CN1133433A - 非接触式铁路车轮试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种评估制成的铁路车轮的装置和方法，其中使用多个非接触式传感器，对多个检测信号进行分析、评估和比较，以便检验铁路车轮是否符合美国铁路协会(AAR)标准。

Description

非接触式铁路车轮试验 装置及方法

本发明涉及试验及试验装置，更具体来说，涉及铁路车轮的试验装置。铁路车轮一般用于各种铁路车辆如客车、车头和货车。大多数车轮用于货车上，这些车轮需要快速、可靠的分折装置以便向用户发货前对其进行评价。需要快速可靠的评价之原因在于希望提高装运生产率，更主要是为了评价车轮质量以便返修，为了快速评价制造工艺，以提供修正措施。

铁路车轮必须符号美国铁道协会(AAR)发布的标准，该协会一般发挥铁路工业标准制定者的作用。铁路车轮必须具有适于其使用目的的适宜的物理特性。美国铁道协会已对车轮化学成分规定了标准，以布氏硬度试验为基础的车轮硬度和车轮最后必须符号各种具体尺寸和参数标准如圆度、偏心度和尺寸公差。

如同大多数齿轮、轴类和其它转动零件那样，铁路车轮标准一般要求其圆周的圆度；其轴孔与车轮中心线对准；其前、后面的平度；必须具有适当的车轮踏面(触轨面)直径，以及适当的车轮踏面锥度。所有这些物理特性标准等必须符合，才能产生被用户接受且符合AAR标准的铁路车轮。使用普通的夹具、工具和仪表对这些车轮进行试验费时且繁复，因为每个车轮一般重量超过600磅。因此，车轮难于搬运，在某些测量中精度也许要依赖于检测者的技术或用于测量某一具体尺寸或特性的检测工具的质量。然而，目前尚无一种接触或不接触车轮而测量铁路车轮多种尺寸和特性，且能够进行按照AAR标准评价车轮的所有必要参数的试验装置。

本发明的目的在于提供一种使用非接触式传感器的试验装置；用于评价制成的车轮的物理参数。

在本发明的推荐实施例中，一夹具架包括一个在竖直位置上安放铁路车轮的装置，在该位置上轮毂轴线是水平的，但是使用者也可以选择车轮的定向。在上述车轮竖直的布置中，车轮被保持在两组滚轮之间，在夹具中的车轮的上、下部，这两组滚轮设置在基本对准且相对的位置上。这些滚轮看来很象皮带轮，用于接纳车轮凸缘，至少其中一个独立地被驱动以便在试验中使车轮转动。

设置三套试验取样装置，利用感应式和激光传感器的组合建立车轮前、后面之一的虚拟基准面。然后，利用上述基准面建立该装置相对于多个试验点的相对位置，这些试验点在车轮圆周，前、后面，轮毂前、后面上，以及在轴孔中。将测出的数据或信号点提供给信号传感器，以便与从标准铁路车轮测出的经验标准参数进行比较，并将分析信号提供给打印机或其它存储、出版装置。这种比较器的具体组件和硬件可以是与打印机和/或电子显示板连接的电子计算机类设备。本发明并不限制信号输出的具体种类。

以下是附图的简要说明，图中相同的标号代表相同的零件。

图1是局部剖开的铁路车轮的立体图；

图2是表示传感器分组件和垂向对准的车轮之间的空间关系的示意图；

图3是轮毂和孔的第二传感器分组件及其安装和驱动装置的放大示意图；

图4是取样分组件的结构支承装置的立体图；

图4A是从相反方向看去的图4所示支承装置的立体图；

图4B是图4所示支承装置的立体图，表示出图3所示的取样装置；

图5是第一取样分组件的三轴向驱动组件的立体图；

图6所示立体图表示以垂向装夹位置安装在皮带轮式滚轮上的铁路车轮。

虽然图1中的铁路车轮10可以通过机加工或锻压制造，但通常大多是铸件，更具体来说，大多是在石墨或砂模中压力铸造的钢轮。图1中的车轮10包括前面12，后面14，轮毂16，车轮踏面18及凸缘20。踏面18具有在车轮后面14上的踏面后面23，以及从其与凸缘20相交处向着踏面前面22稍许向内或向下倾斜的锥面。轮毂16包括轮毂前面24和轮毂后面26，带纵轴线30的孔28穿过轮毂16。应注意的是，孔28一般是轮10上唯一的精加工表面，也就是说，孔28要在车床上车削或在磨床上磨削以形成较光滑的表面，以便将车轮10安装在车轴(未画出)上，而轮10的其余表面一般处于铸造后的状态中。

