CN108303021B - 一种轨道车辆轮对尺寸测量仪及确定最优镟修量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轨道车辆轮对尺寸测量仪，包括机体，设置在机体前部的模组滑台导轨，与模组滑台导轨同轴连接电机驱动器，固定在模组滑台导轨上的激光位移传感器，平行设置在模组滑台导轨上的光栅尺，设置在机体后部、的激光测距传感器，设置在机体下部的定位杆，设置在机体下部的电磁铁，以及设置在机体内并为测量仪供电的电源。本发明测量仪基于激光三角测量原理，实现车轮踏面外形、轮缘厚度、轮缘高度、qR值、车轮磨耗量、轮径、轮对内侧距等参数的非接触高精度测量。本发明还提供了采用该测量仪的确定最优镟修量的方法。

Description

一种轨道车辆轮对尺寸测量仪及确定最优镟修量的方法
技术领域
本发明涉及轨道车辆轮对检修技术领域，具体涉及的是一种轨道车辆轮对尺寸测量仪及确定最优镟修量的方法。
背景技术
当前轮对检修设备各项功能相互分离，由不同的设备、系统或者作业人员完成。
参数检测，目前运营单位主要采用的检测设备为轮径尺、内侧距尺、第四/五种检查器，部分技术先进的运营单位配备有便携式数字化检测设备；
状态评估，由作业人员根据检测结果和作业规范中规定的限值要求进行评估；
镟修决策：由作业人员根据作业规范，凭经验制定镟修方案，并将方案输入镟轮机床执行作业。
目前的列车轮对尺寸检测、评估与镟修主要存在如下问题：
(1)传统的检测尺测量效率低且无法实现踏面廓形的测量，且由人工读数、手动记录，测量误差受人为因素影响大；当前的数字化检测仍以检测功能为主，智能化程度不高；
(2)当前镟轮机床普遍缺乏科学有效的决策系统，镟修过程受技术人员经验的影响大，过度镟修现象严重，造成车轮报废速度快、维修成本高；据统计，车轮70％以上的轮径损耗都是镟修掉的，车辆运行中的轮径磨耗不到30％，经济镟修研究具有重要价值。
综上，如何设计一套轮对尺寸测量仪及一种确定最优镟修量的方法，一方面实现轮对状态的高效、精确检测，另一方面在保障安全性的前提下大大降低车轮镟修量，延长车轮使用寿命，节约轮对维修成本，便成为本领域技术人员亟需解决的问题之一。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种轨道车辆轮对尺寸测量仪。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种轨道车辆轮对尺寸测量仪，包括机体，设置在机体前部的模组滑台导轨，与模组滑台导轨同轴连接、并驱动模组滑台导轨的滑台水平运动的电机驱动器，固定在模组滑台导轨的滑台上、且随着滑台的水平运动而运动、并用于获得车轮踏面外形的特征参数的激光位移传感器，平行设置在模组滑台导轨上、并用于对激光位移传感器水平运动位移进行计数的光栅尺，设置在机体后部、并用于轮对内侧距进行测量的激光测距传感器，设置在机体下部、并用于轮对的车轮轮缘顶点进行定位的定位杆，设置在机体下部、并用于将机体固定在被测轮对的车轮内表面的电磁铁，以及设置在机体内并为测量仪供电的电源。
优选的，所述电源为锂电池。
进一步的，所述机体上设置有把手。
基于前述内容，本发明还提供了一种确定最优镟修量的方法，包括如下步骤：
(1)按照TB/T 449-2016标准给出的LM型车轮踏面外形的作图规则，获得26～32mm连续轮缘厚度的LM型标准踏面外形曲线；
(2)利用权利要求1所述的测量仪获得车轮踏面外形的特征参数，进而获得磨损后的车轮踏面外形曲线；
