一種便攜式輪對不圓度的設計與研究

逯紅霞 張亞彤 劉莉

摘 要：隨著鐵路列車運行速度的提高，鐵路車輛和軌道之間相互作用力逐漸增強，使得車輪踏面失圓的問題不容小覷。對此研發了一款軌道車輛輪對不圓度檢測儀。使用釹鐵硼磁力開關，將設備吸附在鋼軌上，待測輪對旋轉帶動金屬滾輪使旋轉編碼器工作，自復位高精度電子尺持續采集輪對踏面徑跳信息，霍爾感應開關判斷輪對旋轉一周后自動鎖死，嵌入式微處理器經過計算后將輪對徑跳、平均直徑等信息顯示在MCGS組態顯示屏上，為車輪鏇修提供參考。

關鍵詞：便攜式 輪對不圓度 踏面徑跳信息

1 引言

軌道車輛在運行一定里程后，車輪踏面會產生不均勻的多邊形磨耗，當磨耗到達一定值后將導致車輛產生附加振動、沖擊、噪聲等，影響車輛的平穩性，對列車運行安全造成嚴重威脅。車輪失圓所引起的噪聲還會影響乘坐的舒適度。高速列車對運行的平穩性和安全性有更高的要求，如果車輪失圓的情況不能及時發現，將會繼續發展成為行車安全的極大隱患，因此需要定期測量輪對不圓度以便修復或者更換輪對。傳統的方法是人工測量，這種測量方法不僅誤差大，精度不高，而且耗時耗力。

本項目旨在設計、制作一種便攜式輪對不圓度檢測儀，可以在車輛輪對不拆卸的基礎上，使用接觸式測量方式與嵌入式系統結合替代人工檢測，可以連續測量輪對在圓周方向上的半徑變化，并使用觸摸屏對測量數據與曲線進行顯示，可以在現有靜態測量方式的基礎上大大提高人工檢測的效率，減少勞動強度。

2 產品設計思路

車輪圓度的監測方法主要分為靜態監測和動態監測。靜態監測需要在列車停止或車輪拆卸的情況下進行，不僅占用列車的周轉時間，且速度慢，勞動強度大，目前國內對車輪圓度的監測方法主要是靜態監測。動態監測分為車載式和地面式。車載式監測系統通過監測車軸振動的加速度來間接獲得踏面外形參數，需要在每根車軸上安裝傳感器，既不經濟又不方便，一般不被采用；地面式監測系統將車輪外形測量系統安裝在在線路上，適用于監測運行中的機車車輛，在國外被廣泛應用，該種監測方式需要固定監測設備，當設備發生故障時沒有替代產品，且成本較高。

通常來說，列車日常檢修時輪對是不落輪的，由于在車下測量的操作空間有限，用現有的專用機械測量器具很難實現在輪對圓周方向上的連續測量和連續記錄，因此，無法方便快捷地獲得半徑在圓周方向上的連續變化值，從而很難對列車輪對圓度誤差進行評定。所以我打算設計制作一種便攜式輪對不圓度檢測儀，該設備包括：鋁合金外殼，可延XY軸運動的滑臺，旋轉編碼器，金屬滾輪，接近開關，自動復位電子尺，電阻式觸摸顯示屏，釹鐵硼磁力座。外殼內部安裝電池，單片機模塊，電源模塊。該產品利用CATIA制作計算機虛擬模型，根據模型的機械尺寸購買高精度導軌、傳感器等硬件設備，并根據計算機虛擬模型制作真實測量設備，最后在真實測量設備的基礎上完成軟件測試功能。該產品采用高精度自復位接觸式測量技術，以此來采集車輪徑向跳動值；采用嵌入式微處理智能分析控制系統，計算車輪平均半徑；采用基于組態環境的云端存儲系統儲存數據。該產品具有檢測效率高、檢測范圍廣，可識別不同輪對型號，檢測數據可視化、便攜性強等優點，可用于鐵路客貨車輪對定期檢修，能大大提工作效率。

圖中標記分別表示：1-釹鐵硼磁力座，2-鋁合金外殼，3-可延XY軸運動的滑臺，4-電阻式觸摸顯示屏，5-電池，6-單片機模塊，7-電源模塊，8-接近開關，9-旋轉編碼器，10-自動復位電子尺，11-金屬滾輪。

3 產品設計原理

便攜式輪對不圓度檢測儀硬件至少包括有釹鐵硼磁力座、鋁合金外殼、可延XY軸運動的滑臺、電阻式觸摸顯示屏、電池、單片機模塊、電源模塊、接近開關、旋轉編碼器、自動復位電子尺和金屬滾輪。

顯示器采用電阻觸摸式TFT LCD顯示屏，單片機采用意法半導體有限公司生產的STM32F103C8單片機，自動復位電子尺采用西域電子公司生產的PM11-R1-15L自動復位電子尺，旋轉編碼器采用歐姆龍E6B2-CWZ3E旋轉編碼器，接近開關采用德力西CDJ10-I1A12BF接近開關。