铁路车轮10要承受严峻的工作条件，一般超过600磅重。因此，一个人难于搬运操纵。虽然车轮10笨重，但是却要符合严格的AAR尺寸标准。具体来说，车轮10从踏面前面22和轮毂前面24至踏面后面23和轮毂后面26必须分别是较为平整的。另外，在这些表面22，23和24，26之间的厚度必须符合标准公差。AAR同样对若干直径尺寸有严格的限定和公差要求，例如，凸缘20的外径，车轮踏面18的圆周与凸缘20紧邻的斜垫(tape line)处的外径。可以对斜垫处车轮直径和在倾斜的踏面18和踏面前面22的相交处的车轮直径进行比较，从而对车轮踏面18的锥度作出分析。

孔28是车轮10的唯一精加工表面，孔的直径及纵轴线30的位置是关键尺寸，其纵轴线30也是车轮10的纵轴线。轴线30与车轮10中心的误对准或错位将使车轮10运转时象一凸轮。因此，轴线30的位置及孔28的重要性是显而易见的，其具体尺寸和相对位置是重要的考虑因素，是AAR规定的参数。

在图6中，车轮10放置在四个皮带轮式滚轮92，94，96，98的布置之中。虽然框架48在图中是一个孤立的结构，但是它可以安装在其它装置上，以便将车轮10转送至试验装置44。如图所示，滚轮92借助轴42连接于驱动装置即电机40，从而形成使车轮10在试验中可以转动的装置。这种驱动布置只是一种举例，而并不是一种限制。如图所示，每个滚轮92，94，96，98带有一条接纳凸缘20的槽，以便将车轮10保持在试验位置上。在图示布置中，车轮10处于竖直试验位置上，但是车轮10也可水平或倾斜放置进行试验，因此本发明并不限制车轮10的定向，框架48必须有足够的强度以便移送和将车轮10保持在可靠的试验位置上，试验包括在滚轮92-98中的转动。

在图2中，车轮10处于试验位置上，没有画支承滚轮92-98，以便留下必要的画面表示试验装置44的第一取样分组件50，第二取样分组件52和第三取样分组件54的相对位置，这些取样分组件50，52和54包括各自的传感器和定位装置。第一取样分组件50是一个带驱动装置56的三轴向组件，可以移动BI10M30LIU型Tur-ck感应式传感器以便跟踪踏面前面22。分组件50还包括一个第二传感器60，它也是一种感应式传感器安装在踏面后面23附近的固定位置上；以及一个设在踏面18附近的第三传感器62，图中所示的第三传感器是一个MQLAS4LAC120S15型激光传感器。感应式传感器如传感器58和60提供位置和区域或间断的检测信号(测量区域不是点接触而是一个磁感应场)，并将检测信号通过连接线66和68送至控制器64。在推荐实施例中的第三传感器是一激光传感器，它在踏面上形成一个点源。控制器64通过线67连接至输出装置65，输出装置65可以是打印机，记录器或其它装置。同样，激光传感器将一点接触信号通过线70传送至控制器64。

在这种结构中，驱动装置56具有安装在可伸展的安装头部72上的传感器58，如图4和5所示，安装头部72可在滑臂74上侧向伸展。可伸展的安装头部72的第二端部78可滑动地安装在为安装头部72垂向移动的第二滑臂76上，使安装头部72可垂向移动。第二滑臂76在其上端82安装在上驱动臂80上，在其下端86安装在下驱动臂84上。第二滑臂76可在上、下驱动臂80和84的第一端88和第二端90之间移动。以这种方式，传感器58可以在三个轴向上移动，如图5的坐标系所示，因而可用来检测车轮10的相对位置，特别是检测在图6的滚轮92，94，96和98中的休止和固定位置上踏面前面22和轮毂前面24中任一个的相对位置。前面22和24的跟踪，以及检测信号从传感器48至控制器64的输送，可以进行前面的电子测绘和建立在车轮10前面上的虚拟基准面，该基准面是与标准试验轮的校准数据进行比较而限定的。

第二取样分组件52专门用于轮毂16和孔28的测绘。在图3中，分组件52具有第三感应式传感器100，它安装在托架101沿轴线30的一个相对固定的位置上。托架101是从第二安装装置102延伸的。第三感应式传感器100通过线104连接于控制器64。

