機(jī)車輪對(duì)在線檢測(cè)裝置

課程名稱：機(jī)車檢測(cè)與故障診斷設(shè)計(jì)題目：機(jī)車輪對(duì)在線檢測(cè)裝置院系：班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：大學(xué)20年月日機(jī)車輪對(duì)在線檢測(cè)裝置摘要由于輪對(duì)狀態(tài)的好壞直接影響列車的行車平安和整個(gè)機(jī)車車輛系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)的穩(wěn)定性，因此需要對(duì)機(jī)車輪對(duì)進(jìn)行檢測(cè)和故障診斷。本文首先簡述輪對(duì)常見故障及其質(zhì)量狀況動(dòng)態(tài)檢測(cè)的重要性和必要性，并概括了國內(nèi)外輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀。然后從功能、檢測(cè)原理、系統(tǒng)組成等幾方面對(duì)“機(jī)車輪對(duì)在線檢測(cè)裝置”做簡要介紹。關(guān)鍵詞輪對(duì)；故障；動(dòng)態(tài)檢測(cè)引言：車輪是機(jī)車走行部的重要部件，在運(yùn)行的機(jī)車車輛中，輪對(duì)直接受軌道的沖擊作用，是工作條件最惡劣的部件，也是機(jī)車走行部最容易出故障的部件。輪對(duì)局部的故障常常是車輛系統(tǒng)和運(yùn)行線路系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)發(fā)生惡化的原因。如果出現(xiàn)了輪對(duì)故障，不及時(shí)的進(jìn)行處理，將會(huì)引發(fā)車輛運(yùn)行的平安事故，嚴(yán)重的還將會(huì)導(dǎo)致車輛顛覆、脫軌等現(xiàn)象，給鐵路運(yùn)輸帶來巨大的損失，給人們的財(cái)產(chǎn)和人生平安造成巨大的威脅。因此，對(duì)機(jī)車輪對(duì)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷至關(guān)重要。一、輪對(duì)常見故障列車輪對(duì)的故障主要是輪緣及踏面磨耗，其次是踏面剝離和擦傷，而整體鋼輪發(fā)生裂紋的情況比較少見。1.輪緣磨耗主要由于輪緣與鋼軌正常摩擦或轉(zhuǎn)向架車軸間不平行，使轉(zhuǎn)向架出現(xiàn)梯形，承重中心將向車軸間距離較小的一側(cè)偏離，使其輪緣與鋼軌貼近，加劇磨耗。輪緣外側(cè)磨耗使角點(diǎn)與輪緣頂點(diǎn)重合，在輪緣頂點(diǎn)處形成的尖端叫做鋒芒。當(dāng)通過道岔時(shí)，輪緣鋒芒可能豁開道岔的尖軌而造成脫軌。當(dāng)車輪材質(zhì)過軟時(shí)，在輪緣磨耗過程中，輪緣受鋼軌擠壓作用，在輪緣外側(cè)靠近輪緣頂部形成的突起叫做輾堆。輪緣產(chǎn)生輾堆后，在通過道岔時(shí)易脫軌，發(fā)現(xiàn)輾堆后即須更換輪對(duì)旋修處理。輪緣垂直磨耗：指在輪緣外側(cè)垂直方向磨耗，使踏面不保持圓弧形狀；其產(chǎn)生原因與輪緣厚度磨耗的原因根本相同，但其橫向力更大；其限度是由根部向輪緣頂點(diǎn)方向垂直磨耗15mm。當(dāng)超過磨耗限度后，車輪通過道岔時(shí)，輪緣可能爬上尖軌，造成擠岔或脫軌，且根部易產(chǎn)生裂紋。輪緣內(nèi)測(cè)缺損：主要是由于意外沖擊或事故脫線造成。其缺損沿圓周方向長度不得超過30mm，寬度不得超過10mm。輪緣內(nèi)測(cè)缺損超限會(huì)降低該處輪緣強(qiáng)度，造成該處輪緣破裂。為減少車輪旋削量，對(duì)此故障應(yīng)先進(jìn)行堆焊，然后再維修。2.踏面擦傷和剝離踏面是列車與軌道的接觸面，也是列車走行部故障的多發(fā)部位，因此掌握列車踏面的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)處理，對(duì)確保行車平安非常重要。踏面圓周損耗：主要由于長期運(yùn)行與鋼軌摩擦造成，踏面圓周磨耗過大，車輪將變?yōu)閳A柱形，從而失去踏面的作用。當(dāng)車輛通過道岔時(shí)，車輪由根本軌向尖軌過渡時(shí)，車輪產(chǎn)生上下跳動(dòng)，易砸壞尖軌并對(duì)根本軌產(chǎn)生瞬間橫向力，使規(guī)矩變大。還會(huì)使輪緣相對(duì)高度增加，易與線路上魚尾板螺母相碰或切斷螺栓。踏面擦傷及局部下凹：擦傷主要是由于制動(dòng)力過強(qiáng)、車輪抱閘滑行或緩解不良造成；局部下凹主要由于材質(zhì)不良，有局部縮孔、軟點(diǎn)、硬度缺乏，經(jīng)滾動(dòng)磨耗后造成?？