏面外形检测是以机械式的量具为丰，其中使用最为广泛的就 是第四种检查器【5 1 ，如图1 4 所示。 匿攀酣 1 8 1 该检查器采用新的结构和游标卡尺工艺，采用游标读数方式。检查器的结 构如图1 4 所示，结构特点在于与底板1 相连的轮缘厚度测尺。尺框4 有上下两 个导槽，下面的导槽使尺框在底板上左右移动，上面的导槽用于装轮缘厚度测 尺。踏面圆周磨耗测尺尺框直接装在底板上，测尺在尺框中上下滑动，移动踏 面定位测头8 ，使之定位在滚动圆中心7 0 m m 测量处，紧固踏面磨耗测尺紧固钉 1 3 ，通过测量轮缘高度的变化，测得踏面磨耗值。轮缘厚度测点固定在滚动圆 中心向上1 2 m m 处，实现了以踏面滚动圆中心为基准，测量轮缘厚度的方案。 这种机械式的量具，其优点在于造价低、稳定性高、携带方便。但是，随 着铁路车辆数量的提高，检修工作量的增大，这种量具操作繁琐、速度慢、效 率低、数据记录麻烦，不利于信息化、自动化管理等缺点就逐渐暴露出来了。 2 接触式电子量具测量 6 第l 章绪论 接触式的电子化量具【6 】，主要是以滚轮爬行的方式进行踏面外形的测量。国 内的这方面研究工作也已经做得比较成熟。 其基本原理如图1 5 所示，利用滚轮在车轮踏面外形上滚动的轨迹，来检测 并记录踏面外形的曲线坐标数据。由滚轮的滚动带动两个旋转编码器旋转，由 编码器的转角值( 鼠，0 2 ) 和检测仪器的固有机械参数( 厶，厶，r ) 等，可以推算出滚 轮的坐标，从而计算出滚轮的包络线，即踏面外形。 图1 5 接触式电子量具原理简图 这种电子式量具，实现了测量过程的高度自动化，操作简便，数据处理准 确、迅速，并且具有很强的数据分析功能和数据记录能力。 3 非接触式图像测量 同济大学的郑芬芳等人以数码相机为图像采集系统，通过计算机图像处理、 最佳测量位置选择和系统误差修正等手段，使轮缘高度、轮缘厚度及踏面磨耗 测量精度达到了0 1 m m ，实现了轮对参数的非接触式测量及数据处理智能化。 西南交通大学左建勇等人应用激光传感器原理的轮对几何尺寸检测仪，以被测 物体反射到激光传感器之问的距离x 为物理量，激光传感器输出一个精度很高 的正比于x 的模拟电量，移动激光传感器，便得到踏面外形。但是它受环境因 素影响较大，其应用范围也受到了一定的限制。 第l 章绗论 1 42 国外研究现状 国外在车轮踏面外形的检测上已经取得了许多成功的研究经验，其中有很 多已经转化为了产品。 日本在1 9 9 6 年研制出了便携式轮对测定装置。测量仪采用机械夹紧的方式 固定在车轮上，板状等腰三角形测量头依靠电驱动在轮辐方向往复扫描，由测 量头的变位来测定型面。轮缘高度和轮缘厚度由型面数据算出，直径由内置的 直径计测出。 俄罗斯开发的测量仪，外形尺寸2 2 0 x 1 4 0 m m 1 4 7 删，总重量2k g 。 测量仪中含有在i n t e l8 0 c 5 1 型微处理机基础匕改造的计算器和装有位移传感器 的量规，该装置有两种类型：第一种类型可检测车轮直径，精度为士05m i l l ； 另一种类型用于测量踏面磨耗和轮缘厚度，精度可达o2 1 m 。二者的不同之处 在于位移传感器的安装位置。它可以直接从机车上测定。 图1 6 丹麦g r e e n w o o f l e n g i n e e r i n g 公司的m m i p r 。f 踏面外形检测仪 圈l7 采用p d a 为数据处理终端的踏面外形测量仪 如图1 6 和图1 7 所示丹麦的g r e e n w o o d e n g i n e e r i n g 公司研制的微型轮廓 仪使用一台笔记本电脑或p d a 连接一个专用伸缩箱及轮轨测量装置。