列车轮对踏面损伤自动检测系统设计

１ ． ３ 激 光 位移传 感器 的测 量原 理 ：
激光位移传感器是一种非接触式的精密激光测量系统 ， 它具有适应性强、 速度快 、 精度高等特点 ， 适用于
检测 回转 体 的尺寸 和形位 误差 。
在该系统 中， 采用激光位移传感器来检测车轮踏面的尺寸 ， 进而获得踏面损伤程度。激光位移传感器设
提高 系统 的测量精度 。最后 ， 在该 系统 的 Ｍｍ ｌ ａ ｂ仿真 中 ， 光重心法能够有效抑制外界干扰 ， 实现 了比以往方 法更 高
的测量精度 。 关键词 ： 激光位移测量 ； 踏面检测 ； 光重心法 ； 电荷 耦 合 器 件 （ Ｃ Ｃ Ｄ ）
中图分类 号 ： Ｔ Ｈ ８ ６ ５
（ 长春理工大学
摘
机 电工 程学院 ，长春
１ ３ ０ ０ ２ ２ ）
要： 提 出利 用 激 光 位 移 传 感 器 对 列 车踏 面 损 伤 程 度 进 行 自动 测 量 的 方 法和 测 量 系统 的 总体 设 计 。 在 该 测 量 系
统 中， 应 用 激 光 三 角法 实现 对 列 车 车轮 踏 面 损 伤 程 度 测 量 ， 同时， 利 用 光 重 心 法 对 测 量 数 据 进 行 优 化 处理 ， 进 一 步
第２ ３卷
第１ ０期
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大
学
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报
Ｖｏ ｌ ＿ ２ ３ Ｎ ｏ ． １ ０ ０ ｃ ｔ ．２ ０ １ ３
２ ０ １ ３年 １ ０月
Ｊ Ｏ ＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｃ ＨＡＮＧＣ ＨＵ Ｎ ＵＮＩ ＶＥ ＲＳ Ｉ Ｔ Ｙ
列 车 轮 对 踏 面损 伤 自动检 测 系统 设 计
刘 畅 ，姜 涛
目 前， 各 国研究机构对列车车轮踏面损伤检测投入了很多精力并取得 了一定成果。一般来说大体上分 为 两大类 ， 一 类是 静态 检 测 ， 一 类 是动 态 检 测 。静 态 检 测 方 法虽 然 精 度 高 ， 但 是 列 车需 要 停 止 运行 ， 效率 较 低 。因此 ， 动态检测成为人们的理想选择。在动态检测方面， 较为突出的几种方法为 ： 振动法 ， 超声法 ， 光 电 检测 法 。光 电检 测法 很早 就运 用 到 了列 车 踏面 的检 测上 ， 但 是多是 静态 检测 ， 近年 来 随着传感 器 和计算 机 的 迅速发展 ， 光 电检测法开始向动态检测方面转变 ， 本文就是利用光电检测方法 中的一种来进行检测 。
计采 用 了激 光三角 测量 原理 。
踏 喵位 置
图 ３ 激 光 三 角 测 量 原 理
如图 ３所示 ， 激光 位移 传感 器工 作时 ， 激光 器发 出一束光 ， 通 过 光学 系统 ￡ 在被 测 物体 表 面 上形 成光 斑
０点 ， 接收光学系统 Ｌ ： 则将其成像在 Ｃ Ｃ Ｄ的光敏面 ０’ 点处。当被测物体的表面发生变化时 ， 即光斑 由 ０点 移动到 ０ 。 时， 其像点也必然发生变化 ， 即光斑 由 ０ ’ 相应的移动到 ０ ’ 处。设 Ｃ Ｃ Ｄ光敏面与成像透镜光轴之 间的夹角为 ， 激光发射光束轴线与成像透镜光轴之间的夹角为 ， 则根据三角关系可得 出下列等式成立 ：
作 者简介 ： 刘 畅（ １ ９ ８ ６ 一 ） ， 女， 吉林长春人 ， 硕士研究生 ， 主要 从事在线检测理论与技术方面研究。
姜涛 （ １ ９ ６ ９ ・ ） ， 男， 山西大 同人 ， 研究员 ， 博士， 主要从事光 电在线检测技术方面 的研究工作 。
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报 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第２ ３卷
１ ． ２ 踏面 损伤 的检 测原 理
踏 面部分 所要 求测 量 的尺 寸 ， 如 图 １所示 为车轮 踏 面剖 面图 ， 踏面磨 耗 Ｊ为 图 １中所 示 的距 离 Ｄ再 减去 一个 常数 。它们所 要求 的测量 精度 均 为 ０ ． ２ ｍ ｍ。
Ａ
、
毒
ｌ
激 光 位 移
步进 电机 传感器
高度
｝
图 ２ 测 量 装 置 图 收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ ９ － ０ ８
ｔ ａ ｎ ＝ ｔ ａ ｎ ０ （ １ ）
根 据三 角形 的相 似定 理可 以得 出下 列关 系式 ： 当光斑 由 ０点移 动到 ０ 时
检测 系统 主要 由激 光位 移传感 器完 成 ， 测量 时 ， 测 量 装置 安放 在 列 车 轮 的正 上 方 ， 位 置相 对 静止 。进行 踏 面检测 时 ， 检测 单元 以螺旋 扫描 的方 式对 车轮 踏 面进行 扫描 。 即 ， 在单 片机 的控 制下 ， 步进 电机 匀速 转 动 ， 带 动光学 测量 组件 匀速 沿车 轴方 向移 动 。若 车轮 踏 面某 处 存 在 损 伤 ， 则 随着 车 轮 的 转 动 ， Ｃ Ｃ Ｄ上 的反 射 光 斑 会 随之移 动 ， 通 过计 算该 偏移 量 即可得 出踏 面损 伤 的程度 。如 图 ２所 示 。
１ 踏面损伤 的检 测原理
１ ． １ 踏 面的 检测 参数
列车 轮对 是 由两 个相 同的车轮 和 一根 车轴组 成 。车 轮滚 压 在 钢轨 上 的接 触 部 分称 为踏 面 ， 车 轮 踏 面 内
侧有一沿 圆周突起 的凸缘称为轮缘 。机车车辆部门对各型列车轮对轮缘的磨耗限度均有 明确的规定 ］ ， 主 要通过测量轮缘厚度、 轮缘高度来判断踏面磨耗程度。轮辋宽 Ａ 、 轮辋厚 Ｂ 、 轮缘厚 ｃ和踏面磨耗 Ｊ 为车轮
文献标志码 ： Ａ
文章 编号 ： １ ０ ０ ９— ３ ９ ０ ７ （ ２ ０ １ ３ ） １ ０—１ ２ １ ５— ０ ６
列 车轮 对是 列车 主要 的行 走部 件 ， 对列 车 的安 全运 行 至关 重 要 ¨ Ｊ 。在列 车 运行 的过程 中轮对 易 发 生各 种磨 损 ， 磨 损 后每 个轮 对 踏 面特征 均会 发 生 变 化 。 当前 我 国对 轮对 踏 面 的检查 多用 手 工 完 成 ， 检 测精 度 不 高、 效率 低 ， 难 以满足 社会 需求 。