(3)根据步骤(2)获得的车轮踏面外形曲线，与步骤(1)给定的某个轮缘厚度对应的LM型标准踏面外形曲线放置于同一个坐标系下，然后将LM型标准踏面外形曲线从下往上移动，直至LM型标准踏面外形曲线与磨损后的车轮踏面外形曲线具有第一个交点时停止移动，所得到的交点即为镟修制约点；
(4)根据镟修制约点的位置坐标，确定在车轮名义滚动圆直径处的车轮踏面外形曲线与LM型标准踏面外形曲线之间的差值，该差值即为镟修量；
(5)重复步骤(3)和(4)获得任意轮缘厚度与镟修量之间的函数关系，以轮缘厚度尽量大的同时镟修量尽量小为优化目标确定最优镟修量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明测量仪通过安装激光位移传感器和滑动导轨实现对轮对踏面的二维测量，得到踏面构型的分段式曲线轮廓，通过激光距离传感器实现对轮对内侧距的精确测量，通过电磁铁和定位杆实现在车轮上的精确定位与固定。本发明测量仪基于激光三角测量原理，实现车轮踏面外形、轮缘厚度、轮缘高度、qR值、车轮磨耗量、轮径、轮对内侧距等参数的非接触高精度测量，踏面廓形与特征参数的测量精度在±0.05mm以内，内侧距、轮径的测量精度在±0.5mm以内，单个车轮的测量时间小于20s。采用该测量仪测量得到的数据确定轨道车辆轮对的镟修量的方法，能有效节约轮径的镟修量，延长车轮的使用寿命；同时能很好的保证车轮镟修后特征参数满足限值要求，具有较高的经济性。
附图说明
图1为本发明的测量仪总体结构示意图。
图2为本发明的测量仪总体结构爆炸图。
图3为轮对踏面与内侧距测量状态示意图。
图4为轮径测量状态示意图。
图5为连续轮缘厚度的LM型踏面外形曲线的生成流程图。
图6为镟修制约点和镟修量的示意图。
图7为车轮镟修量与轮缘厚度之间的函数关系示意图。
图8为列车车轮镟修优化算法流程图
其中，附图标记对应的名称为：
1-机体，2-模组滑台导轨，3-电机驱动器，4-激光位移传感器，5-光栅尺，6-激光测距传感器，7-定位杆，8-电磁铁，9-供电电源，10-把手，11-轮径辅助装置，12-激光束，13-车轮。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例：
如图1～3所示，一种轨道车辆轮对尺寸测量仪，包括机体1，机体1为常规结构，具体结构如图2的爆炸图所示，设置在机体1前部的模组滑台导轨2，与模组滑台导轨2同轴连接、并驱动模组滑台导轨2的滑台水平运动的电机驱动器3，固定在模组滑台导轨2的滑台上、且随着滑台的水平运动而运动、并用于获得车轮踏面外形的特征参数的激光位移传感器4，平行设置在模组滑台导轨2上、并用于对激光位移传感器4水平运动位移进行测量的光栅尺5，设置在机体1后部、并用于轮对内侧距测量的激光测距传感器6，设置在机体1下部、并用于轮对的车轮13轮缘顶点进行定位的定位杆7，设置在机体1下部、并用于将机体1固定在被测轮对的车轮13内表面的电磁铁8，以及设置在机体1内并为测量仪各个用电部件供电的电源9，电源9为锂电池，锂电池与测量仪的用电部件连接供电为常规技术，故不再赘述。机体1上设置有把手10，方便拿取。
如图4所示，在使用测量仪进行轮径测量时还需要配合轮径辅助装置11，测量过程中，先将该轮径辅助装置11与被测车轮内表面贴合，将轮径辅助装置11两端的辅助定位杆贴在任意圆周方向车轮轮缘最高点的位置进行定位，同时，轮径辅助装置11的中心有一凸起的小平台，将测量仪的中心孔与该小平台对齐，使得该平台刚好在测量仪的中心孔内。对轮径的测量是采用弦长法的原理实现的，由于轮径辅助装置11两端的辅助定位杆是固定不变的，如果测量的轮子直径更大，那么对应的轮径辅助装置11中心的凸起平台距离用来测踏面的激光位移传感器的距离就越小，反之，如果车轮直径越小，这个距离就越大。换而言之，通过辅助装置上的两端的辅助定位杆、中心凸起的平台这三点的弦长计算车轮直径。