分组件52具有沿轴线30或平行于轴线30延伸的臂106，在臂106的远端116上装有一串激光传感器108，110，112和114，这些传感器108，110，112和114分别通过线118，120，122和124连接于控制器64。传感器110，112和114在远端116以圆形布置，最好在一个平面上，相邻传感器之间的角距为120°。传感器108与传感器110对准，并沿臂106在纵向上与传感器110间隔开来，传感器110可提供一个第二内孔读数，用测定孔28在传感器108和110之间的斜度或锥度(如果存在的话)。

第二安装装置102具有一个第二驱动装置126，其用于在第一端128和第二端130之间移动滑壁106和托架101，从而使滑臂106和激光传感器108至114沿轴线30定位，然后将臂106和上述传感器伸入孔28。安装装置102的上述运动使传感器100接近轮载后面26。以这种方式，在上述测绘过程中，传感器100的静信号和传感器58的信号一起分别初步测定了前、后轮毂面24和26之间的厚度。

第三取样分组件54具有安装在臂38远端136上的第四感应式传感器132，第五感应式传感器133和第六感应式传感器134。第三驱动装置140固定在臂138上，以便垂向地将传感器132和133移近踏面18，使传感器134移近踏面前面22。传感器132，133和134分别通过线142，143和144连接于控制器64，使检测信号传递到控制器64。

在图4，4A和4B中，图示的试验装置44具有安装在框架结构150上的取样分组件50，52和54，框架150可绕着框架48安装，使车轮10的位置处于框架150的包封152之内。更具体来说，框架150具有第一对立柱154和156，横撑杆158连接在其上端160，162上。第二对立柱164和166与第一对立柱154，156面对，并由第二横撑杆172连接在其上端168，170上。这两对立柱154，156和164，166，在其相对的上端160，168和162，176分别由平行的水平构件174和176相连接。这样，框架150形成了在若干框架构件中的包封152。如图所示，第一取样分组件50安装并工作在立柱164和166上，第二滑臂76基本平行于立柱164和166。在包封152中，第二取样分组件52通过托架178和立柱154和156之间的构件180固定在立柱154上。构件180连接在上部构件174和托架178上。第三取样分组件54安装在矩形支承件182上，支承件182本身固定在上部构件174的176之间。在上述结构中，驱动装置140可移动臂138，使传感器132，133和134相对于车轮10定位。在附图中车轮10的具体位置由车轮纵轴线30和车轮水平横轴线184的交点给出。例如在图3中清楚标出上述轴线30和184。

在附图中，没有画出车轮10和车轮支承框架48，以便更清楚地表示各传感器及其驱动装置的有关位置和运动。但是，如图6所示的车轮支承框架48显然可以装入包封152中，使车轮10处于试验位置上。在图4中清楚地示出在等待车轮10的最初阶段中，传感器58，60和62的位置以及分组件50的驱动装置56，如图所示，第二分组件64的臂106伸展，使传感器100，108，110，112和114移入其适当的空间位置，以便对车轮进行测试分析，同样，使传感器132，133，和134处于其适当位置以进行车轮测试。

在对车轮10进行测试之前，要用标准铁路车轮或仪表校准试验装置44，将标准铁路车轮装入试验台，然后经过各种试验以检验传感器和控制器64的校准情况。也利用上述标准车轮评估各传感器、滚轮和驱动装置的对准情况和位置。在试验装置44的工作中，在使分组件50，52和54的传感器定位之前，将车轮10送入包封152中并在滚轮92，94，96和98上定位。移送装置可包括自动装置，也可以手工移送。在上述测试位置上，可在车轮10上作标记以便作限制转数之用，并保证车轮10的完整的一转，另外，这种位置标记也可是AAR所要求的布氏硬度试验的位置。在车轮10的静止位置上，要对准固定位置的传感器60和62以便开始它们的分析测试。借助驱动装置56将安装头72和传感器58移入滑臂74上的位置。然后，第一分组件驱动装置56使安装头和传感器58绕车轮外表面12，更确切地说，绕踏面前面22移动，从而有效地测绘车轮10的前面并限定一个虚拟基准面。由驱动装置的臂76和80限定的这个基准面被认为是一个平面，因而当检测前面12的较平滑轮廓时，与上述基准面相距一固定距离的传感器58的转动，为其余试验提供了评估上述作为基准的表面的必要数据。然后以相同的方式用传感器58对轮毂前面24作相似的测绘。检测的数据送入控制器64，并保留下来，用作在车轮10的转动的动态测试中接收到的数据的比较基准。已经认识到驱动装置56也许并不能产生一个绝对平面，但是驱动装置56却可提供一个可重复的路径，这个路径可以用仪表在标准车轮上进行检验，以便评估由驱动装置56限定的这个路径，并在试验中比较为车轮限定的虚拟基准面。