轮轨测量 装置有一个等量传感器和一个磁性小轮。测量的轮廓信息可以输入到鼓字处理、 展开图表和说明程序中。 第1 章绪论 随着计算机技术的发展，各种轻型计算机，如小型便携机、p d a ，已经在 体积和处理性能方面得到了极大的改进，这些设备也将逐渐应用到踏面外形的 测量中来，典型的如西南交大和丹麦的g r e e n w o o d 所采用的p d a 连接测量仪的 方式。 1 5 本文的研究目的与思路 1 5 1 研究的目的 本文研究的主要目的包括两个方面： 第一个方面是一种技术创新，即在继承现有仪器的各种优点的基础上，研 究设计出一种全新的踏面检测仪器。这种仪器既能实现数字化的踏面检测过程， 又具有灵活轻便、操作简洁、测量精确的特点。这样，就可以大幅度降低车轮 踏面检测工作的工作量，节省宝贵的车辆检修时间，并达到单人操作、快速检 测的要求。 第二个方面是一种理论创新，即提出一种评估踏面凹陷的计算公式。这个 公式不仅能够有效的表征出踏面凹陷的程度，从而反映出轮对的等效斜率，而 且比现有算法具有更快的计算速度，更小的计算量，以适应嵌入式系统对数值 计算的要求。 1 5 2 研究的思路 本文的研究构想，分为两个阶段： 第一阶段，研究设计仪器的软硬件。首先，根据系统的功能需求进行硬件 电路的规划设计，对芯片和器件进行选型，设计调试硬件电路板；然后，在硬 件的基础上编写软件代码，包括硬件底层的驱动和功能、计算模块。如果软件 硬件都能够按预定要求正常工作，实现现有仪器的各项计算功能，那么技术上 的创新便是成功的。 第二阶段，提出踏面凹陷的计算公式。这个过程需要分析大量的原始数据， 对于不同的踏面，分析它的踏面外形曲线与等效斜率之间的关系，不断的提出 新的计算公式，并通过原始数据的代入计算，来验证和修改这个计算公式，从 9 第1 章绪论 而最终找到一个仅仅是从踏面外形的凹陷程度上进行分析计算，但能够有效表 征轮对等效斜率的方法。那么，这个计算方法就是踏面凹陷的计算公式。 1 0 第2 章算法原理及误差分析 第2 章算法原理及误差分析 2 1 踏面外形参数的计算方法 本文研究的踏面外形测量系统，其中一项主要功能就是检测并记录车轮踏 面外形的曲线。所检测的曲线由若干离散的坐标点组成，这些坐标点反映了所 测踏面的几何外形。 轮对的踏面外形有它的特殊性，即平坦处与陡峭处之间的最大斜度差可达 7 0 多度【7 1 。不同位置处的测量精度的要求基本相同。若用平移式的线性位移计， 由于角度方向的间隙，一般很难保证较高的精度要求，尤其是对于钢轨侧面的 测量。而磨耗后侧面的外形往往在分析中是很重要的。而用一种滚轮爬行式的 测量方法可以满足这种要求。本文所研究的踏面测量系统的原理如图2 1 所示， 它由两个能相互转动的连杆、角度传感器和滚轮等组成。q 点为固定点，d 2 点 为转动点，q 点为滚轮的中心，连杆的长度分别为厶和厶，以顺时针方向为正。 图2 1 踏面测量系统原理图 第2 章算法原理及误差分析 任一位置时，连杆1 相对于基准位置的角度为b ，两连杆的相对角度为幺。 这样可以计算求出d 3 点的坐标值在踏面直角坐标系( x o y ) 中的位置。当连杆l 连续朝一个方向旋转时，可以获得a 的一系列的坐标点所构成的轨迹坐标值 【黾，乃) ： y 玛3 三篡c m o s 刍竺l 2c o s 裂) = m 一厶q 一【q + 魄) 当滚轮与踏面紧密贴靠时，滚轮的包络线就是踏面外形的实际轮廓线。