地铁车辆轮对尺寸在线检测应用探讨

俞太亮

（无锡地铁集团有限公司运营分公司车辆部 江苏无锡）

一、前言

基于设备可靠性、预防性维修机制逐步把定期维修转变为诊断性维修。铁路系统为适应车辆发展的要求，确保车辆运行的安全、可靠性，建立了车辆全面安全防范、预警系统，即“5T”系统，内容包括①红外线配套车号智能跟踪系统（THDS）；②车辆运行状态地面安全监测系统（TPDS）；③车辆滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统（TADS）；④车辆运行故障动态图像检测系统（TFDS）；⑤车辆运行安全监控系统（TCDS）。

轨道交通车辆在线检测系统能够实现对车辆故障的预警、预控，是提高运营安全可靠度和车辆检修质量的一种有效手段。系统通常包括的检测项目有轮对尺寸、轮对踏面缺陷、受流器/受电弓、车号识别等。而轮对组件作为车辆走行部最重要的部位，其技术状态直接影响行车安全，对其进行技术状态的实时检测尤为必要。

二、系统概述

目前，轮对尺寸在线检测技术主要有光截图像法、激光位移测距法和自动视觉测量法。光截图像法采用线状激光作为投射光源，面阵CCD（Charge-coupled Device，CCD。电荷耦合元件）相机作为采集设备，利用激光三角测量技术，实现物体的二维尺寸测量。测量完毕后与标准曲线对比，从而实现各参数的最终检测。光截图像法适用于车辆静态及低速运行状态的技术检测。

图1 光截图像法原理图

国内外采用光截图像法对出入库车辆（低速运行）轮对尺寸进行在线检测的有成都主导、哈尔滨威克、美国BEENA、瑞士ELAG等。

激光位移测距法采用激光位移三角测量技术，通过激光位移连续扫描，得到相对于传感器的踏面位置轮廓曲线，以此计算轮对外形尺寸。激光位移测距法的技术特点是适用于车辆中高速运行状态的技术检测。

图2 激光位移测距法原理图

国内采用激光位移测距法对车辆轮对尺寸进行在线检测的有广州复旦奥特等。

自动视觉测量法采用视频成像及图像识别技术实现轮对尺寸的检测，国内外采用自动视觉测量法对车辆轮对尺寸进行在线检测的有北京新联铁公司、Lynx公司等。

三、功能实现

1.检测指标

轮对尺寸在线检测系统主要检测指标有轮缘高度、轮缘厚度、轮对内侧距、车轮直径、QR、踏面磨耗、同一轴上的最大轮径差、同一转向架上的最大轮径差和同一节车的最大轮径差等。

2.检测方法

（1）激光位移测距法。基于光电位置敏感探测器（PSD）的激光位移三角测量技术，PSD设有两路光电流输出，当光点照射到其接收表面上时，器件的两路电信号输出与光点在 PSD上的位置有关，两路信号经处理后就可以唯一地确定PSD上像点的位置，从而反推出物体被激光照射点到成像透镜前主面的距离。

轮缘高、轮缘厚度测量：传感器以一定角度和距离布置于轨的两侧，车辆运行通过，激光位移传感器将对车轮端面扫描，原始波形是与安装角度有关的斜剖面图，由于传感器相对于轨的安装位置是固定的，在得出车辆运行速度后，通过几何运算，可以得到二维的车轮外形图，即可分别计算轮缘高度和轮缘厚度。

轮对内侧距、轮径测量：在钢轨外侧安装两只激光位移传感器，设置一定的安装角度，分别扫描出轮缘及踏面的端面后，以厚度测量为基础，确定滚动圆，在速度已知的条件下，可得到弦长，而两激光束相对于轨面高度是确定的，通过几何运算可得车轮直径。

