CN100376444C - 用来测量火车车轮圆度的测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种装在铁道的至少一条铁轨(4)上的测量装置，用来测量作为火车车轮在测量面(17)内的突出轮缘顶点(5)的圆周半径和火车车轮滚动面(2)半径之差的车轮在铁轨(4)上行驶期间单个火车车轮(1)或一轮组的火车车轮(1)的圆度(7)。测量装置由多个测针(12)组成，它们相互分别具有一侧向距离，并在测量面(17)内沿火车车轮(1)或轮组的转轴(6)垂直于相应火车车轮(1)的支承面(10)与铁轨(4)连接。

Description

用来测量火车车轮圆度的测量装置
技术领域
本发明涉及一种装在铁道的至少一条铁轨上的测量装置，用来测量作为火车车轮在测量面内的在车轮在铁轨上运行期间突出轮缘顶点圆周半径和滚动面半径之差的单个车轮或一个轮组的火车车轮的圆度。
背景技术
火车车轮的圆度是火车舒适性的一个标准。不圆的车轮激发车辆、转向架或车厢的固有振动，它们会使乘客感受到不舒服的噪音和振动。火车车轮变得不圆的原因很复杂，并且是由车轮滚动面在铁轨上运行造成的。不圆度不单单出现在车轮的每一转，还发现每转3次、6次或更多次数的多边形。对于一个火车车轮在整个圆周上测量的作为在同一车轮平面内的两个半径之差的临界径向跳动值处于0.5mm的数量级。
通过伴随咬死的制动过程在火车车轮的滚动面上可能形成磨平部位。通常它很短，例如50mm长，但是与不圆度相比较深，亦即磨平部位具有在滚动面上的0.5mm和更多之间的深度。与此不同突出轮缘在其外圆周上实际上不磨损；在有轨电车车轮时充其量只有小的磨损。因此需要对火车车轮的圆度进行监测。
例如由DE 69305664T2已知一种用来检验火车车轮的测量站。已知测量站有两条平行的铁轨，其中每一条配设于一个火车车轮，并由一系列测量链组成，它们分别配设具有测针的测量仪。已知测量站由一机械分系统、一电子分系统和一压缩空气分系统组成。机械分系统由一支承对电位式移动传感器(每条铁轨4个或更多)进行控制的装置的板组成，这些传感器相应于车轮直径、轮缘厚度、轮缘高度、轮缘角度以及车轮滚动面之间的距离。电子分系统由电位式传感器和电子处理装置组成，其中电子分系统与一计算机连接。并包含一电子处理单元，该电子处理单元又包含信号处理单元。压缩空气系统造成一通向气缸的通道，它使测针垂直移动，如果车辆在它上面驶过的话。已知测量站各个装置的总体安装在一由金属组成的水密性防护壳体内，由此测量站即使在露天时也能工作。已知测量站原则上沿车轮运行方向布置，以便使三个测量点尽可能长时间地与火车车轮接触。用已知测量站借助于一测量梁(在所述专利文献中称为测量梁(14))测量圆度和车轮的磨平部位。测量梁扫描突出轮缘顶点表面相对于铁轨(的距离)，并且测量车轮滚动面相对于突出轮缘顶点的偏移作为测量值。为此需要，将参与测量的两个元件，即铁轨和测量梁，设计得非常牢固，以便用这种方法使由于作用在火车车轮上的车辆的重量形成的系统误差保持尽可能小。这众所周知地导致坚固的结构和成本高昂的地基。此外必须防止，地基和测量梁由于热影响，例如通过作用在处于露天中的铁轨上的阳光照射，在两个校验周期之间相互明显地偏移。
发明内容
因此本发明的目的是，以这样的方法测量火车车轮的径向跳动和磨平部位，使得不管是作用在火车车轮上的重量还是温度的影响都可以忽略不计。此外所属测量装置应该结构简单、维护费用低廉。
这个目的由这样的测量装置实现，它沿铁道的铁轨设置在一测量段内，并由许多单个测针组成，它们相互分别具有一侧向距离，并在测量面内沿火车车轮或轮组的旋转轴并垂直于相应火车车轮的支承面与铁轨连接。
火车车轮以其滚动面在一铁路上常见的成形铁轨上滚动。这种铁轨例如按UIC60或S54标准已标准化。通过选择在测量段开始前的一个直线先行路段达到，火车车轮或轮组以其两个车轮在测量段上在铁轨横向只有很小的偏移。通常测量段长度在火车车轮一到两转之间。因为众所周知火车车轮的滚动面具有圆锥形轮廓，这种偏移作为测量误差对测量结果产生影响。
沿测量段设置多个测针。它们以其基底固定在铁轨上，并且与车轮的突出轮缘接触的测针分别在固定测针的测量面内测量。因此当车轮以其支承点精确地位于测量面内时，测针无误差地测量轮缘高度，测量面垂直于车轮滚动面在铁轨上的支承平面，并通过车轮的旋转轴线。火车车轮在铁轨上的相应支承面具有约一颗豌豆直径的大小。在测量面前、后的平面内火车车轮的载荷使铁轨相对于测量面弯曲，从而产生测量误差，此误差的大小取决于车轮载荷、铁轨刚性和铁轨及轨枕在路基上的支承状况。