当滑臂74前进到使传感器58接近前面12的位置时，第二驱动装置126使托架101移至传感器100接近轮毂后面24的位置，伸展臂106，使传感器108，110，112和114移入孔28。另外，也使第三分组件54在踏面18上方，并靠近在车轮10大致垂向顶部的踏面前面22(图2)定位。在上述传感器的对准中，激光传感器110，112，114(处于一公共平面内)可用来测定孔28的中心轴线30及孔28的静态直径。沿轴线30与传感器110对准的传感器118可用来检测孔28的任何锥度。另外，感应式传感器100向控制器64提供一个信号，该信号与传感器58的数据一起指示静态轮毂厚度。所有这些数据可与车轮10的已限定的虚拟基准面进行比较。

在静态试验结束时，借助电机40和滚轮92转动车轮10，以便多次测试尺寸、位置和定向。下面是对试验和测量参数的说明：

a.在车轮转动中，传感器62和132一起在一个平面内测量踏面直径，取360次独立的测值，控制器64根据所有读数求取平均直径，取决于每个试验循环的速度及试验装置的分析速度，测量的次数可以增、减。

b.传感器110和62一起测量从孔28的边缘至踏面18的车轮半径；

c.传感器110，112和114一起测量孔径；

d.控制器64可利用第2和3项的测量来指示从孔的中心的半径变化(不圆度)；

e.由传感器58和132测量轮圈厚度X(图1)；

f.将前面测绘中最大和最小读数差与标准车轮校正值进行有效的比较，可测出踏面前面22即轮辋前面的翘曲；

g.整个车轮的翘曲可通过传感器60的轮辋后面读数与前面测绘的基准面即最佳装配面之差来求出；

h.平均踏面宽度可通过踏面前面22的测值和踏面后面23的测值之差来校准，上述测值是传感器58和60或134和60的输出值；

i.孔的长度可根据(测绘轮毂前面24的)传感器58和传感器100的输出值求出；

j.孔的中心的相对于轮的中心的位置可以通过半径的变化求出；

k.通过传感器108至传感器110测出的孔的半径的变化可求出孔的角度；

l.通过从轮毂前面至轮辋前面(测绘基准面)的平均距离加上平均踏面宽度减去孔的长度可求出轮毂后面26在轮后面上的凸起量；

m.对于轮毂前面至轮辋前面，评估每个检测点至基准面距离，最大变化减去最小变化即求出轮毂倾斜量。

为评估各参数，虽然有许多用于各种试验的电子测量装置，但是对于铁路车轮10这种大型、笨重的试件，却可以无手动接触地，在少于60秒的时间内进行上述多种试验。

虽然对照附图详述了本发明的一个具体实施例，但是显然本专业技术人员可以对其进行各种修改变化而并不超出本发明的范围。

Claims (6)

1.一种非接触式铁路车轮试验装置，所述车轮具有一前面，一后面，一个带有外径的踏面，以及一个带有内径的孔，所述试验装置包括：

一个所述车轮的固定夹具，所述固定夹具可将所述车轮保持在试验定向上并使其转动，以便进行试验参数分析；

多个非接触传感器，所述传感器用于检测车轮表面上的一个点或表面位置中的至少一个，并提供一个被测参数的输出信号；

一个第一和三轴向取样组件，其用于测绘一基准面并为所述铁路车轮固定坐标关系，所述第一组具有多个传感器，其用于横跨所述车轮面并在所述车轮的前面和后面之间检测关于车轮参数的多个数据点；

一个第二和二轴向取样组件具有至少一个用于检测所述车轮孔径的内径传感器，和在车轮在所述夹具中转动时，在所述孔中在多个接近于所述车轮外表面的多个点上，检测所述车轮的尺寸参数的外传感器；

用于连接的装置；

用于接收所述输出信号的装置，所述接收装置具有多个用于与检测信号进行比较的基准参数，所述连接装置连接所述传感器和所述接收装置，以便将所述检测信号传递至所述接收装置，从而与所述基准参数进行比较，从而提供所述检测信号的分析输出，描述所述车轮的尺寸特性。