（2）光截图像法。细带状光源照明系统沿踏面法线方向照射在车轮表面形成从轮缘到踏面的光截曲线，反映车轮外形尺寸的截面。轨道外侧与光入射面成一定夹角的高速面阵CCD摄像机拍摄光源在车轮上形成的光截曲线，经过图像实时采集、处理，得到单像素的畸变（由CCD的斜向拍摄引起）车轮外形曲线，再经图像校正还原出非畸变的外形曲线，最后经系统定标得到真实的车轮外形曲线——车轮磨耗曲线。通过将检测的车轮外曲线与标准曲线比较就能得到轮缘磨耗和踏面磨耗，再通过车轮外形关键尺寸间的关系获得轮缘高度、厚度、轮径等外形尺寸。为了更合理地反映车轮外形尺寸，对同一个车轮重复使用3套相同的光截图像测量系统，分别获取车轮圆周上3点（近似等间距分布）的测量值以提高检测精度。另外对同一车轮进行3点测量还能检测出车轮的不圆度。

轮对内侧距测量：轨道内侧安装两只相同型号的激光传感器，车辆通过时分别检测传感器距两个轮内侧面的距离d1，d2，轮对内距D与激光传感器的测量值d1，d2及两传感器端面距离L有以下关系D=L+（d1+d2），L是恒定值，轮对内距的测量转化为激光传感器到轮内侧面距离的测量。由图3可以看出轮对的横向窜动不影响轮对内距的测量值。

图3 轮对内侧距测量原理图

四、安装要求

1.安装方式

（1）独立安装。设备整体支架固定在深埋的水泥桩上，支架与钢轨、轨枕均不接触，传感器受轮轨冲击小，但会引起传感器与轮对的相对位置不固定。

（2）道床基础安装。设备均安装于道床的整体沉箱内（类似于整体道床），传感器受冲击小，但现场施工、维护难度较大。

（3）卡轨安装。设备安装于卡在钢轨的结构平台上，此安装方式被测对象与传感器相对位移小，但传感器受冲击大。

2.环境影响

雨、雪、雾、振动等因素对设备检测精度影响大，避免安装在露天或在碎石道床区，最好安装在库棚内或隧道内且在整体道床区域。

五、应用情况

国外车辆轮对尺寸在线检测技术发展较成熟，应用较多。目前国内各城市地铁开始陆续尝试装备车辆在线检测系统（局部功能），并在车辆故障预防方面起到了明显效果，但远远不够。各地铁单位在选择应用时，有的只在出入库段线安装了此部分单项检测设备，或只在正线区间某一个点安装了部分单项检测设备，检测系统功能全面应用性还不够，装设的检测点偏少。

车辆轮对尺寸在线检测系统的应用意义在于车辆故障状态预警及状态趋势分析，作为车辆轮对作业的重要装备，在应用中可以研究轮对尺寸在线检测系统和不落轮镟床之间的配合应用，充分发挥各自优势，提高作业效率。

六、结束语

车辆轮对尺寸在线检测装置的核心设备都是高精密零部件，有的装载在车辆上，有的装设在轨道两旁，有的甚至装设在露天、野外道床旁，受车辆振动、轨道状态影响较大，装置投入使用后定期及时的调校、保养工作很重要，这一点不可忽视。随着各城市地铁新线陆续开通，车辆保有量不断增加。随着车辆使用年数的增加，车辆故障率也会不断增高，车辆状态的检测全部靠人工来检测，效率低、成本高、质量难以控制。车辆在线检测系统的应用是车辆检修现代化发展的一种趋势，为了更好的了解及掌握车辆在线检测技术的应用，建议各城市地铁单位尽快建立车辆在线检测方面的技术联盟。另外，车辆在线检测系统的应用也不单单局限于轮对尺寸、轮对踏面缺陷、受流器/受电弓、轴温、车号识别系统等其中的某一项，应从综合检测方面考虑。检测涵盖范围更广又基于无线网络的实时检测系统是未来发展方向，这方面的技术应用信息应不断跟踪、研究。

1 高静涛.轮对状态动态检测系统应用综述[J].铁道技术监，2009，37（7）：10-12

2 陈刚.车辆轮对状态在线检测研究[J].城市轨道交通研究，2012，15(10)：79-81

3 张广军.视觉测量[M].北京：科学出版社，2008.3

4 李晓彤.几何光学.像差.光学设计[M].浙江：浙江大学出版社，2007.12-01

5 张剑清.摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2003.06

6 夏才初.地下工程测试理论与监测技术[M].上海：同济大学出版社，1999.08