蛙囓囕喬っ娌羵熬植肯掳计渖疃炔怀^1mm。假設(shè)故障超限會(huì)使車輪加劇振動(dòng)及沖擊，造成車輛配件、貨物及鋼軌損壞并導(dǎo)致燃軸。踏面剝離：主要由于材質(zhì)不良、有夾渣，在運(yùn)行中經(jīng)反復(fù)碾壓，材質(zhì)疲勞而出現(xiàn)鱗片狀剝落，稱為疲勞型剝落；另外由于制動(dòng)抱閘產(chǎn)生高溫，在冬天又急劇冷卻，經(jīng)常反復(fù)熱脹冷縮而在外表出現(xiàn)細(xì)小裂紋，經(jīng)碾壓，使金屬剝落稱為熱剝離。踏面剝離超限與踏面擦傷的危害相同。踏面缺損：主要由于材質(zhì)不良、外側(cè)輾堆、意外打擊及機(jī)械化調(diào)車作業(yè)碰撞等原因造成。踏面缺損超限會(huì)減少平安搭載量。3.車輪裂紋車輪踏面主要由于制動(dòng)抱閘后，激熱激冷和局部輪輞厚度過??；輪緣根部裂紋主要由于輪緣過薄及轉(zhuǎn)向架橫向力過大。輪輞與輔板交界處及輻板孔附近裂紋主要由于材質(zhì)不良和應(yīng)力集中。車輪裂紋會(huì)導(dǎo)致車輪破裂，造成重大事故，可借助錘敲聲響及外觀象征進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致檢查。聲響清脆為良好、悶啞可能為裂紋，外表有透油黑線、透銹道紋、鐵粉附著等都為裂紋外觀象征。輪對(duì)的質(zhì)量狀況影響著機(jī)車車輛的平安運(yùn)行，而車輪踏面是直接與軌道接觸的局部，踏面缺陷狀況及車輪外形尺寸是直接危及行車平安的重要因素。因此，如何實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量踏面缺陷及外形參數(shù)是迫切需要解決的問題。二、國內(nèi)外機(jī)車輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)概況在車輪踏面缺陷的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方面，早在20世紀(jì)70年代初，國際上就開始了自動(dòng)檢測(cè)在線車輪缺陷的超聲方法的研究。這一階段的主要研究尚處于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，采用的方法是壓電超聲法。20世紀(jì)80年代中期，德國利用電磁超聲技術(shù)研制成功車輪踏面裂紋EMAT探傷裝置。該全自動(dòng)探傷裝置實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行機(jī)車車輪的動(dòng)態(tài)探傷。80年代末期，美國也研制出類似的電磁超聲探傷裝置。另外，80年代初，國際上還出現(xiàn)了振動(dòng)加速度法動(dòng)態(tài)測(cè)量踏面擦傷的裝置，但檢測(cè)結(jié)果受測(cè)量條件影響。在我國，近年來，逐漸開始研究車輪在線自動(dòng)探傷裝置，形成了利用渦流傳感器陣列和傳感器跟蹤方式測(cè)量車輪外表缺陷的構(gòu)思，但并沒有投入實(shí)際運(yùn)用。另外也有利用振動(dòng)加速度法動(dòng)態(tài)測(cè)量踏面擦傷的裝置，但效果并不理想。目前，在輪對(duì)故障動(dòng)態(tài)檢測(cè)方面，尚未有一種檢測(cè)工程全面、廣泛適用的在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)產(chǎn)品。在車輪外形尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)方面，國外從80年代初開始研究，采用過的方法主要有位移傳感測(cè)量法、渦流測(cè)量法、超聲遙測(cè)法、光截圖像測(cè)量法。其中基于CCD的光截圖像測(cè)量法檢測(cè)工程全面，不僅能測(cè)車輪外形關(guān)鍵尺寸，還能獲得車輪完整的斷面曲線，而且檢測(cè)精度高，自動(dòng)化程度高，是一種先進(jìn)的非接觸式外形尺寸測(cè)量技術(shù)，日益受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，引領(lǐng)著車輪外形尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)的方向。國內(nèi)開展車輪外形尺寸檢測(cè)研究工作起步較晚，90年代左右開始。經(jīng)過十多年的努力，提出了一些新的思路和檢測(cè)方法，研制出不同類型的檢測(cè)裝置，但沒有形成廣泛適用的自動(dòng)化檢測(cè)產(chǎn)品，輪對(duì)檢測(cè)仍需人工進(jìn)行定期檢測(cè)。