如图5～8所示采用本实施例的轨道车辆轮对尺寸测量仪的一种确定最优镟修量的方法，包括如下步骤：
(1)按照TB/T 449-2016标准给出的LM型车轮踏面外形的作图规则，获得26～32mm连续轮缘厚度的LM型标准踏面外形曲线；
(2)利用权利要求1所述的测量仪获得车轮踏面外形的特征参数，进而获得磨损后的车轮踏面外形曲线；
(3)根据步骤(2)获得的车轮踏面外形曲线，与步骤(1)给定的某个轮缘厚度对应的LM型标准踏面外形曲线放置于同一个坐标系下，然后将LM型标准踏面外形曲线从下往上移动，直至LM型标准踏面外形曲线与磨损后的车轮踏面外形曲线具有第一个交点时停止移动，所得到的交点即为镟修制约点；
(4)根据镟修制约点的位置坐标，确定在车轮名义滚动圆直径处的车轮踏面外形曲线与LM型标准踏面外形曲线之间的差值，该差值即为镟修量；
(5)重复步骤(3)和(4)获得任意轮缘厚度与镟修量之间的函数关系，以轮缘厚度尽量大的同时镟修量尽量小为优化目标确定最优镟修量。
如图5所示，所有的踏面曲线和轮缘厚度之间均是对应的关系，一个轮缘厚度对应着相应的一条踏面外形曲线。由于铁路规程里的轮缘厚度是间断的(TB/T-2003标准只有4个踏面外形，TB/T-2016标准有10个踏面外形)，在确定最优镟修量时对应的轮缘厚度通常不会刚好为铁路标准规定的这些间断值，这样就只能选择和该最优镟修量临近的轮缘厚度为列车轮对需要恢复到的目标值，该轮缘厚度值对应的镟修量并不是最优镟修量。踏面外形曲线是由不同的弧线分段组合而成，只要确定了每一段弧的圆心角和弧长，那整个踏面外形曲线就确定了。其步骤为：第一步：确定该轮缘厚度的值在哪个区间范围(比如轮缘厚度为31.55，那么该值在31-32mm的范围)；第二步：通过铁路标准里已有的踏面外形(31和32mm的外形均有)进行插值细分，可以得到轮缘厚度(31-32mm)范围内的任意轮缘厚度对应的踏面外形曲线。其中，还需要考虑相关的约束条件，如弧线之间连接光滑等。
步骤(3)和(4)如图6所示，从测量的车轮踏面廓形曲线对应的踏面要恢复到车轮标准踏面廓形曲线的踏面需要进行镟修作业，标准规定在70mm位置对应的轮径为车轮名义滚动圆直径。
如图7所示，图中，横坐标是轮缘厚度(单位是毫米)，纵坐标是镟修量(单位是毫米)。在对列车轮对进行镟修时，一个重要的原则是将轮缘厚度恢复到标准规定的尽量大的值，从图上可知，轮缘厚度从27mm一直到30.5mm范围内，每增加一个单位的轮缘厚度值而对应增加的镟修量均很小，而在30.5mm后，每增加一个单位的轮缘厚度值需要增加较大量的镟修量。换而言之，将轮缘厚度恢复到30.5mm时付出的代价小(镟修量小)，而轮缘厚度恢复到超过30.5mm时，付出的代价大(镟修量大)，因此对于该车轮，将其轮缘厚度恢复到30.5mm是最经济的，而在轮缘厚度为30.5mm对应的镟修量6.7mm是最优镟修量。在该函数曲线的斜率突然增大的点对应的纵坐标值为最优镟修量，横坐标值为对车轮进行最优镟修所对应的轮缘厚度值。
如图8所示，列车车轮镟修优化算法流程：通过自动读取镟修前的轮缘厚度、轮缘高度、运行中的轮径磨耗量，运行中踏面基线上逐点的磨耗量分布情况。针对磨耗后的踏面外形曲线，系统自适应地调整与之最适应的标准轮踏面外形，标准轮各曲线段的配合关系满足技规，且保证标准轮踏面曲线的连续与光滑。针对轮缘厚度的镟修设定值，分析计算出需要的最优镟修量、镟修制约点的位置坐标、镟修损耗与运行磨耗的比例系数、轮径镟修量与轮缘厚度恢复量的比例系数以及镟修中踏面基线上逐点的镟修量分布情况等。同时，镟修原则包括同轴原则、同架原则和同车原则，根据不同车型和不同修程的需要合理确定。