滚 轮的包络线在踏面坐标系中的坐标值可以用下式求得： 墨=：x3-一ry 8 i 曼3 y 3 f c o s 2 一 式中，秒为滚轮轨迹拟合曲线在某一点处法线与垂直轴之间的夹角，可用下 式求得： t g o ：一孕( 3 ) 式中，五、厶和厶为已知值，瞑和岛为测量所得值，乃可先令其值为零， 然后根据测得外形距轮背基准面7 0 7 3n l n l 处的以( 对车辆轮对取7 0 ，对机车 轮对取7 3 ) ，将外形垂直上移以，即令y l = - y 3 。 对于数字式的测量系统，所检测到的数据点为离散的。因此以上曲线轨迹 方程可以写成离散方程的形式。 仅点的坐标序列可表示为： = 娣一1 s i n 0 1 一厶s i n ( 8 1 + 露) 、( 4 ) 蜡= 片一厶c o s 钟一厶c o s ( 钟+ 露) 踏面外形的实际轮廓曲线的坐标序列可表示为： 式中，滚轮轨迹拟合曲线在某一点处法线与垂直轴之间的夹角序列0 ”采用 前项差分与后项差分的平均值的算法来确定。即： = 一( ( 籍) + ( 末誊 2 a 4 一 1 2 竺 一 一 片 = = 弩力 第2 章算法原理及误差分析 特殊的，对于起始点，采用后项差分： = 一再y 1 3 _ y 2 3 ( 7 ) 对于终止点，即最后一点，采用前项差分： 妙一享芋 求出每一个点的矿值，代入式( 4 ) 和式( 5 ) ，即可求出相应的踏面外形曲线 点的直角坐标。 厂、斗i ，s 翊p l s h 标准踏面外形 | 翟 i s q 汐 t 卜r。 叫、 一下一一：7 r 一一一一 l 。一 7 0 7 3 i x 磨耗后的 、 踏两外形 配 图2 2 踏面外形参数 如图2 2 所示，较为靠上的一条实线为标准踏面外形曲线，较为靠下的一 条虚线为磨耗后的踏面外形。以滚动圆与车轮截面的交点为原点。各参数定义 如下： 轮缘高度s h ：轮缘最高点离坐标原点的纵向距离即为s h 。 轮缘厚度s d ：取踏面外形上纵坐标为h d 的轮缘内侧点p 1 ，p 1 离轮背的横 向距离即为s d 。 车轮半径r ：滚动圆的半径，用轮缘半径减去s h 即可得。 q r 值：取离开轮缘顶纵向距离为h 的轮缘内侧点p 2 ，p 2 与p 1 的横向 距离即为q r 值。 踏面斜度：在坐标原点左右两侧以s 的长度为截距，对所截取的一段曲 线进行线性拟合，求取拟合所得直线段的斜率，该斜率值即 第2 章算法原理及误茇分析 踏面凹陷： 踏面磨耗： 轮缘磨耗： 为踏面斜度。 根据美国a a r 的标准，定义为滚动圆附近区域的最低点与踏面 外侧区域的最高点的径向距离。 磨耗后的车轮踏面坐标原点与标准踏面的坐标原点的纵向距离。 磨耗后的车轮踏面轮缘厚度与标准踏面的轮缘厚度之差。 2 2 踏面外形计算的误差分析 任何测量过程，都不可避免的会出现误差。误差的引入有非常复杂的原凶， 例如机械结构方面，由于长时间使用，造成仪器的磨损，使其自身的机械参数 发牛变化，于是便引入了系统误差；传感器方面，由于精度的限制，必然会引 入一定的误差；操作方面，在使用仪器设备进行检测的过程中，多少会有一些 不确定的因素，这也会影响测量结果的精度。对于该系统，误差可以大致分为 两个主要的方面：测量误差和定位误差。 2 2 1 测量误差 钡4 量误差是由测量机构、传感器和数字化误差等引起的误差，根据式( 1 ) 亓 知，滚轮中心的坐标值( 而，y 3 ) 的误差可以由坐标点( 五，y 1 ) 的误差、两连杆长度厶 和厶的误差、测量转角最的误差和测量转角岛的误差引起。设它们的偏差分别 为缸、觚、他、屿、岛和岛，引起的滚轮中心的坐标值( 屯，y 3 ) 的偏差 为挑和挑。