2.如权利要求1所述的非接触式铁路车轮试验装置，其特征在于：所述多个传感器包括激光传感器和磁感应式传感器。

3.如权利要求2所述的非接触式铁路车轮试验装置，其特征在于：所述车轮具有在其圆周上的凸缘，一个凸缘后面，一个接近所述踏面的凸缘前面，一个基本处于中心的轮毂，一个轮毂后面，一个轮毂前面，所述内孔基本处于中心位置，伸过所述轮毂并具有一车轮轴线，以及在所述车轮前面的圆周上的踏面前面，所述踏面具有一圆周；圆周具有一斜垫；

所述第一取样组件具有一个可在所述踏面前面附近定位的第一感应式传感器，一个在所述凸缘后面附近的第二感应式传感器，以及在所述踏面附近的第一激光传感器；

所述第二取样组件具有一串传感器，包括一个第三感应式传感器，一个第二激光传感器，一个第三激光传感器，一个第四激光传感器和一个第五激光传感器，上述激光传感器可在所述孔中定位；

所述第三取样组件具有一个在所述踏面附近的第四感应式传感器和在所述踏面前面附近的第五感应式传感器；

一个三轴向定位装置，所述第一取样组件安装在所述定位装置上并可在其上移动，以便使所述第一感应式传感器在所述车轮面和踏面前面附近定位，所述定位装置可用来跟踪所述踏面前面和所述轮毂前面，并将所述检测输出信号传递至所述接收装置以便限定所述车轮前面的虚拟基准面。

4.如权利要求3所述的非接触式铁路车轮试验装置，其特征在于还包括一个第二定位组件，所述第二取样组件安装在所述第二定位组件上，并可在其上工作，所述第二定位组件可用于使所述一串激光传感器在所述车轮的孔中定位，以便在所述车轮由所述夹具使车轮转动的过程中，检测出所述孔和铁路车轮的纵向中心轴线的位置，并在所述轮毂后面附近使所述第三感应式传感器定位，所述传感器将检测信号传至所述接收装置以便与来自所述第一取样组件传感器的所述信号进行评估，从而提供指示试验参数的比较信号，以便与车轮标准进行比较。

5.如权利要求4所述的非接触式铁路车轮试验装置，其特征在于：所述第三取样组件可安装在第三定位组件上，所述第三定位组件可直线地伸展，使所述第四和第五感应式传感器处于接近所述车轮踏面和所述踏面前面的预定位置上，所述铁路车轮可在所述夹具中转动，以便分别使所述踏面和踏面前面经过所述第三定位组件，以便在所述踏面和踏面前面上的许多位置取样。

6.一种非接触式试验装置，用于对铁路车轮的许多尺寸参数和特性进行静态和动态的快速分析，所述试验装置包括一个带有输出装置和连接装置的控制器，所述车轮具有一踏面，一凸缘，一车轮前面，一车轮后面，一个基本位于中心的带通孔的轮毂，一轮毂后面和一轮毂前面，所述试验装置具有一个用于保持所述车轮定向且可使其转动的夹具；一个带有第一驱动装置的第一取样分组件；一个带有第二驱动装置的第二取样分组件；以及一个带有第三驱动装置的第三取样分组件，所述各分组件安装在一个框架结构上，每个所述取样分组件具有至少一个借助所述连接装置连接在所述控制器上的非接触式传感器，所述试验装置可通过下述步骤分析多个车轮物理参数和特性：

a.以预定的定向使所述车轮在所述夹具中定位；

b.将所述第一取样分组件移近所述车轮前面，所述第一取样分组件具有至少一个接近于所述车轮后面的固定位置的传感器；

c.借助所述第一驱动装置移动所述第一取样分组件，使其基本跟踪所述车轮前面，所述至少一个传感器向所述控制器提供信号以建立所述车轮前面的一个虚拟基准面；

d.借助所述第二驱动装置移动所述第二取样分组件，使其在所述轮毂中且接近于所述轮毂后面定位，所述传感器用于分析所述轮毂孔的中心线，孔的直径和从轮毂前面至轮毂后面的孔的锥度；

e.移动所述第三取样分组件，使其处于接近所述踏面的，与所述第一取样分组件的至少一个固定的传感器基本完全相对的位置上；

f.使用每个所述取样分组件对所述车轮取样，以便与所述虚拟基准面进行比较；

g.在所述夹具中转动所述车轮，在转动中对车轮连续取样，从所述传感器取样许多检测数据，以便评估所述车轮的动态工作特性；

h.将所述检测数据送至所述控制器，以便对照许多经验标准进行分析、评估和比较，然后将所述分析送至输出装置，以便表示出所述检测参数和所述车轮的特性。

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