輪對(duì)作為車輛運(yùn)行的最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，對(duì)于車輛的荷載能力以及運(yùn)行速度都有著非常重要的影響，因此也是鐵路客車在運(yùn)行過程中的檢查重點(diǎn)工程之一。為了對(duì)輪對(duì)故障進(jìn)行有效的控制，以便能夠有效提高列車的運(yùn)行質(zhì)量，必須對(duì)列車輪對(duì)故障檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。車輛輪對(duì)參數(shù)的測(cè)量方法主要包括兩大類，即靜態(tài)檢測(cè)法和動(dòng)態(tài)檢測(cè)法。靜態(tài)檢測(cè)法主要是針對(duì)車輛在檢修過程中對(duì)輪對(duì)參數(shù)進(jìn)行全面的檢測(cè)和測(cè)量工作。而動(dòng)態(tài)檢測(cè)法主要針對(duì)車輛在運(yùn)行過程中對(duì)輪對(duì)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷，通常也稱為車輛輪對(duì)的在線測(cè)量工作。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：便攜式測(cè)量：該測(cè)量方式主要對(duì)輪對(duì)的幾個(gè)或者單一的幾何尺寸展開測(cè)量工作，主要工具為各種傳感器；此測(cè)量方法優(yōu)勢(shì)明顯，操作簡單且方便使用，但同時(shí)存在著測(cè)量參數(shù)不夠全面和測(cè)量自動(dòng)化的程度較低等各種問題，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合具體情況進(jìn)行綜合性考慮，及時(shí)地躲避其缺點(diǎn)，充分利用該測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)；接觸式自動(dòng)測(cè)量：該測(cè)量方式能夠支起輪對(duì)并且推動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，對(duì)幾何尺寸的測(cè)量工作主要可以采用多種接觸式傳感器。此類測(cè)量方法存在著進(jìn)行接觸式的測(cè)量容易引發(fā)接觸式傳感器的毀壞；非接觸式自動(dòng)測(cè)量：這類測(cè)量方式主要采用CCD技術(shù)和激光傳感技術(shù)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)車輛輪對(duì)的在線檢測(cè)工作，同時(shí)還具備非接觸和檢測(cè)速度快的優(yōu)點(diǎn)，因而可以被實(shí)際運(yùn)用到各種車輛輪對(duì)的在線檢測(cè)工作中。三、機(jī)車輪對(duì)在線檢測(cè)裝置1.裝置的功能本裝置具有三方面的功能：根本檢測(cè)功能，輔助檢測(cè)功能及數(shù)據(jù)管理功能。根本檢測(cè)功能包括車輪探傷和車輪外形尺寸檢測(cè)；輔助檢測(cè)功能是指車號(hào)識(shí)別、端位識(shí)別、機(jī)車車輛計(jì)數(shù)、車輪計(jì)數(shù)等；數(shù)據(jù)管理功能包括繪制車輪外形檢測(cè)曲線及檢測(cè)結(jié)果查詢、統(tǒng)計(jì)、超限報(bào)警及網(wǎng)絡(luò)共享管理等功能。2.檢測(cè)原理該裝置采用“電磁超聲探傷技術(shù)”和“光截圖像測(cè)量技術(shù)”兩項(xiàng)到達(dá)國際先進(jìn)水平的關(guān)鍵技術(shù)，分別實(shí)現(xiàn)了車輪的動(dòng)態(tài)探傷和外形尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)。1〕車輪動(dòng)態(tài)探傷原理電磁超聲波的產(chǎn)生機(jī)理：根據(jù)電磁感應(yīng)原理，放置在工件〔導(dǎo)體或鐵磁體〕外表的高頻〔超聲波頻段〕載流線圈將會(huì)在工件外表一定深度范圍內(nèi)產(chǎn)生交變電渦流，如果在工件外表外加磁場，那么線圈在工件外表產(chǎn)生的交變電渦流在外磁場的作用下將受到洛侖茲力的作用，其受力方向和外加磁場及電渦流的方向有關(guān)。