根据式( 1 ) 的偏导数有最大误差估计式： i i 缸i + 隆他i + 隆必l + | 嚣b l + i 薏岛l = i 缸l + i s i n q 厶i + l s i n ( 儡+ 岛) 必i + ( 9 ) l ( 厶c o s 0 。+ 厶c o s ( e , + 岛) ) q l + i 厶c o s ( q + 岛) 幺i 蚬i i y , i + 匦m 1 1 1 + 隆必l + | 篝q l + l 薏岛l = l a y , l + l s i n a , z x l , l + l s i n ( 臼, + 岛) 必l + ( 1 0 ) i ( 厶c 。s a t + l 2c 。s ( 研+ 岛) ) q l + i 厶c 。s ( 幺+ 幺) a 4 i 1 4 第2 章算法原理及误差分析 测量转角q 和岛的函数。对于踏面坐标点的误差，可以用下式估计： 谢裂茄_ 船i n 口8 篙a t 9 ， i 硪i l 姒l + l c o s 口缸i + i r s l 一 略去高阶微量目得： 幽刹裂a m ， i 硪l i 挑l + l c o s 臼，i v 叫 而对于离散系统，可以得到滚轮中心点的坐标序列的误差估计- - i 以表示为： 雠卜耀三i 篡兰访：篙f 2 i 掣_ 卵+ 吣刮，l ( 厶c o s 钟+ 厶c o s ( 钟+ 霹) ) 卵l + i 厶c o s ( 卵+ 鳄) 鳄i 。 踏面曲线坐标点的序列值误差估计可以表示为： i 耐i i 叫i + l s i 心l m 、 i 耐i m l + l c o s 弘血l 叫 根据实际检测所得的数据，如图2 3 所示。 可以估计出，当测量轮缘部位时，转角钟的变化范围为3 7 。0 。，转角吖+ 露 的变化范围为1 0 5 。8 5 。 当测量轮对踏面平坦部位时，转角钟的变化范围为0 。一6 0 。，转角钟+ 酲的 变化范围为8 5 。4 0 。 将各变量序列值代入式( 1 3 ) 、式( 1 4 ) 和式( 1 5 ) ，得到各组不同取值下的踏面 曲线坐标点的误差估计，取其在不同区段的最大值，如表2 1 所示。 由此可以得到，在整个踏面外形的测量过程中，包括轮缘区段和踏面区段， 横向坐标的最大误差为0 0 7 2 0 m m ，纵向坐标的最大误差为0 0 7 5 0 m m 。 q0 彰 鳄 + 钟 - 咖 必k 、厂卜 醪吖 + 钟诊 州坦卜钟 鸲呲 泖心卜卵 + n “一 陟化 一掣 第2 章算法原理及误差分析 图2 3 实际检测的踏面外形与传感器角度 表2 1 踏面曲线坐标序列的最大误差估计 心i m m弩；m m硝m m a y ；m m 矿。 甜 m m 轮缘区段 0 0 6 1 60 0 7 5 00 0 5 2 20 0 7 1 60 50 o l 踏面区段0 0 7 2 00 0 7 4 00 0 7 1 l0 0 6 4 15 7 00 0 l 馘m m 勾：m m 卵。 ( 卯+ 醪) 。 a 钟t a d a 露t a d 轮缘区段 0 0 2 50 0 2 53 7 o1 0 5 8 52 1 0 - 42 1 0 - 4 踏面区段0 0 2 50 0 2 50 _ 6 08 5 4 02 1 0 - 42 1 0 - 4 厶m m厶m m厶m m必m m 轮缘区段 6 3 7 5 o o l0 0 1 踏面区段6 37 5o 0 10 0 1 第2 章算法原理及误差分析 2 2 2 误差贡献 测量误差主要来源于两个方面，一是机械加工的误差，包括厶、必和， n 夕b - - 个方面是传感器精度误差，包括卵和a o ；。下面分别分析这两类误差对 测量误差的贡献。 对于机械加工误差，由于他、必和，都是由于机械加工的精度而引起的 误差，属于同一类误差来源，所以可以假定屿= 必= 血= a i 。