基于激光位移传感器的车轮踏面磨损检测技术研究

０   引言

      火车车轮踏面磨损将影响车轮与钢轨的相互 作用，导致车 轮 对 钢 轨 产 生 冲 击、轮轨间粘着力下 降、车轮容易 打 滑 和 制 动 性 能 降 低 等，严 重 影 响 列 车行驶安全［１］。因此，必须定期或定里程检测 车 轮 踏面磨损情况，以确定车轮是否需要进行旋修或更换，从而避免安全隐患［２］。随着高速铁路和城市地 铁的快速发展，迫切需求便携式、检测效率高、精度 高的小型智能化的踏面磨损检测仪器［３］。综合分析 现有的踏面检测方法，应用激光位移传感器进行踏 面检测可满足上述需求［４］。基于激光三角测量法的 激光位移传 感 器 不 但 体 积 小、结 构 简 单、具 有 高 的 测量精度和 检 测 效 率，而 且 输 出 信 号 易 于 采 集、处理，有利于实现自动化测量［５］。但由于车轮踏 面 轮 廓高度变化范围大（３０ｍｍ 左右），且轮廓曲线斜率 变化大，使得传感器测量光束入射角变化大，影 响 测量精度，甚至出现测量失真。对入射角与位移测 量误差的关系和仪器设计中的关键问题进行研究。

１   踏面轮廓特征与扫描测量原理

      车轮踏面轮廓如图１所示。内侧面与踏面之间 的凸出部分 称 为 轮 缘，它限制车轮横向位移，防 止 机车出轨。图中实线Ｆ－Ｈ －Ｇ段为标准车轮踏面 轮廓（即新车轮轮廓），其中Ｈ－Ｇ段为主要承力段， 与钢轨发生滚动摩擦；Ｆ－Ｈ 段与钢轨内侧面接触， 同时受到滑动摩擦力和滚动摩擦力的作用。火车驶 入弯曲路线时，轮缘与钢轨内侧面的横向力增 加， 加大了Ｆ－Ｈ 段的磨损。频繁磨损后的车轮踏面变 为虚线Ｆ－Ｄ－Ｇ 段 ［６］。由此导致轮缘高度增大， 踏面斜度减 小，车 轮 强 度 降 低；车轮呈非圆化状态 对轨道系统寿命和乘坐舒适性产生严重影响，列车 运行平稳性随之降低，产生安全隐患［７］。

     描述踏面轮廓曲线的坐标系如图１中的 ＸＯＹ。 坐标原点Ｏ 为踏面基准 点，距 内 侧 面７０ｍｍ，Ｘ 轴 平行于车轮轴线方向，Ｙ 轴垂直于车 轮 轴 线。踏 面 磨损检测就是 测 量 磨 损 后 踏 面 轮 廓 线 上 各 点Ｙ 坐 标相对于 踏 面 轮 廓 标 准 值 的 变 化。不 同 型 号 车 轮 的踏面轮廓标准值不同，图１为 ＬＭＤ－２８型车轮的 标准参 数，其 轮 缘 高 度ｈ＝２８ ｍｍ，轮 缘 厚 度ｂ＝ ３２ｍｍ。

       根据踏面轮廓特点和基于激光三角测量法的 位移传感器 特 点，经过实验测量验证，确 定 测 量 方 案如图２所 示。传感器采用直射式激光位移传感 器，传感器测量光束所在平 面（即由入射光束和线 阵 ＣＣＤ的像元素排列方向所确定的平面）与踏面轮 廓线所在平面（即坐标面 ＸＯＹ）垂直，并与车轮轴线 成一定夹角。测量方案特点：

       ①若测量 光 束 所 在 平 面 与 ＸＯＹ 平 行，随 着 踏面轮廓曲线斜率的变化，测量光束在踏面上的投射 光斑近似椭圆状，椭圆的长轴沿轮廓线走向。当斜 率很大时，光 斑 甚 至 变 成 沿 轮 廓 线 走 向 的 长 条 状。 由激光三角测量原理，长条状光斑在传感器内线阵 ＣＣＤ 上所成的长条状像沿 ＣＣＤ 像素排列方向散 开，像的中心在 ＣＣＤ 上的位置发生变化，引起测量 误差。而图２所示的扫描测量方案使得长条状光斑 在线阵 ＣＣＤ上所成的长条状像的走向垂直于 ＣＣＤ 像素排列方向，像的中心在 ＣＣＤ上的位置不变。