首先单独一个测针只可以测量在车轮圆周一点处的轮缘高度。根据不圆度的特征，椭圆形或多边形，沿铁轨在规定的测量段内设置多个测针。因此在测量段相当于车轮一周和在车轮形状为预计的“三角形”时设置至少六个测针。
对于测针在测量段内的布局重要的是，必须始终至少有一个测针贴合在轮缘上。这对于测量磨平部位是必需的。对应于最大测量行程和待测量车轮的最小直径，两个测针之间的相互距离可以用计算机确定。假设车轮滚动面直径为600mm、测针的测量范围为30mm，那么得到各个测针相互之间的距离为约300mm。
每个测针由一测量杆组成，它分别携带一以很高精度滚动支承的滚轮作为测头，用于与火车车轮在突出轮缘的圆周上接触。这个滚轮应该减小由于相对运动引起的磨损和由于摩擦力造成的测量值的误差。滚轮安装在一精确引导的测量杆的末端上，其转轴带有一分辨率很高的角度测量系统。测量杆的滚轮通过一复位弹簧压紧到轮缘最高点上。作为运动部分测量杆和滚轮的质量尽可能小，刚性做得尽可能大。因为在测量期间测量力的变化应该尽可能小，用来产生力的复位弹簧必须具有软的特性曲线。
测针位于测量面内，亦即安装探测滚轮所在的部位，并且仅仅在这个位置与铁轨刚性连接。在测量面内还设置一校准止挡，这允许对于所有测针具有相同的零点，而不受相应测量杆的热变形的影响。
火车车轮在测针刚接触时使滚轮冲击式地加速。因此设置一空行程，以便通过其自然的或附加的阻尼和摩擦使测针平稳。
复位弹簧必须提供足够大的测量力，以克服突出轮缘上较小的污点。有时在测量段前面可以连接一用来清洗突出轮缘的设备。在火车车轮最高点后面复位弹簧的力必须保证测量杆的加速。加速力可以由测量杆和探测滚轮的惯量以及火车车轮的直径及速度确定。
所有例如在一个轨道的测量段之内的12个测针都以高的频率测量行程。此频率与对于不圆度所需要的分辨率相适应，并且同样通过火车车轮的直径和速度确定。此外频率必须这么高，使得可以用三个点测量最短的磨平部位。
一旦火车车轮与两个或三个测针同时接触，并且一个测针可以确定轮缘高度，在流程中强制出现这种情况，便可以确定火车车轮的滚动面和突出轮缘顶点的直径。测量结果由火车车轮的载荷的影响出现误差，因此采用平均载荷进行校正。还可以通过这样的方法拉提火车车轮直径测量的精度，即在计算中考虑所有测针的数据对(除由于磨平部位造成误差的测量区域之外)。此外按测量求出的火车车轮不圆度还可以输入计算过程重新校正，从而提高直径的计算精度。此外既可以由在计算车轮滚动面的最终直径时单个测针的信号，也可以由直至可以使相邻两个测针测量轮缘高度所形成的时间间隔计算车轮的速度。
现在可以借助于圆方程和车轮速度用这样的方法换算测针的测量值，使它们得到一连续的径向跳动。由于系统误差，例如轮组负荷，和偶然误差使测量结果不准确。但是这样处理的数据对于可靠地识别磨平部位的信号并确定其大小已经足够了。不太准确的表达当然来自于源信号。
如果火车车轮的支承点位于测量面附近，那么测量信号的误差便较小。因此在这个区域内计算出的“连续的径向跳动”比较准确，并且至少可以用来确定在测量面内车轮径向跳动曲线的一条切线。火车车轮滚动面直径的知识允许，将超过一转的测量值用于“轮缘高度差”对于车轮转角的极坐标图示。由于通过车轮滚动面的圆锥形形状产生的横向于铁轨的车轮轴向运动所形成的测量误差可以用这样的方法减小，即，将0°角时的测量值和邻近360°角前、后的测量值通过直线插补相互适应，从而对于位于它们之间的测针的测量值进行校正。
除了将测针设计成具有垂直于铁轨的轴的摇臂的结构外也可以设计成其他结构，如直线导轨和平行于铁轨的回转点。
对于分辨率小于5μ的40mm的特殊测量行程可以采用各种可能的模拟或数字测量元件，例如编码器、增量式直线标尺或磁致伸缩方法，对于这此元件有大量制造商。
附图说明
下面借助于一个实施例详细说明本发明。
它们以大大简化的局部示意图表示：
-图1一火车车轮在铁轨上的位置，
-图2一在铁轨上行驶的火车车轮的突起轮缘的探测，
-图3以侧视图表示一测针，
-图4以正视图表示图3中的测针，
-图5一测针的行程时间图，
-图6在一测量段内的多个测针的行程时间图，
-图7用原始信号表示的磨平部位，
-图8用径向跳动表示的磨平部位。
具体实施方式
图1表示在某一时刻的一火车车轮1，它以其滚动面2在铁轨4上沿方向3滚动。在一众所周知由两条相互平行和离开一定距离的铁轨4组成的铁道上火车车轮1由一突起轮缘5保持。在铁道上运行时火车车轮1绕其垂直于图1的图纸平面的转轴6旋转。在图1中例如表示一车轮1的不圆度7。不圆度7相当于突出轮缘高度8和9的差，例如在转轴6的平面内沿行进方向3测量。在所述的图1的例子中火车车轮1的支承面10相对于车轮轴线6错开不圆度7的量。例如在图2中支承面10表示成在一黑框11内的白点。黑框11表示磨平部位与火车车轮在铁轨4上正常的支承面10相比的大小。