代入式( 1 3 ) 、( 1 4 ) g l ( 1 5 ) ，可得 憎卜掣c o ss i n 0 ，裟c o s ( f f l 8 1 篇篡群己e o s ( 0 r 堋酬+ s i n0 叫a i ， l ( 厶 + 厶 + 劈) ) 钟l + l 厶+ 鳄) 。鲤i ” i 防怿蹲s i n 葛嚣篙黜a 钟i + i l i + ：s i n ( 8 ，嘲刚+ l c o s o 一a i 忉 l ( 厶 钟+ 厶s i n ( 卵+ 舅) ) + g ) 劈ll 以上两式分别对a i 求导数，可得 l 等l = | s i i n o , n i + i s i i 州堋i 矿i ( 1 8 ) i 等i = i c o i s 钟l + l c o is ( 钟嘲l + i c o is 矿i ( 1 9 ) 将实测数据代入计算，可得轮缘区段： 嗍删。观5 3 8 。，矧m a x - ”啪； 踏面区段： 删酬。乩6 幽，矧观3 跏。 a i 基本是在0 0 1 m m 0 1 0 m m 这个数量级，对于假设精度的加工要求，可以 假设a i = 0 0 1 m m ，此时机械加工精度，对整个测量误差的贡献最大值为： l 坐生1 ，：2 5 3 8 0 0 0 1 历聊：0 0 2 5 4 m 川 i d a 7b 肘。 这个值相对于整体误差来讲是相当可观的，因此提高机械加工精度对测量 1 7 第2 章算法原理及误差分析 得 对于传感器精度误差，可令钟= 彰= 铭。代入式( 1 3 ) 、( 1 4 ) 弄- o ( 1 5 ) ，可 峙卜裂c o ss i o f 曼叫c o s ( + | 钟篇嚣l 甚c o s ( o f 嘲划+ i s i n0 叫a t - i ( 厶 + 厶 + 彰) ) 铭i + i 厶+ 劈) 铭i ” i 、。 防卜甚s i + i n 辜芝鸽s i n ( o l + f 譬三篡 麓蔓。卵+ o f ) 铭i + l c o s o 。a r i c 2 - ， i ( 厶 钟+ 厶 + 霞) ) l + l 厶s i n ( 卵+- 铭j i 、。 以上两式分别对铭求导数，可得 = l 厶c o s o f + l ：c 。s ( 0 7 + 露) | + l 厶c o s ( 钟+ 彰) i ( 2 2 ) | 籍h s 洫钟蝴i n ( 卵嘲l + | 蜘n ( 钟堋l ( 2 3 ) 将实测数据代入计算，可得轮缘区段： 矧俐。堋总4 9 ， 踏面区段： i 籍l 娟2 = 1 8 7 0 4 6 3 ： = 1 3 9 9 4 4 l 。 t a p m a x 当编码器精度取值范围为3 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 p p r 时，铭的取值范同基本在 1 5 7 0 7 x 1 0 4 5 2 3 5 6 x 1 0 4 r a d 。假定铭= 2 x 1 0 4 t a d ，此时编码器精度铭对整 体误差的贡献最大值为 铭= 1 8 7 0 4 6 3 2 x 1 0 一= 0 0 3 7 4 m m 。 f i g m a x 这个值相对于整体误差也是非常可观的，因此提高编码器精度对测量误差 的降低会有比较明显的效果。 实际上，可以通过测量标定的方法，用高精度的测量尺具将测量转臂厶、厶 的长度和滚轮半径r 的实际值检测出来，这样就可以在很大程度上减少机械加工 的误差他、鸲和，对测量误差的贡献量。