地铁车辆轮对动态检测系统研究

地铁车辆轮对动态检测系统研究
陈静;禹建伟;谭志忠
【摘要】地铁车辆轮对动态检测系统采用图像与振动两种技术同时检测车轮踏面.介绍了系统中图像测量和振动测量的检测原理.该系统能对通过车辆的轮对踏面擦伤、轮缘厚度、车轮直径、轮对内距、垂直磨耗、轴温等参数进行在线自动动态检测分析,并报告超限车轮的超限数据及顺位等信息,为车辆预防性维修提供依据.【期刊名称】《城市轨道交通研究》
【年(卷),期】2014(017)007
【总页数】3页(P82-84)
【关键词】地铁车辆;轮对;动态检测;预防修
【作者】陈静;禹建伟;谭志忠
【作者单位】西安铁路职业技术学院,710014,西安;西安地铁运营分公司,710018,西安;东莞诺丽电子科技有限公司,523050,东莞
【正文语种】中文
【中图分类】U279.3+2;U270.331+.1
地铁车辆轮对动态检测系统能对运行过程中的车辆轮对踏面状态进行检测，及时准确地发现故障，做到故障定位和故障跟踪;并及时向指定终端发出报警，在屏幕上显示详细的报警信息，从而有效预防安全风险，提高检修效率和科学管理水平。

1 必要性分析
列车车轮踏面故障形态主要有擦伤和剥离两种，是由于车辆紧急制动时闸瓦抱死车轮或制动系统缓解不良，使车轮在轨面上产生滑行而造成的。

平轮会引起踏面局部范围曲率半径的变化。

此外，列车运行时车轮与钢轨出现周期性冲击，较大的冲击荷载作用于车辆和轨道零部件上，会加速轴承等零部件的疲劳损伤，直接威胁行车安全。

以西安地铁2号线为例:2号线2011开通运营，一期工程配属22组列车，采用B2型3动3拖6节编组;截止2014年2月25日累计运行5 106 490 km，列平均运行232 113 km。

其中因VVVF(变压－变频)与BECU(电子制动控制单元)之间接口存在问题(VVVF与BECU之间无电制动防滑反馈线)，导致多起擦轮(见表1)，增加了车辆日常运营结束后的人工检查工作量。

而人工检查效率低且误差大，不利于故障的发现。

因此，及时发现、处理轮对踏面故障，是行车安全的一项重要任务。

轮对踏面故障在线自动检测系统是地铁运营管理现代化发展的需要。

表1 西安地铁2号线2011—2014年度车辆轮对擦伤统计车所有轮0220 2013－07－29 ATO 45% 敞口段 2车3、4轮0220 2013－07－29 ATO 45% 敞口段 3车所有轮0220 2013－07－29 ATO 45% 敞口段 5车5、6轮0222 2013－12－24 NRM N—FB 试车线所有动车轮0203 2014－01－07 ATO 45%—FB 敞口段所有动车轮0222 2014－01－07 ATO 45% 敞口段所有动车轮0216 2014－01－07 ATO 45% 敞口段 1、2、3车部分轮注:ATO—列车自动运行;NRM—非限制人工驾驶模式;N—FB—列车号发生时间运行模式级位变化发生位置擦伤轮对0207 2011－10－26 NRM 敞口段 5从惰性位到快速制动位
2 检测原理
本系统采用图像与振动两种技术同时检测车轮踏面擦伤，能定量检测轮对的擦伤缺陷。

2.1 图像测量
(1)检测系统针对每个转向架一侧的前后两轮各设置了4台摄像机，依次追踪拍摄
轮对踏面，形成一个完整的圆周。

前轮和后轮摄像机角度不同:前轮摄像机正对前
进方向，后轮摄像机与前进方向相同。

全套系统左右各8台摄像机，共需要16台摄像机完成全部轮对的图像采集。

每台摄像机配有相应的辅助照明灯箱，照明灯采用高亮度 LED(发光二极管)光源。

踏面擦伤探测装置图如图1所示。

图1 踏面擦伤探测装置图
(2)系统采用摄像机拍摄踏面图像，通过图像识别，计算踏面擦伤、剥离掉块等情况，精确测定踏面擦伤深度。

根据目前车辆转向架情况，前轮适合在前部拍摄，后轮适合在后部跟踪拍摄。

正对列车前进方向一侧的4台摄像机用于拍摄1、2位转向架前轮，每台摄像机拍摄1张照片，拍摄轮对1/4踏面;另一侧的4台摄像机用
于拍摄1、2位转向架后轮，每台拍摄轮对1/4踏面。

(3)摄像机安装在机箱内，机箱密闭。

在摄像机镜头处安装防尘防水玻璃;由电机驱
动开、关门装置，摄像机拍摄时打开，拍摄完成后自动关闭。

(4)检测系统采用工控机内置图像采集卡的方式。

1台工控机可安装4块图像采集卡，分别采集4台摄像机图像。

(5)结构布置:镜头采用10 mm固定焦距，定光圈镜头;摄像机CCD(电荷耦合器件)尺寸为4.8 mm ×6.5 mm，采样频率＞60帧/s，快门速度＞1/10 000 s，数据
线为1 394或cameralink线，采用外触发方式采集图像，图像分辨率＞
656×491。

