機車輪對在線檢測裝置

課程名稱：機車檢測與故障診斷設(shè)計題目：機車輪對在線檢測裝置院系：班級：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：大學(xué)20年月日機車輪對在線檢測裝置摘要由于輪對狀態(tài)的好壞直接影響列車的行車平安和整個機車車輛系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)的穩(wěn)定性，因此需要對機車輪對進行檢測和故障診斷。本文首先簡述輪對常見故障及其質(zhì)量狀況動態(tài)檢測的重要性和必要性，并概括了國內(nèi)外輪對動態(tài)檢測技術(shù)現(xiàn)狀。然后從功能、檢測原理、系統(tǒng)組成等幾方面對“機車輪對在線檢測裝置”做簡要介紹。關(guān)鍵詞輪對；故障；動態(tài)檢測引言：車輪是機車走行部的重要部件，在運行的機車車輛中，輪對直接受軌道的沖擊作用，是工作條件最惡劣的部件，也是機車走行部最容易出故障的部件。輪對局部的故障常常是車輛系統(tǒng)和運行線路系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)發(fā)生惡化的原因。如果出現(xiàn)了輪對故障，不及時的進行處理，將會引發(fā)車輛運行的平安事故，嚴重的還將會導(dǎo)致車輛顛覆、脫軌等現(xiàn)象，給鐵路運輸帶來巨大的損失，給人們的財產(chǎn)和人生平安造成巨大的威脅。因此，對機車輪對的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷至關(guān)重要。一、輪對常見故障列車輪對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)磨耗使角點與輪緣頂點重合，在輪緣頂點處形成的尖端叫做鋒芒。當(dāng)通過道岔時，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，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，在通過道岔時易脫軌，發(fā)現(xiàn)輾堆后即須更換輪對旋修處理。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方向垂直磨耗15mm。當(dāng)超過磨耗限度后，車輪通過道岔時，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)測缺損超限會降低該處輪緣強度，造成該處輪緣破裂。為減少車輪旋削量，對此故障應(yīng)先進行堆焊，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際運行狀態(tài)并及時處理，對確保行車平安非常重要。踏面圓周損耗：主要由于長期運行與鋼軌摩擦造成，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，車輪由根本軌向尖軌過渡時，車輪產(chǎn)生上下跳動，易砸壞尖軌并對根本軌產(chǎn)生瞬間橫向力，使規(guī)矩變大。還會使輪緣相對高度增加，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力過強、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、硬度缺乏，經(jīng)滾動磨耗后造成。客車車輪踏面擦傷及局部下凹其深度不超過1mm。假設(shè)故障超限會使車輪加劇振動及沖擊，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、意外打擊及機械化調(diào)車作業(yè)碰撞等原因造成。踏面缺損超限會減少平安搭載量。3.車輪裂紋車輪踏面主要由于制動抱閘后，激熱激冷和局部輪輞厚度過薄；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行認真細致檢查。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。輪對的質(zhì)量狀況影響著機車車輛的平安運行，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，如何實時準確地測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)外機車輪對動態(tài)檢測概況在車輪踏面缺陷的動態(tài)檢測方面，早在20世紀70年代初，國際上就開始了自動檢測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驗室內(nèi)，采用的方法是壓電超聲法。20世紀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。該全自動探傷裝置實現(xiàn)了運行機車車輪的動態(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)了振動加速度法動態(tài)測量踏面擦傷的裝置，但檢測結(jié)果受測量條件影響。