所以外表趨膚層內(nèi)質(zhì)點(diǎn)在洛侖茲力的作用下將產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即產(chǎn)生一定模式傳播的超聲波。通過改變外磁場的方向，可以方便地產(chǎn)生各種模式的超聲波。另外，從電磁超聲波的產(chǎn)生機(jī)理來看，利用電磁超聲波進(jìn)行探傷時(shí)，不需耦合劑，而且探頭不必與工件接觸，可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，適合于運(yùn)動(dòng)物體和高溫物體的探傷，這是壓電換能器無法比較的。2〕車輪缺陷動(dòng)態(tài)探傷原理：利用電磁超聲探傷技術(shù)來實(shí)現(xiàn)車輪踏面缺陷的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。在設(shè)計(jì)電磁超聲換能器〔EMAT〕時(shí)，調(diào)整加載到工件外表的外磁場方向，使EMAT產(chǎn)生能沿工件外表傳播的電磁超聲外表波。利用電磁超聲外表波動(dòng)態(tài)檢測(cè)車輪外表缺陷的原理如圖1所示：將EMAT嵌人到一段特制的測(cè)量軌道中，當(dāng)前進(jìn)的車輪通過EMAT時(shí)，EMAT直接在車輪的踏面外表上激發(fā)出相向傳播的兩束超聲外表波，所激發(fā)出的聲波束將沿著車輪踏面外表及近外表一定深度范圍內(nèi)沿圓周自行傳播，從而形成對(duì)踏面外表及近外表的全覆蓋檢測(cè)。超聲外表波在不同位置遇到缺陷時(shí)形成不同特性的缺陷回波，通過對(duì)缺陷回波的分析就能探測(cè)出車輪踏面外表/近外表一定深度范圍內(nèi)的缺陷。由于外表波的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車輪速度，車輪通過EMAT的瞬間，超聲外表波已沿車輪外表傳播數(shù)周，因此EMAT不需在踏面上掃查即可探測(cè)到整個(gè)踏面及近踏面區(qū)域各種缺陷。由于電磁超聲檢測(cè)方法不需聲耦合介質(zhì)，且很容易激發(fā)出很強(qiáng)的超聲外表波，因此可以高靈敏度、快速地檢出車輪外表/近外表的宏觀缺陷。3〕車輪外形尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)原理光截圖像測(cè)量原理：光截圖像測(cè)量技術(shù)是一種基于CCD〔ChargeCoupledDevice：電荷耦合器件〕的視頻測(cè)量技術(shù)，即通過分析被測(cè)對(duì)象的光信息在CCD光敏單元上形成的光學(xué)圖像獲得物體空間分布狀態(tài)數(shù)據(jù)。光截圖像測(cè)量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，將具有一定空間光強(qiáng)分布的結(jié)構(gòu)光投射到測(cè)量目標(biāo)外表，在測(cè)量目標(biāo)外表形成含測(cè)量目標(biāo)外表信息的調(diào)制結(jié)構(gòu)光，用CCD攝像系統(tǒng)拍攝含測(cè)量目標(biāo)外表信息的調(diào)制光，再通過圖像采集分析系統(tǒng)別離出被測(cè)目標(biāo)的外表信息，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜物體的三維外形測(cè)量。如果結(jié)構(gòu)光照明系統(tǒng)采用狹縫光照明，那么通過光截圖像測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)物體的二維外形測(cè)量。車輪外形尺寸的檢測(cè)就是利用這一原理實(shí)現(xiàn)的。車輪外形尺寸檢測(cè)：圖2所示的光截圖像測(cè)量系統(tǒng)中，采用激光線光源作為投射光源，運(yùn)行中的車輪作為測(cè)量目標(biāo)，即構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)車輪外形檢測(cè)的“車輪外形檢測(cè)單元”。車輪外形測(cè)量原理見圖3，激光線光源沿車輪踏面法線方向照射在車輪外表，形成從輪緣到踏面的光截曲線——反映車輪外形尺寸的截面；軌道外側(cè)與光刀面〔光入射面〕成一定夾角的CCD攝像機(jī)拍攝光源在車輪上形成的光截曲線，經(jīng)過圖像實(shí)時(shí)采集、處理，得到單像素的畸變〔由CCD的斜向拍攝引起〕車輪外形曲線；再經(jīng)圖像校正復(fù)原出非畸變的外形曲線，最后經(jīng)系統(tǒng)定標(biāo)得到真實(shí)的車輪外形曲線。