3.1 旋轉編碼器

歐姆龍E6B2-CW1X型旋轉編碼器利用電磁感應原理將兩個平面型繞組之間的相對位移轉換成電信號的測量元件，用于長度測量工具。

3.2 自復位電位計（電子尺）

傳感器為位置測量型，用于調節系統（控制系統）和測量系統中，對位移和長度進行直接測量，輸出直流電壓信號，也可以通過內置或者外置的V/A變送模塊講信號轉換成標準的0-5V、0-10V或者4-20mA直流信號，也可以遠距離傳輸控制要求。KPMR12自復位式電阻尺（別名：電子尺，電位器，位移傳感器）輸出位移變化：0-100%給定輸入工作電壓（隨位移變化而變化）。

3.3 霍爾感應開關

霍爾感應開關是一種無需與運動部件進行機械直接接觸而可以操作的位置開關，當物體霍爾感應開關的感應面到動作距離時，不需要機械接觸及施加任何壓力即可使開關動作，從而驅動直流電器或給計算機（plc）裝置提供控制指令。

3.4 釹鐵硼磁力座開關

釹鐵硼磁力座外殼為兩塊導磁體，中間用不導磁的銅板隔開。內部有一個可以旋轉的磁體，此磁體沿直徑方向為N、S極。當磁體旋轉到中間位置，磁力線分別在兩塊導磁體中形成閉路時表座可以輕易取走；旋轉90度后，NS極分別對著兩塊導磁體，此時從N極到導磁體到導軌到另一塊導磁體到S極，形成磁力線閉合，可以牢牢的附著在鋼軌上。

4 工作流程

便攜式高精度軌道車輛輪對不圓度檢測儀的控制程序由STM32單片機數據采集模塊與MCGS觸摸屏顯示模塊兩部分構成，單片機負責采集輪對踏面的徑跳信息和旋轉直徑，MCGS觸摸屏負責將輪對不圓度曲線顯示在虛擬界面上。具體工作原理圖如圖６所示。

5 結論

本文設計制作一款便攜式輪對不圓度檢測儀，具有以下4個特點：①采用嵌入式微處理器與MCGS組態顯示屏相結合的方式，將體積縮小至不落輪鏇床的1/30，可在不分解輪對的情況下隨車即檢，以解決不落輪鏇床只能固定點檢測的弊端。②采用輪系轉動帶動編碼器記錄輪對旋轉距離，輪對旋轉一周霍爾開關自動鎖死，并將檢測數據同步顯示在組態屏，提高了檢測效率。③采用高精度穩壓源結合位移傳感器接觸測量的方式，持續采集輪對踏面經跳信息，實現了踏面徑跳值絲米級別的檢測精度。④本產品通過檢修人員實名登錄后才能進入操作界面，檢測完畢后將檢測的數據記錄并保存，并將檢測數據、作業人員信息存儲并上傳至PC端，解決了數據分析繁的問題。

本實用新型主要用于鐵路客貨車輪對（1250mm、1050mm、960mm、920mm、915mm、860mm、840mm）的不圓度檢修作業，對鐵路客貨車每種輪對型號的不圓度進行狀態數據采集，對輪對踏面進行實時監測，通過觸摸顯示屏直觀、準確地判斷輪對的直徑以及剝離擦傷深度，進而判斷輪對旋修的深度，為快速查找輪對剝離擦傷位置提供了重要依據。

西安鐵路職業技術學院2023年度立項課題“便攜式輪對不圓度檢測儀的設計與制作”（項目編號：XTZY23K07）。

參考文獻：

[1]劉莉，史駿，張配，等.基于數字雙生的3D情景建模的教學方法實踐——以“職業技能鑒定（鉗工）”課程為例[J].創新創業理論研究與實踐，2022，5（11）：177-179.

[2]張麗媛.基于物聯網通信監測技術的智能醫護工作站系統的設計與實現[J].科技與創新，2022，No.197（05）：152-154.DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2022.05.046.

[3]張宗芳.一種可視化智能防觸電安全保護電子圍欄設計與研究[J].科技與創新，2022，No.195（03）：21-23.DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2022.03.007.

[4]王威，胡活力.不落輪鏇床及其在有軌電車輪對鏇修中的應用[J].科技風，2020（19）：136+138.DOI：10.19392/j.cnki.1671-7341.202019115.

[5]叢日出.淺談地鐵車輛輪對鏇修必要性及鏇輪庫設計要素[J].消防界（電子版），2016（06）：46.DOI：10.16859/j.cnki.cn12-9204/tu.2016.06.034.

[6]華莎.基于數據智能分析的列車車輪磨耗預測與鏇修策略研究[D].南京：南京航空航天大學，2017.

[7]蔡志標.CRH6A型動車的輪對磨耗預測與鏇修策略優化研究[D].廣州：廣東工業大學，2021.DOI：10.27029/d.cnki.ggdgu.2021.002387.

[8]吉建春.輪對幾何參數在線動態測量方法的研究[D].北京：北京交通大學，2014.

[9]武益民，陳光雄.輪對不平衡檢測方法研究及LabVIEW實現[J].機械，2016，43（08）：43-49.

[10]李德維，周文祥，涂軍.電渦流位移傳感器檢測車輛外形的研究[J].電力機車與城軌車輛，2005，28（6）：31-33.

[11]涂軍，周文祥.用電渦流傳感器測量輪對尺寸的方法及誤差分析[J].工具技術，2003，37（9）：45-47.