为了验证本轨道车辆轮对尺寸检测、确定镟修量的方法的经济性，以某型机车的实际镟修情况为例，对采用传统镟修方案和采用本发明的镟修方案的镟修效果进行对比分析。该型机车包含2个转向架、6条轮对和12个车轮，列车共计镟修3次。表1、表2为两列机车车轮镟修的轮径和轮缘相关参数对比结果。其中：轮径参数主要有轮辋厚度均值、轮径镟修量及两种方案对比的镟修节约量；而轮缘的参数则主要有轮缘厚度均值、轮缘超限数量及参数达标率三个参数。
表1 01机车对应的列车轮对的轮辋和轮缘相关参数统计
由表1得出：①本列机车优化方案对该型机车的3次镟修节约量共计59.12mm，约占总镟修量的8.6％；
②3次镟修后，传统方案的轮缘参数的总达标率为97.22％，优化方案的达标率为100％。
表2 02机车对应的列车轮对的轮辋和轮缘相关参数统计
由表二得出：①本列机车优化方案对该型机车的3次镟修节约量共计174.98mm，约占总镟修量的23％；
②3次镟修后，传统方案的轮缘参数的总达标率为100％，优化方案的达标率为100％。
由表1、表2统计的01、02机车的相关参数可见，本发明所提出的确定最优镟修量的方法的经济性相比于传统的镟修方法能有效节约轮径的镟修量，延长车轮的使用寿命；同时采用本发明的镟修方案能很好的保证车轮镟修后特征参数满足限值要求。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用轨道车辆轮对尺寸测量仪确定最优镟修量的方法，其特征在于，所述轨道车辆轮对尺寸测量仪包括机体(1)，设置在机体前部的模组滑台导轨(2)，与模组滑台导轨同轴连接、并驱动模组滑台导轨的滑台水平运动的电机驱动器(3)，固定在模组滑台导轨的滑台上、且随着滑台的水平运动而运动、并用于获得车轮踏面外形的特征参数的激光位移传感器(4)，平行设置在模组滑台导轨上、并用于对激光位移传感器的水平运动位移进行计数的光栅尺(5)，设置在机体后部、并用于轮对内侧距进行测量的激光测距传感器(6)，设置在机体下部、并用于轮对的车轮轮缘顶点进行定位的定位杆(7)，设置在机体下部、并用于将机体固定在被测轮对的车轮内表面的电磁铁(8)，以及设置在机体内并为测量仪供电的电源(9)；
确定最优镟修量的方法包括以下步骤：
(1)按照TB/T 449-2016标准给出的LM型车轮踏面外形的作图规则，获得26～32mm连续轮缘厚度的LM型标准踏面外形曲线；
(2)利用轨道车辆轮对尺寸测量仪获得车轮踏面外形的特征参数，进而获得磨损后的车轮踏面外形曲线；
(3)根据步骤(2)获得的车轮踏面外形曲线，与步骤(1)给定的26～32mm连续轮缘厚度中的一个轮缘厚度对应的LM型标准踏面外形曲线放置于同一个坐标系下，然后将LM型标准踏面外形曲线从下往上移动，直至LM型标准踏面外形曲线与磨损后的车轮踏面外形曲线具有第一个交点时停止移动，所得到的交点即为镟修制约点；
(4)根据镟修制约点的位置坐标，确定在车轮名义滚动圆直径处的车轮踏面外形曲线与LM型标准踏面外形曲线之间的差值，该差值即为镟修量；
(5)设定多个不同的轮缘厚度，重复步骤(3)和步骤(4)获得轮缘厚度与镟修量之间的函数关系，将函数曲线的斜率突然增大的点对应的纵坐标值为最优镟修量，横坐标值为对车轮进行最优镟修所对应的轮缘厚度值。
2.根据权利要求1所述的一种利用轨道车辆轮对尺寸测量仪确定最优镟修量的方法，其特征在于，所述电源为锂电池。
3.根据权利要求2所述的一种利用轨道车辆轮对尺寸测量仪确定最优镟修量的方法，其特征在于，所述机体上设置有把手(10)。
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