在我國，近年來，逐漸開始研究車輪在線自動探傷裝置，形成了利用渦流傳感器陣列和傳感器跟蹤方式測量車輪外表缺陷的構(gòu)思，但并沒有投入實際運用。另外也有利用振動加速度法動態(tài)測量踏面擦傷的裝置，但效果并不理想。目前，在輪對故障動態(tài)檢測方面，尚未有一種檢測工程全面、廣泛適用的在線動態(tài)檢測產(chǎn)品。在車輪外形尺寸動態(tài)檢測方面，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量法、渦流測量法、超聲遙測法、光截圖像測量法。其中基于CCD的光截圖像測量法檢測工程全面，不僅能測車輪外形關(guān)鍵尺寸，還能獲得車輪完整的斷面曲線，而且檢測精度高，自動化程度高，是一種先進的非接觸式外形尺寸測量技術(shù)，日益受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，引領(lǐng)著車輪外形尺寸動態(tài)檢測的方向。國內(nèi)開展車輪外形尺寸檢測研究工作起步較晚，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方法，研制出不同類型的檢測裝置，但沒有形成廣泛適用的自動化檢測產(chǎn)品，輪對檢測仍需人工進行定期檢測。輪對作為車輛運行的最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，對于車輛的荷載能力以及運行速度都有著非常重要的影響，因此也是鐵路客車在運行過程中的檢查重點工程之一。為了對輪對故障進行有效的控制，以便能夠有效提高列車的運行質(zhì)量，必須對列車輪對故障檢測技術(shù)進行總結(jié)。車輛輪對參數(shù)的測量方法主要包括兩大類，即靜態(tài)檢測法和動態(tài)檢測法。靜態(tài)檢測法主要是針對車輛在檢修過程中對輪對參數(shù)進行全面的檢測和測量工作。而動態(tài)檢測法主要針對車輛在運行過程中對輪對狀態(tài)進行實時監(jiān)測和故障診斷，通常也稱為車輛輪對的在線測量工作。靜態(tài)和動態(tài)檢測技術(shù)主要包括以下幾個方面：便攜式測量：該測量方式主要對輪對的幾個或者單一的幾何尺寸展開測量工作，主要工具為各種傳感器；此測量方法優(yōu)勢明顯，操作簡單且方便使用，但同時存在著測量參數(shù)不夠全面和測量自動化的程度較低等各種問題，在實際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合具體情況進行綜合性考慮，及時地躲避其缺點，充分利用該測量技術(shù)的優(yōu)點；接觸式自動測量：該測量方式能夠支起輪對并且推動其旋轉(zhuǎn)，對幾何尺寸的測量工作主要可以采用多種接觸式傳感器。此類測量方法存在著進行接觸式的測量容易引發(fā)接觸式傳感器的毀壞；非接觸式自動測量：這類測量方式主要采用CCD技術(shù)和激光傳感技術(shù)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)車輛輪對的在線檢測工作，同時還具備非接觸和檢測速度快的優(yōu)點，因而可以被實際運用到各種車輛輪對的在線檢測工作中。三、機車輪對在線檢測裝置1.裝置的功能本裝置具有三方面的功能：根本檢測功能，輔助檢測功能及數(shù)據(jù)管理功能。根本檢測功能包括車輪探傷和車輪外形尺寸檢測；輔助檢測功能是指車號識別、端位識別、機車車輛計數(shù)、車輪計數(shù)等；數(shù)據(jù)管理功能包括繪制車輪外形檢測曲線及檢測結(jié)果查詢、統(tǒng)計、超限報警及網(wǎng)絡(luò)共享管理等功能。2.檢測原理該裝置采用“電磁超聲探傷技術(shù)”和“光截圖像測量技術(shù)”兩項到達國際先進水平的關(guān)鍵技術(shù)，分別實現(xiàn)了車輪的動態(tài)探傷和外形尺寸動態(tài)檢測。1〕車輪動態(tài)探傷原理電磁超聲波的產(chǎn)生機理：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)點在洛侖茲力的作用下將產(chǎn)生往復(fù)運動，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)生機理來看，利用電磁超聲波進行探傷時，不需耦合劑，而且探頭不必與工件接觸，可以實現(xiàn)非接觸測量，適合于運動物體和高溫物體的探傷，這是壓電換能器無法比較的。2〕車輪缺陷動態(tài)探傷原理：利用電磁超聲探傷技術(shù)來實現(xiàn)車輪踏面缺陷的動態(tài)檢測。在設(shè)計電磁超聲換能器〔EMAT〕時，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態(tài)檢測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量軌道中，當(dāng)前進的車輪通過EMAT時，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，從而形成對踏面外表及近外表的全覆蓋檢測。