       ②扫描测量过程中，测量光束的入射角随踏面 轮廓曲线斜 率 的 变 化 而 变 化，且 变 化 范 围 大，从 而 引起测量 误 差。为 此，将 传 感 器 倾 斜 安 装，传 感 器 通过安装板和连接板与螺母相连接，通过调节安装 板与连接板之间的夹角，使测量光束所在的平面与 Ｙ 轴成夹角θ。传感器沿 Ｘ 轴方向扫描测量，每 移 动 ΔＸ，对踏面轮廓上与之对应的被测点进行测距， 得到测量值Ｌ；对Ｌ 进行修正，转换为坐标系中的Ｙ 坐标。最后 将 各 被 测 点 的 坐 标 值 绘 制 成 踏 面 轮 廓 曲线。

       由图 ２ 中 几 何 关 系 可 导 出 被 测 点 Ｐ 的Ｙ 坐 标为：

        Ｌ０ 为丝杠中心线到 Ｘ 轴的距离；Ｌ１ 为传感器 测量光束出射口到丝杠中心线的距离。

２    传感器测量光束入射角α对测量精 度的影响

     为了研 究 光 束 入 射 角α 对 位 移 测 量 精 度 的 影 响，设计了图３所示的测量实验。被测物体为一圆 柱体，传感器测量光束平行于 Ｘ 轴。当对Ｐ 点进行 测量时，传感器沿Ｙ 轴的移动距离为Ｐ 点的Ｙ 坐标 ＹＰ。设Ｐ 点到传感器实际距离为Ｌ，而传感器的实 测距离为ＬＰ，则 ＬＰ －Ｌ 为 测 量 误 差。由 图３的 几 何关系，线 段 Ｐ０Ｃ（Ｐ０ 为 过 Ｐ 点 作 Ｘ 轴 垂 线 的 垂足）为：

      则测量误差为：

    　测量光束在Ｐ 点的入射角为：

        根据上述测量原理，用圆度测量仪搭建实验装 置，分别对外圆直径已知的铜管和轴承被测件进行 了实验测 量。首 先，通过观察传感器输出，调 节 传 感器在 Ｘ 轴和Ｙ 轴方向的位置，确定被测件与传感 利器之 间 的 距 离 保 持 在５０ ｍｍ 左 右，完 成 初 始 定 位。然后，转动Ｙ轴手柄，分别完成传感器从基准点 Ｃ 到点Ａ（沿Ｙ 轴正方向）和点Ｂ（沿Ｙ 轴负方向）的 测量，每移动１ｍｍ，记录一个测量数据。根 据 测 量 结果绘制 ΔＬ－α的关系曲线，如图４所示。

       实验结果表明，① 当α小于某一值时，ΔＬ随着α 的增大缓慢增大；当α大于该角度时，ΔＬ随着α增大 而快速增大；② 被测表面质量影响ΔＬ随α的变化规 律。入射角α相同时，被测表面越光滑，则测量误差 ΔＬ 越小。

      因此，在车 轮 踏 面 磨 损 检 测 装 置 设 计 中，将 传感器倾斜安 装，使 得 在 整 个 扫 描 测 量 范 围 内，入 射 角α不会引起测量精度的剧烈变化［８］。

３    测量装置设计与实验测量

３．１ 测量装置设计

      测量装置如图５所示。两侧支撑板的两端分别 固连在立柱板和轴承座上，构成检测装置的主体框 架。电 机 选 用 常 州 惠 勒 电 机 有 限 公 司 生 产 的 ５７ＥＡ４Ｓ－０５－００３型两相 混 合 式 步 进 电 机，电 机 与 丝 杠为贯通轴 式 结 构，无 需 联 轴 器，结 构 简 单、紧 凑。 丝杠－螺母副传 动 比 大，对步进电机力矩要求低。 通过调节步进电机的细分倍数和脉冲频率，精 确 控 制 传 感 器 移 动。 传 感 器 采 用 本 实 验 室 已 有 的 ＣＤ３３－５０Ｎ（Ｐ）Ｖ 型 激 光 位 移 传 感 器。 传 感 器 固 定 在 安 装 板 上，通过调节安装板和连接板 之间的 夹 角，使 传 感器倾斜θ角，调整后由螺钉锁紧。连接 板与螺母固连，且连接板上的光孔与限位导杆之间 为小间隙配合，由此限制螺母转动，而 只 能 沿 Ｘ 轴 方向移动。测量时，两根定位柱紧贴轮缘顶端，实现 Ｙ 轴方向的定位；立柱板内侧面嵌有两块４０ｍｍ× ２０ｍｍ×５ｍｍ 磁铁，吸紧车轮内侧面作 为 Ｘ 轴方向测量基准。

