CN114034337B - 一种用于轮轨接触斑及应力分布检测的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于轮轨接触斑及应力分布检测的装置和方法，该装置包括：轮轨加载机构、两轴扫描机构、超声波探头、以及控制器；其中，轮轨加载机构用于将车轮检测件固定在钢轨上，并根据控制器发送的控制信号向车轮检测件施加预设值的载荷；两轴扫描机构夹持超声波探头，并根据控制器发送的控制信号携带超声波探头进行平面扫描运动；超声波激励和采集电路用于超声波信号的激励和采集，计算电路配置为发送控制信号，并对接收的超声波数据进行处理，生成轮轨接触斑及应力分布图像数据。该装置安装简单，测量方便，并且，测量结果受耦合效果影响较小，准确性好，精度高。

Description

一种用于轮轨接触斑及应力分布检测的装置和方法

技术领域

本发明涉及轮轨接触斑及应力分布检测技术领域，尤其涉及一种用于轮轨接触斑及应力分布检测的装置和方法。

背景技术

随着铁路运输向高速、重载方向发展，轮轨(车轮与钢轨)间接触工况日益恶化，由此带来的轮轨损伤问题也愈发严重。轮轨损伤会导致轮轨间接触几何关系发生改变，进而影响列车运行的平稳性与安全性。轮轨接触关系的检测能够为轮轨的优化设计、寿命预测和日常维护等工作提供依据，轮轨接触斑的几何形状及接触应力分布情况是评价轮轨接触关系的重要指标。

目前轨道交通在铁路现场多采用地面测试方法(钢轨应变检测法)和车载测试方法(测力轮对检测法)来测量轮轨横向力及垂向力，根据轮轨力的变化进一步分析得到轮轨的接触关系，判断轮轨接触状态及列车运行情况。但此类方法只能间接评估轮轨接触关系，无法准确获取轮轨接触斑及接触应力分布信息。

针对轮轨接触关系及状态的检测，国内外研究人员尝试采用压敏胶片测量法、光弹性法、超声波法和机器视觉图像识别法等方法进行测试。其中压敏胶片测量法使用简单快捷，但其影响轮轨接触条件，测量准确性和精度低，且应力检测上限为300MPa，实际使用中局限性较大；光弹性法精度较高，但存在工艺复杂、测量周期长，成本高等问题；超声波法精度较高、测量简便、不影响真实接触状态且对测量环境要求低；机器视觉图像识别法测量效率高、精度高，但只能获取轮轨接触边界线，无法得到完整的接触斑及接触应力。在诸多方法中，超声波法更适用于轮轨接触斑及应力分布的直接测量。

超声波测量轮轨接触斑及接触应力分布采用超声反射系数法，超声波的声压反射系数被定义为接触界面上反射波与入射波的幅值之比。由于轮轨接触面具有一定的粗糙度，轮轨接触实际上是其表面微凸体的接触，在不同载荷下微凸体产生形变导致其接触面积不同，影响了超声波在界面上的透射与反射，进而导致接触面声压反射系数的不同，因此通过测量轮轨接触面的声压反射系数分布即可反映接触斑及应力分布情况。针对轮轨接触面超声反射系数的测量问题，意大利卡利亚里(Cagliari)大学的马西米利亚诺·保罗(Massimiliano Pau)等采用了水浸超声检测技术进行测量，将车轮和钢轨接触部分均切割下来并施加载荷，利用水浸聚焦超声波探头扫描测量接触面反射系数，最终得到了较高分辨率的接触斑和应力分布图像。但由于其使用切割后的车轮和钢轨进行测试，仅可在实验室使用，无法用于现场测量。英国谢菲尔德(Sheffield)大学的布伦斯基尔(Brunskill)等通过在钢轨内部安装64阵元的超声波阵列式探头，在全尺寸轮轨实验台上进行极慢速的反射系数测量实验，得到此时的接触斑与应力分布。但该方法需要对钢轨进行加工开孔，同样无法运用到实际线路钢轨上进行直接测量，且由于阵列式超声探头结构的限制，测量结果分辨率较低。目前对于轮轨接触应力的超声检测方法只能用于实验室研究，尚无法应用于实际运营的轨道交通线路中，且现有超声检测方法通过钢轨轮轨接触状态检测获取的接触斑几何尺寸与接触应力分布情况精度较低。

发明内容

本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种用于轮轨接触斑及应力分布检测的装置和方法，既可以应用于实验环境检测，也可以用于实际运营线路钢轨接触班及接触应力检测，解决了当前在实际线路上，钢轨轮轨接触状态检测中，难以获取高精度的接触斑几何尺寸与接触应力分布情况的难题。本发明安装简单，测量方便，且检测精度较高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。