检测前轮擦伤的8台摄像机(S1～S8)的平面布置如图2 所示。

由于S1、S2、S3、S4 和S5、S6、S7、S8是顺序拍摄，系统将S1、S2、S3、S4用一台工控机采集，S5、S6、S7、S8用另一台工控机采集。

同理，反向拍摄后轮时，也如此布置分配。

(6)图像采集:检测系统控制机通过串口向图像采集工控机传输本次采集图像的车次、辆位、轮位和顺位信号，同时通过I/O卡发出外触发命令;图像采集工控机收到命
令后，开始采集图像。

第一组图像采集到内存后，不做压缩存贮，待8组图像均
采集到内存后，先进行图像识别运算，再进行图像压缩和存贮。

如果运算后发现轮对故障，将对应的故障图片进行单独标记。

转向架后轮的图像采集和前轮相同。

采集的图像经过处理，可形成动态图像，在远程控制中心计算机上可直观清晰地观测到轮对踏面一周的擦伤、剥离等缺陷状态。

图2 前轮擦伤检测摄像平面位置示意图
2.2 振动测量
(1)故障车轮与钢轨的相互作用是一种冲击激励的过程，其振动测试技术采用振动传感器满足检测使用要求。

振动冲击测量是基于弹性波理论的信号测量手段，也是本检测系统构架的基本原理:①利用振动冲击信号分析技术获取车轮特征信息;②利用特征自相关分析技术进行故障识别及车轮定位;③ 运用自适应动态数据修正技术进行数据处理。

根据系统设计，左1、左2、左 3、右 1、右 2、右 3为振动传感器，W1、W2为车轮传感器。

传感器布置如图3所示。

(2)车轮踏面缺陷检测系统依靠振动传感器获取平轮信息特征。

采用的振动传感器为压电式加速度传感器，运用内藏电荷放大器和IPC(网络摄像机)技术。

为了便于信号的长线传输，信号以电流方式调制在供电电源上。

(3)擦伤轮位判别:在2个传感器之间，系统设计检测擦伤振动机械波在钢轨中的传播速度为1 885 m/s，当擦伤轮对的擦伤处打击钢轨时，在不同的位置产生不同的时间差。

在2个传感器之间的时间差为零，在传感器安装处的时间差为9 ms。

可以根据时间差确定打击位置，再由振动传感器的轮对通过时刻确定是哪个轮对位于该打击位置，从而准确判断车辆擦伤轮位。

图3 传感器平面位置示意图
2.3 擦伤深度计算
擦伤打击机械能计算式为:
式中:
E j——擦伤打击机械能;
E d——采集电能;
k——传输损失系数。

擦伤打击机械能同打击速度和轮重有关。

采集电能与输出电压能量值的大小有关。

打击速度与擦伤深度和轮对速度有关。

打击速度与轮对速度的关系为:
式中:
r——轮对半径;
v j——打击速度，方向垂直向下;
v i——车轮运行速度，水平方向;
x——擦伤长度;
h——擦伤深度。

根据能量公式:
式中:
v d——输出电压能量值;
m j——轮重。

2.4 技术参数
(1)轮对外形尺寸检测指标(测量误差):轮缘高度，±0.3 mm;轮缘厚度，±0.3 mm;轮对内侧距，±0.6 mm;车轮直径，±0.6 mm;垂直磨耗，±0.6 mm。

(2)车轮擦伤检测指标(测量误差):擦伤深度，±0.3 mm;擦伤面积，100 mm2。

(3)地面读出设备检测指标:工作温度，－25～+70℃;工作湿度，95%(+40℃);供电
方式，AC(220+22)V、50 Hz、＞100 VA;工作频率，910.100 MHz、912.100 MHz、914.100 MHz;适应车速，0 ～300 km/h(FM0编码格式标签)。

3 结语
轮对动态检测系统采用图像与振动两种方式对轮对踏面同时测量，具有检测踏面擦伤、轮缘厚度、车轮直径、轮对内距、垂直磨耗、轴温的功能。

同时辅助加速度传感器的振动测量方式，可以确定踏面故障对轨道的冲击荷载，评估故障对车辆运用的影响。

图像与振动两种测量技术的同时使用，能准确判断出踏面故障的类型，观测擦伤面积大小，减少检修人员的劳动强度，使检测的精度得到极大提高，避免了因人工测量误差较大导致频繁镟轮等现象，给车辆预防性检修提供科学依据，延长车辆轮对的生命周期，有效提高了地铁车辆运营品质，为车辆预防性检修提供了科学的分析数据。

参考文献
［1］苏晓舟，顾保南，孙世超.2013年中国城市轨道交通运营线路统计和分析［J］.城市轨道交通研究，2014(1):1.
［2］王治根，禹建伟.城市轨道交通车辆检修［M］.重庆:重庆大学出版社，2014. ［3］西安市地下铁道有限责任公司.西安地铁二号线车辆合同文件［G］.西安:西安市地下铁道有限责任公司，2008.
［4］陈刚，任光胜.车辆轮对状态在线检测系统研究［J］.城市轨道交通研究，2012(10):79.。