通過將檢測(cè)的車輪外形曲線與標(biāo)準(zhǔn)外形曲線比較得到車輪外形關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)的尺寸。3.系統(tǒng)組成“機(jī)車輪對(duì)在線檢測(cè)裝置”由根本檢測(cè)單元、輔助檢測(cè)單元、現(xiàn)場控制中心、遠(yuǎn)程傳輸通道和遠(yuǎn)程控制中心等幾個(gè)主要局部組成，參見圖4。檢測(cè)單元：位于檢測(cè)現(xiàn)場，用于完成根本的檢測(cè)功能，由車輪探傷和外形檢測(cè)兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。根本檢測(cè)單元在現(xiàn)場控制中心的協(xié)調(diào)控制下完成車輪的動(dòng)態(tài)探傷和車輪外形尺寸檢測(cè)。另外，機(jī)車車輛計(jì)數(shù)、車輪計(jì)數(shù)等功能也是由根本檢測(cè)單元完成的。輔助檢測(cè)單元：位于檢測(cè)現(xiàn)場，用于識(shí)別待檢機(jī)車車輛的車號(hào)、端位信息?？刂浦行模何挥跈z測(cè)現(xiàn)場的電氣控制箱內(nèi)，受遠(yuǎn)程控制中心控制。其作用是實(shí)時(shí)采集并處理根本檢測(cè)單元的測(cè)量信號(hào)，并以一定的格式與遠(yuǎn)程控制中心的主機(jī)通信。傳輸通道：是連接遠(yuǎn)程控制中心與現(xiàn)場控制中心的橋梁，它保證了多路測(cè)量信號(hào)和控制信號(hào)在兩級(jí)控制中心之間的可靠傳輸。遠(yuǎn)程控制中心：是“機(jī)車輪對(duì)在線檢測(cè)裝置”的總體控制中心和數(shù)據(jù)處理中心。一方面，遠(yuǎn)程控制中心負(fù)責(zé)“機(jī)車輪對(duì)在線檢測(cè)裝置”的啟/?？刂?，檢測(cè)與否控制及檢測(cè)進(jìn)程控制等，起到系統(tǒng)總體控制中心的作用；另一方面，遠(yuǎn)程控制中心還通過網(wǎng)絡(luò)獲取機(jī)車車號(hào)信息；控制機(jī)車端位自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)和車輪探傷系統(tǒng)的動(dòng)作，獲得機(jī)車端位信息；負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場獲取的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、存儲(chǔ)、顯示等操作，擔(dān)當(dāng)著數(shù)據(jù)處理中心的角色。遠(yuǎn)程控制中心位于距現(xiàn)場一定距離的控制室內(nèi)，由數(shù)據(jù)處理主機(jī)及其外圍設(shè)備構(gòu)成。4．運(yùn)用與結(jié)論該裝置于2002年7月研制成功，同年12月在蘭州西機(jī)務(wù)段投入使用，2003年9月通過了鐵道部的科技成果鑒定。從現(xiàn)場的運(yùn)行情況來看，該裝置能夠連續(xù)、穩(wěn)定、可靠地工作，檢測(cè)速度快、效率高、自動(dòng)化程度高。另外，在數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性方面，工程組在蘭州西機(jī)務(wù)段技術(shù)室、平安室和控制室的協(xié)助下，對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)行了重復(fù)性驗(yàn)證和現(xiàn)場檢測(cè)數(shù)據(jù)復(fù)核，測(cè)試結(jié)果說明系統(tǒng)重復(fù)性好、檢測(cè)精度高。本裝置以實(shí)現(xiàn)輪對(duì)質(zhì)量狀況動(dòng)態(tài)管理、提高檢測(cè)精度和自動(dòng)化程度為目的，通過操作室內(nèi)的計(jì)算機(jī)終端，自動(dòng)完成車輪踏面缺陷和外形尺寸的動(dòng)態(tài)自動(dòng)檢測(cè)。裝置適用于各型機(jī)車、車輛及動(dòng)車組，具有不占用機(jī)車運(yùn)行時(shí)間，檢測(cè)速度快、效率高、精度高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。四、結(jié)語本文主要從理論方面對(duì)機(jī)車輪對(duì)在線檢測(cè)裝置的根本原理簡介，該裝置應(yīng)用到鐵路車輛輪對(duì)的檢查工作中能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)