[科普中國]-踏面外形測量儀

簡介

中國的鐵路事業(yè)正在高速發(fā)展，高速機車成為了客運的主流，大量的高速鐵路和地鐵也正在建設(shè)中。在機車速度提升的同時對于機車的運行安全也越來越受到重視。作為機車關(guān)鍵部件的車輪在機車運行安全中擔(dān)任著重要的作用，因此，對于車輪的監(jiān)測也是每個國家鐵路部門十分重視的一項檢測任務(wù)。全球針對車輪測量的儀器種類眾多，主要測量的參數(shù)有：輪對尺寸、踏面外形、踏面缺陷及內(nèi)部探傷。1

計算參數(shù)及精度計算參數(shù)踏面磨耗，踏面錐度，輪緣厚度，輪緣高度，輪緣錐度或輪緣磨耗，輪輞（箍）厚度，輪輞（箍）寬度，車輪直徑；并能檢測同軸輪徑差。

精度參數(shù)值是50mm以下小尺寸為±10-50μm，50mm以上大尺寸為±0.15-0.5mm

發(fā)展及分類鑒于車輪踏面外形的重要性，從機車出現(xiàn)開始，就出現(xiàn)了對車輪的監(jiān)控和測量。過去基本是依靠人工估計的方式來對尺寸是否超限和左右不均進行檢查。該方法嚴(yán)重浪費人力資源，并且估計值的準(zhǔn)確性很大程度上依賴監(jiān)測人員的測量工具和經(jīng)驗。隨后，更精確的測量工具使測量值的精度和準(zhǔn)確性有了大幅提高，比如千分尺，其測量長度的精度可達到0.01mm甚至更高，這促進了車輪外形測量工具的發(fā)展。隨著科技的發(fā)展，更多的測量工具引入了車輪狀態(tài)監(jiān)控中。

接觸式1）卡尺式檢測工具

卡尺式檢測工具是最原始的對車輪情況進行測量的工具。它針對測量的車輪采用了特殊的形狀設(shè)計；同時卡尺上采用了游標(biāo)卡尺，千分尺來保證精度，人工進行讀數(shù)；它主要測量2個關(guān)鍵位置的數(shù)值，一個是70mm處的豎向數(shù)值?？汕蟪瞿ズ牧?；另一個是輪緣厚度：這種卡尺精度一般為0.5mm左右（游標(biāo)和千分尺精度較高），精度受人為影響大。經(jīng)過多年的實踐和發(fā)展，卡尺出現(xiàn)了多種為了簡化測量步驟而進行的改進，并申請了各自的專利，雖然方式各不相同，但都采用了尺上加尺，一次測量多個關(guān)鍵點的想法，這些工具仍有部分在鐵路上使用。23

2）磁爬式測量工具

磁爬式測量工具的出現(xiàn)是機械裝置與計算機自動化技術(shù)的一個結(jié)臺。其特點是采用磁性滾輪沿輪對踏面部分滾動，通過計算得到整個踏面的磨耗信息，而不僅僅針對幾個關(guān)鍵點；采用了便攜式設(shè)計，輕巧方便；由于結(jié)合了計算機技術(shù)，使用電腦對測量的數(shù)據(jù)進行處理，得到磨耗值，不僅減少了計算所消耗的時間，同時減少了人為的誤差；其精度可達到0.2mm；需要人工操作。它的主要原理是采用了兩個編碼器分別固定在支撐桿與基座，和兩個支撐桿的結(jié)合處上，從而將轉(zhuǎn)動中心和磁性滾輪連接在一起。這兩個光電編碼器，用于計算支撐桿改變的角度。通過測量得到的角度信息和支撐桿的長度，可計算得到滾輪的坐標(biāo)。然后在計算機軟件中計算和修正，可繪制出當(dāng)前輪對的踏面狀況。如果與標(biāo)準(zhǔn)曲線比較，可得到各個點的磨耗值。

西南變通大學(xué)牽引動力國家實驗室對磁爬式測量裝置進行了改進，設(shè)計出了五連桿測量儀，通過五根連桿，代替原先的兩連桿的測量方式。其原理與兩連桿的測量原理類似，只是編碼器固定在連桿1和連桿3的根部。多出的連桿使得鍘量更加的穩(wěn)定，測量的數(shù)據(jù)保持在一個更高的置信水平上。4

非接觸式1）光切法

光切法是計算機視覺中的一種經(jīng)常使用的方法。安裝在固定位置的激光器打出的線激光，經(jīng)過CCD圖像傳感器的接收，然后傳輸給計算機．通過特定的算法結(jié)合標(biāo)定值，可以計算出具體的輪對尺寸。這種方法測量速度快，整個過程可在機車低速運行的情況下完成，有的儀器甚至可以在高速運行時正常測量：整個測量系統(tǒng)由計算機自動控制，不需要人工的操作。這個方法的設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了我國的車輛段上，成都主導(dǎo)科技公司研制的“輪對故障動態(tài)檢測系統(tǒng)”便采用了這種方式四。光切法設(shè)備一般比較大型，適臺固定位置，不適合移動測量；這種測量方法對光源和傳感器有較多要求，包括確定的位置，激光光亮程度（一般安裝在遮光棚中）等；整個系統(tǒng)的核心是對采集到的圖像進行處理的算法，其準(zhǔn)確與否對結(jié)果影響較大；并且標(biāo)定的準(zhǔn)確是測量準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。

2）圖像法

采用圖像測量的方法用于檢測領(lǐng)域也是現(xiàn)如今的一個研究熱點。它的特點是不需使用激光器，并且非接觸式測量，只需一個CCD攝像頭即可完成采集的工作；所有的參數(shù)都是由計算機軟件進行處理，通過對拍攝的圖像的處理得到需要的參數(shù)，維護和升級方便，只需更新軟件。

3）激光測距傳感器

激光測距傳感器是一種測量距離的高精度測量儀器．它的針對性很強，有專門用與測量超遠距離的，比如地球到月球的距離；也有專門測量近距離的：測量不同距離的激光測距傳感器所采用的測量方法也不相同。用于測量近距離的激光測距傳感器一般采用的是三角測量法。它的特點是，可靠性高，采用了獨立的測量系統(tǒng)，不依賴于器件本身，當(dāng)然，這里只是針對于測量輸出目標(biāo)物體與激光器之間的距離，沒有涉及到其他安裝和距離換算所造成的誤差；很適合便攜式檢期4，一般的近距離激光測距傳感器的重量都很輕，只有100g或者200g，可以做成便攜的測量設(shè)備：測量精度在10μm左右，有的甚至能達到5μm；但要達到很高的測量精度對工裝要求較高，要盡量避免振動；同時測量精度與穩(wěn)定性和激光器特性關(guān)系很大。1