３．２ 测量实验

      实验系 统 如 图 ６ 所 示。计 算 机 与 ＮＩＥＬＶＩＳ Ⅱ＋ 通过 ＵＳＢ 线 连 接。直 流 开 关 电 源１、２分 别 为 电机驱动器和传 感 器 提 供２４Ｖ／３Ａ、２４Ｖ／５Ａ 供 电。示波器用于检测接线端口、ＮＩＥＬＶＩＳ Ⅱ＋ 控制 电压 信 号 是 否 正 常。电 机 驱 动 器 的 ＰＵＬ－端 口 和 ＤＩＲ－端口分别与 ＮＩＥＬＶＩＳ Ⅱ＋ 的 ＡＯ０、ＡＯ１端口 连接，计算机通过 ＬａｂＶＩＥＷ 程序，将连续脉冲信号 和正反转信号 发 送 到 ＮＩＥＬＶＩＳ Ⅱ＋ 的 ＡＯ０、ＡＯ１ 端口输出，实 现 对 步 进 电 机 的 控 制；传 感 器 输 出 的 电压信号送入 ＮＩＥＬＶＩＳ Ⅱ＋ 的 ＡＩ０＋ 端口，计算机 经 ＮＩＥＬＶＩＳ Ⅱ＋ 内部 Ａ／Ｄ 采集 ＡＩ０＋ 端口的电压 信号，得到位移测量结果，并对测量数据进行存储、处理、绘制轮廓曲线等。

       需要说明，ＣＤ３３－５０Ｎ（Ｐ）Ｖ 传感器量程为５０± １０ｍｍ，由于传感器倾斜安装，实际测量范围远小于 车轮的轮缘高度。因此，采用分段测量方法实现对 整个踏面的测量，参见图２。设 Ｐ 点为分段测量的 分界点，先测量 Ｐ 点左侧的弧状轮缘段；然后，沿Ｙ 轴向下调节传感器距Ｘ 轴的距离（或向上调节被测 车轮），调节量为Ｈ，由式（１）可得Ｐ点右侧踏面的Ｙ 坐标为：

       由参数Ｌ０，Ｌ１，θ和 Ｈ 的 误差所引起的测量误 差属于 系 统 误 差，可 利 用 系 统 误 差 校 正 方 法 予 以 消除。

３．３ 测量结果分析

       实测样件为车轮的一部分（由合作单位青岛艾 科瑞特科技发展有限公司提供），测量结果如图７所 示，图 中 实 线 是 由 手 持 式 三 维 激 光 扫 描 仪 （型 号 ＣＲＥＡＦＯＲＭ ＲＥＶｓｃａｎ）测 得 的 曲 线，三 条 虚 线 分 别对应不同角度θ的测量结果。可见，θ＝３０°测得的 踏面轮廓曲线与三维 激光扫描仪测量结果吻合 更好。

      测量过程中产生误差的主要原因分析：①机械 结构加工及安装误差，属于系统误差。在实际仪器 制成后，通过 系 统 误 差 标 定 可 以 消 除；②测 量 定 位 基准误差，由 Ｘ 和Ｙ 方向的定位误差引起。本文的 实验测量是采用分段测量，两段之间的重新调整定 位可能引 入 较 大 误 差。采用量程大的传感器则无 需分段测量，也 就 不 存 在 这 项 误 差；③入 射 角 变 化 及其他随机因素引起的误差为随机误差。

４   结束语

      通过对车 轮 踏 面 轮 廓 特 征 和 传 感 器 三 角 测 量 法的理论分 析，给 出 了 踏 面 轮 廓 扫 描 测 量 方 案：传 感器测量光束所在平面与踏面轮廓线所在平面垂 直，并与车轮轴线成一定倾斜角。该测量方案的优 点：①传感器测量光束在踏面上斜率大的被测点的 投射光斑虽为长条状，但该光斑在传感器 ＣＣＤ上所 成的长条状像的走向垂直于 ＣＣＤ像素排列方向，可 减小位移测量误差；②踏面轮廓线上各点斜率变化 大，导致传感器测量光束入射角α随测点位置变化 而引起位移测量误差 ΔＬ，将传感器倾斜角安装，使 得整个 扫 描 范 围 内，α 不 至 于 过 大，从 而 有 效 减 小 ΔＬ 。根据上述 测 量 方 案，自 行 研 制 了 踏 面 磨 损 检 测装置，并对实际车轮踏面进行测量。所测得的踏 面轮廓曲线与手持式三维激光扫描仪测得的曲线 进行对比，吻合较好，验证了检测装置切实可行。

       需要指出，传感器倾斜安装方案虽然可以解决 踏面轮廓线上各点斜率变化大引起的测量误差问 题，但需要采用更大量程的传感器才能满足踏面轮 廓尺寸变化范围大的测量要求，而激光位移传感器 的分辨率随量程的增大而降低。为此，本课题组进 一步的研究工作是采用仿形机构，使传感器沿着标 准车轮 踏 面 轮 廓 的 仿 形 导 轨 移 动，仅 采 用 小 量 程 （±５ｍｍ）的位移传感器，即可实现踏面轮廓测量。