超聲外表波在不同位置遇到缺陷時形成不同特性的缺陷回波，通過對缺陷回波的分析就能探測出車輪踏面外表/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遠大于車輪速度，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到整個踏面及近踏面區(qū)域各種缺陷。由于電磁超聲檢測方法不需聲耦合介質(zhì)，且很容易激發(fā)出很強的超聲外表波，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〕車輪外形尺寸動態(tài)檢測原理光截圖像測量原理：光截圖像測量技術(shù)是一種基于CCD〔ChargeCoupledDevice：電荷耦合器件〕的視頻測量技術(shù)，即通過分析被測對象的光信息在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)。光截圖像測量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，將具有一定空間光強分布的結(jié)構(gòu)光投射到測量目標外表，在測量目標外表形成含測量目標外表信息的調(diào)制結(jié)構(gòu)光，用CCD攝像系統(tǒng)拍攝含測量目標外表信息的調(diào)制光，再通過圖像采集分析系統(tǒng)別離出被測目標的外表信息，從而實現(xiàn)復(fù)雜物體的三維外形測量。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量系統(tǒng)可實現(xiàn)物體的二維外形測量。車輪外形尺寸的檢測就是利用這一原理實現(xiàn)的。車輪外形尺寸檢測：圖2所示的光截圖像測量系統(tǒng)中，采用激光線光源作為投射光源，運行中的車輪作為測量目標，即構(gòu)成了實現(xiàn)車輪外形檢測的“車輪外形檢測單元”。車輪外形測量原理見圖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攝像機拍攝光源在車輪上形成的光截曲線，經(jīng)過圖像實時采集、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)定標得到真實的車輪外形曲線。通過將檢測的車輪外形曲線與標準外形曲線比較得到車輪外形關(guān)鍵測量點的尺寸。3.系統(tǒng)組成“機車輪對在線檢測裝置”由根本檢測單元、輔助檢測單元、現(xiàn)場控制中心、遠程傳輸通道和遠程控制中心等幾個主要局部組成，參見圖4。檢測單元：位于檢測現(xiàn)場，用于完成根本的檢測功能，由車輪探傷和外形檢測兩個子系統(tǒng)構(gòu)成。根本檢測單元在現(xiàn)場控制中心的協(xié)調(diào)控制下完成車輪的動態(tài)探傷和車輪外形尺寸檢測。另外，機車車輛計數(shù)、車輪計數(shù)等功能也是由根本檢測單元完成的。輔助檢測單元：位于檢測現(xiàn)場，用于識別待檢機車車輛的車號、端位信息?？刂浦行模何挥跈z測現(xiàn)場的電氣控制箱內(nèi)，受遠程控制中心控制。其作用是實時采集并處理根本檢測單元的測量信號，并以一定的格式與遠程控制中心的主機通信。傳輸通道：是連接遠程控制中心與現(xiàn)場控制中心的橋梁，它保證了多路測量信號和控制信號在兩級控制中心之間的可靠傳輸。遠程控制中心：是“機車輪對在線檢測裝置”的總體控制中心和數(shù)據(jù)處理中心。一方面，遠程控制中心負責(zé)“機車輪對在線檢測裝置”的啟/?？刂?，檢測與否控制及檢測進程控制等，起到系統(tǒng)總體控制中心的作用；另一方面，遠程控制中心還通過網(wǎng)絡(luò)獲取機車車號信息；控制機車端位自動識別系統(tǒng)和車輪探傷系統(tǒng)的動作，獲得機車端位信息；負責(zé)對現(xiàn)場獲取的檢測數(shù)據(jù)進行處理、分析、存儲、顯示等操作，擔(dān)當(dāng)著數(shù)據(jù)處理中心的角色。遠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)處理主機及其外圍設(shè)備構(gòu)成。4．運用與結(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)場的運行情況來看，該裝置能夠連續(xù)、穩(wěn)定、可靠地工作，檢測速度快、效率高、自動化程度高。另外，在數(shù)據(jù)的準確性方面，工程組在蘭州西機務(wù)段技術(shù)室、平安室和控制室的協(xié)助下，對系統(tǒng)的進行了重復(fù)性驗證和現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)復(fù)核，測試結(jié)果說明系統(tǒng)重復(fù)性好、檢測精度高。本裝置以實現(xiàn)輪對質(zhì)量狀況動態(tài)管理、提高檢測精度和自動化程度為目的，通過操作室內(nèi)的計算機終端，自動完成車輪踏面缺陷和外形尺寸的動態(tài)自動檢測。裝置適用于各型機車、車輛及動車組，具有不占用機車運行時間，檢測速度快、效率高、精度高、自動化程度高等優(yōu)點。四、結(jié)語本文主要從理論方面對機車輪對在線檢測裝置的根本原理簡介，該裝置應(yīng)用到鐵路車輛輪對的檢查工作中能夠及時發(fā)現(xiàn)