如果再将传感器精度提高到 1 0 0 0 0 p p r ，即铭= 1 5 7 0 7 x 1 0 4 t a d ，将参数代入到式( 1 3 ) 、( 1 4 ) 和( 1 5 ) ，可得表 蔫 籍 第2 章算法原理及误差分析 2 2 。 表2 2 改进后的踏面曲线挫标序列的最大误差估计 呶；m m姆；| m 黻鹾m ma y ；m me 。| a r m m 轮缘隧段 o 0 3 7 5o 0 5 4 4o 0 3 7 5 o 0 5 4 4 0 5 0 踏爵嚣段0 o s 0 6o e 4 7 0o 0 5 0 6o 。0 4 7 0 5 7 0 0 呶：m m 弩：m m 钟。( 吖+ g ) 。a 8 ：r a d a e ：t a d 轮缘嚣段0 。0 2 5o ，0 2 5 3 7 o1 0 5 8 5l 。5 7 l o “1 。5 7 1 0 - 4 踏面隧段0 0 2 50 0 2 5 o 一- 6 08 5 4 01 5 7 1 0 q1 5 7 l o _ 4 厶所棚l 2 m m她m ma l 2 m m 轮缘医段6 37 5oo 踏面隧段 6 37 500 2 2 3 定位误差 除了测量误差外，最终的误差还包含定位误差。对于轮对定位误差主要有： 横向定位误差、垂向定位误差、径向定位角度误差和定位面夹角误差。其中横 囱定位误差和垂向定瓴误差影响外形辐对于轮轴坐标系麴位置；蕊径囱定缎角 度误差和定位面夹角误差影响外形的检测精度。径向定位角度误差会使轮缘部 分畸变较踏露部分更大，定位谣夹角误差会使踏面的斜度发生变化。定位西夹 角误差主要通过磁性吸铁和轮对内侧面的平整度采保证。因此，在进行测量操 作时，一定要保证仪器的定位准确、稳定。测量之前要将车轮踏面擦拭干净， 以保证仪器的定位面平整；在测量过程中动作要轻，不能滋现仪器松动的现象。 2 。3 几何接触的计算方法 轮对与轨道接触几何学( 在不会引起误会时，简称轮轨接触几何学) 主要 研究与机车车辆轨道系统动力学性能密切相关的轮轨之间的几何关系及参数 8 1 。 它从几何学角度，探讨影响机车车辆动力学性能以及轮对与钢轨使用寿命的因 素。其研究结果可以用于视车车辆戆计算祝辅助设计，如横向稳定性计算、随 机响应计算及动态曲线通过计算等，还可用于轨道几何参数和轮轨外形的合理 1 9 第2 章算法原理及误差分析 选择。此外，对轮轨接触区的应力分析和轮轨磨耗的研究等也都有实际的应用 价值。 2 3 1 轮轨接触几何学参数 图2 4 所示为一轮对在直线轨道上滚动时的端视图，轮对的运行方向指向纸 内。当外轨无超高时，左右两股钢轨轨顶的公切面平行于水平面。上述两股钢 轨的轨底坡分别以届和p r 表示。轨距自上述公切面下1 6 m m 处测量，以毋表示。 轮缘内侧距以g ，表示。左右两轮上距轮缘内侧t 处的圆周就是车轮名义上的滚 图2 4 轮轨接触几何学参数 动圆。对新的轮对来说，左右两轮滚动圆半径相等，图中均以r o 表示。当轮对中 心向右偏离轨道中心线儿，而处在图示位置时，车轴中心线与轨顶平面间的夹角 吮，称为轮对侧滚角( w h e e l s e tr o l la n g l e ) 。在图示情况下，破，为负值。左右两 轮与钢轨接触点处的实际滚动圆半径分别用r t 和艺表示。左右两轮与钢轨接触面 的切面与水平面之间的夹角，即接触角( c o n t a c ta n g l e ) ，分别以4 和4 表示。 在研究轮轨几何关系问题时，主要涉及以上这些几何学参数( 么，巧，4 ，4 ) 。它 们原则上都是轮对横移量y 。以及偏转角的函数。但由于偏转角不大，即使在通 过小半径曲线时，也很少超过2 。