图2中的在铁轨4上沿行进方向3滚动的火车车轮1与多个测针12在突出轮缘5上接触。每个测针12由一测量杆13组成，在测量杆外端上分别固定一测量滚轮14。由图2可见，测针2以其探测滚轮14在与火车车轮1的突出轮缘顶点5接触时根据沿行进方向走过的路程的不同分别占有不同的水平位置15。探测滚轮14的水平位置15相当于测量行程。
每个测针12(图3、图4)包括一基底16，它在测量面17内与铁轨4固定在一起。测量面17相当于这样的平面，它在轨道4上垂直于支承面10并平行于轮轴6分布。测量杆13通过一铰链18与基底16可旋转地连接。同时测量杆13通过复位弹簧19支承在基底16上，此外在铰链18内设置一转角测量传感器20，它测量测量滚轮14在测量面17内在突出轮缘顶点5上相应的水平位置15。
图5表示在车轮1沿运动方向3不同的速度时测针12的信号随时间的变化。例如信号21相当于车轮1的缓慢行驶，曲线22相应于车轮1的快速行驶。图5的行程时间图的区段24对应于单个测针12在突出轮缘顶点5滚过时所走过的测量行程。
在图6的类似于图5的行程时间图中在测量段25上并排布置多个测量曲线，如它们对应于各个测针12的信号26。如图6中可见，测量段25略大于火车车轮1在转过一圈时所走过的车轮周长27。在图6中还可以看到，信号26长度各不相同。测量曲线23的切线得到一近似的正弦曲线28。此曲线28对应于在车轮滚动面2转过一周时测出的火车车轮1的不圆度。此外在所述情况下包括曲线28还具有一升程29。升程29表示火车车轮1在轨道上滚动时沿转轴6方向的横向运动。
图7的测量信号30表示了一个凹坑31。凹坑31来自于磨平部位11，它在火车车轮1的滚动面2上测出。然后在图8中可以看到磨平部位11关于其在滚动面2圆周上的位置和深度的弧立的图示32。
图形标记表
1    火车车轮      18    铰链
2    滚动面        19    复位弹簧
3    行进方向      20    角度测量传感器
4    铁轨          21    缓慢行驶
5    突出轮缘      22    快速行驶
6    转轴          23    测量曲线
7    不圆度        24    测量行程
8    突出轮缘高度  25    测量段
9    突出轮缘高度  26    单信号
10   支承面        27    车轮周长
11   磨平部位      28    不圆度
12   测针          29    横向运动
13   测量杆        30    测量信号
14   探测滚轮      31    磨平部位
15   测量行程      32    磨平部位图示
16   基底          33    测针间距
17   测量面

Claims (6)

1.装在铁道的至少一条铁轨上的测量装置，用来测量作为在测量面内的突出轮缘顶点的圆周半径和火车车轮滚动面半径之差的、在火车车轮在铁轨上行驶期间单个火车车轮或一轮组的各火车车轮的圆度，其特征为：测量装置在一测量段(25)之内沿铁轨(4)
-由多个单独的测针(12)组成，这些测针
-分别做成探测滚轮(14)，
-相互具有一侧向的距离(33)，和
-在测量面(17)内沿火车车轮或轮组的转轴(6)并垂直于相应火车车轮(1)的支承面(10)与铁轨(4)连接。
2.按权利要求1所述的测量装置，其特征为：测量段(25)在火车车轮(1)滚动面(2)的一周至两周之间。
3.按权利要求1或2所述的测量装置，其特征为：在测量段(25)之内至少一个测针(12)与突出轮缘顶点(5)在圆周上接触。
4.按权利要求3所述的测量装置，其特征为：在规定的测量时间内至少两个相邻的测针(12)同时与突出轮缘顶点(5)在圆周上接触。
5.按权利要求4所述的测量装置，其特征为：每个测针(12)由以下元件组成：
-一个可固定在铁轨(4)上的基底(16)，
-一个测量杆(13)连同
-一在外端上的探测滚轮(14)，
-一在基底(16)上的用于测量杆(13)的铰链(18)，
-一在探测滚轮(12)和铰链(18)之间的复位弹簧(19)，和
-一在铰链(18)内或上的角度测量传感器(20)。
6.按权利要求5所述的测量装置，其特征为：设有一校准止挡。
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