，它对这些几何学参数只产生二阶的影响，故 一般可简化为仅对轮对横移一个独立变量的分析。 2 0 第2 章算法原理及误差分析 i ； _ i 才铲。 订p 一矽t ， e ， i o 图2 5 滚动圆半径差之半随横移量的变化 图2 5 为左右轮滚动圆半径差之半与轮对横移量y 之间的函数关系图，0 为滚动圆偏距。在滚动圆偏距的范同内，函数的曲线接近于一条直线，那么从 中可以导出一个最基本的参数，即该直线的斜率等效斜率以。 2 3 2 几何接触参数的算法 二维计算中假定轮对的摇头角度为零，接触点全部位于轮轴线所在的径向 平面内。如图2 6 所示，虚线为轮对相对于轨道的横移量为零时的左右车轮轮廓 外形，轮对的几何中心为0 点，也是车轴中心。横移后的几何中心点d l 的横向 偏移量为轮对的横移量y 。 图2 6 几何接触参数的算法 2 1 第2 章算法原理及误差分析 接触点的计算采用了轮对下滑法，即首先将轮对向上提一定的高度，再将 其侧滚一个足够大的角度，分别计算左右轮与左右轨问的最近距离z 和z ，。然 后根据z f 和z ，用式( 1 6 ) 对侧滚角进行修正，直至左右的最近距离差i 乙一z ，l 小 于预先设定的一个足够小的常数为止。 7 7 无= 九+ 警 ( 1 6 ) | 口 式中，a 为轮对名义滚动圆间距之半。 算法流程如图2 7 所示。 图2 7 侧滚角的算法流程图 得到接触点， 计算r l 和r r 根据滚动圆半径差之 半与 轮对横移量之间的关 系， 求解等效斜率九e 例如，假定y 。，= 1 0 m m ，口= 7 3 7 m m 。首次计算时，假定轮对的侧滚角 丸= 0 0 1 x l y 。 r a d = 0 1 0 0 r a d ，求得左侧轮轨之间的最小距离z ，为2 3 8 9 7 8 m m ， 右侧轮轨之间的最小距离z ，为4 1 2 3 9 9 m m 。左右侧最小垂向距离差 z ，一z ，= - 0 3 4 2 1 m m ，再将这两个值代入式( 1 6 ) ，得到藐，= 0 0 9 4 r a d ，即新的轮 对侧滚角丸= o 0 9 4 r a d 。再根据这个侧滚角的值，去计算左右轮轨之间的最小 距离。重复这个过程，直至i z ，一z ，l = o o l m m ，此时的接触点即为真实的接触 点。再分别计算左右轮的滚动圆半径巧和，得到滚动圆半径差之半( 巧一) 2 。 取不同的) ，w ，计算出与其相对应的( 巧一) 2 ，则可得到类似于图2 5 所示的结 果。再计算拟合直线的斜率，即可求出轮对的等效斜率。 第3 章系统设计 3 | i 系统需求分析 第3 章系统设计 本测量系统的主要任务是对机车车轮踏面的外形进行检测，对踏面外形的 数据进行计算，得到能够有效表征车轮踏面外形特性的参数，并记录踏面外形 的曲线数据。通过对现场操作人员的需求和现场测量过程的分析，奉测量系统 应该满足如下的要求。 l 、仪器重量轻，便于携带和安装。在现场测量的操作过程中，测量单个车 轮时，需要完成仪器在率轮上的安装定位、检测操作、从车轮上拆下仪器这三 步主要操作步骤，丽现场测量工作往往需要对上百个车轮进行检测，因此折装 工作量非常的大，这就要求仪器自身的重量非常轻，一方面可以有效降低工作 人员的劳动强度，提高测董精度，另一方两由于仪器是依靠磁铁吸附在车轮上， 因此较轻的自熏有助于提高仪器在车轮上的安装可靠性。要使仪器的自重达到 最小，其中一项主要的因素就是系统电路板的大小。因为如果电路板太大，放 置电路板的金属外壳就会随之做得很大，蠢重就会随之增加。因此，在设计电 路时，应该尽量控制电路板的面积，而且电器元件的体积和重量都应该尽量选 择