一种用于轮轨接触斑及应力分布检测的装置，其包括：轮轨加载机构、两轴扫描机构、超声波探头、以及控制器；其中，轮轨加载机构用于将车轮检测件固定在钢轨上，并根据控制器发送的控制信号向车轮检测件施加预设值的载荷；两轴扫描机构设置为夹持超声波探头，并根据控制器发送的控制信号携带超声波探头进行平面扫描运动；超声波探头配置为根据控制器发送的控制信号进行超声波信号的发射和/或接收；控制器包括通信连接的步进电机驱动电路、超声波激励和采集电路、计算电路、存储器、输入输出接口、以及电源；步进电机驱动电路用于驱动两轴扫描机构在平面内移动和扫描，超声波激励和采集电路用于超声波信号的激励和采集；计算电路配置为发送控制信号，并对接收的超声波数据进行处理，生成轮轨接触斑及应力分布图像数据。

一种用于轮轨接触斑及应力分布检测的方法，其包括使用根据任一项所述的装置进行轮轨接触斑及应力分布检测，生成轮轨接触斑及应力分布图像数据。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

根据本发明实施例的轮轨加载机构能够调整车轮检测件的在钢轨上安装位置，检测车轮在不同的横移量(通过车轮连接片调节螺栓调节)、摇头角(通过第二承载梁与第一承载梁的水平夹角调节)下的静态轮轨接触斑与应力分布情况，其安装简便，使用灵活，能够适用于铁路机车、客车、货车等各类型车轮的新轮、半磨耗、磨耗型等多种不同型号踏面的检测。

本发明基于水浸超声无损检测，安装简单，测量方便，并且，测量结果受耦合效果影响较小，准确性好，精度高，结果图像具有较高的分辨率，能够为轮轨的优化设计、寿命预测和日常维护等工作提供可靠的检测数据。

本发明既可以应用于实验环境检测，也可以用于实际运营线路钢轨接触班及接触应力检测，解决了当前在实际线路上，钢轨轮轨接触状态检测中，难以获取高精度的接触斑几何尺寸与接触应力分布情况的难题。

附图说明

图1是根据本发明示例性实施例的用于轮轨接触斑及应力分布检测的装置结构示意图。

图2是根据本发明示例性实施例的轮轨加载机构立体图。

图3是根据本发明示例性实施例的用于轮轨接触斑及应力分布检测的装置立体图。

图4是图3所示装置的前视图。

图5是图3所示装置的右视图。

图6是根据本发明示例性实施例的两轴扫描机构立体图。

图7是图6所示两轴扫描机构的前视图。

图8是根据本发明示例性实施例的直线导轨滑台立体图。

图9是根据本发明示例性实施例的用于轮轨接触斑及应力分布检测的方法生成的结果图像。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1，根据本发明示例性实施例的用于轮轨接触斑及应力分布检测的装置主要包括轮轨加载机构、两轴扫描机构、超声波探头、以及控制器。

其中，轮轨加载机构用于将车轮检测件固定在钢轨上，并根据控制器发送的控制信号向车轮检测件施加预设值的载荷。两轴扫描机构设置为夹持超声波探头，并根据控制器发送的控制信号携带超声波探头进行平面扫描运动，扫描范围覆盖轮轨接触斑。超声波探头配置为根据控制器发送的控制信号进行超声波信号的发射和/或接收。

控制器包括通信连接的步进电机驱动电路、超声波激励和采集电路、计算电路、存储器、输入输出接口、以及电源。步进电机驱动电路用于驱动两轴扫描机构在平面内移动和扫描，超声波激励和采集电路用于超声波信号的激励和采集，计算电路配置为发送控制信号，并对接收的超声波数据进行处理，生成轮轨接触斑及应力分布图像数据。控制器还可以进一步将处理后所得结果进行显示、存储。输入输出接口可以包括与显示器、键盘、鼠标等设备连接的接口，以输入数据和控制指令，并输出数据结果进行显示或存储。

超声波探头可以采用频率为10MHz的点聚焦型水浸超声波探头，其相比传统直接接触式超声波探头测量结果可重复性好，且能实现自动化扫描测试，检测效率较高。车轮检测件可根据检测需求加工不同形状的踏面(例如，LM型踏面等)，并在车轮检测件中心加工沉台以放置超声波探头与耦合介质。

图2是根据本发明示例性实施例的轮轨加载机构立体图。参考图2～5，根据本发明示例性实施例的轮轨加载机构主要包括：第一承载梁2、活节螺栓3、钢轨夹具7、第二承载梁4、承载柱5、车轮连接片6、以及千斤顶10。

其中，第一承载梁2沿水平方向设置，其两端设置有垂直方向的通孔；两根活节螺栓3设置有螺纹端，并分别通过螺母和垫片1连接在第一承载梁2两端的通孔中；活节螺栓3的活节端通过螺栓、螺母与一组钢轨夹具7的上部活动连接，每组钢轨夹具7包括两个下部设置有凹槽以与钢轨8轨头匹配的夹片，两个夹片通过螺栓、螺母从中部固定为一组。

第二承载梁4沿水平方向设置，其两端设置有垂直方向的通孔。第二承载梁4的长度小于第一承载梁2的长度，第二承载梁4中部通过垂直设置的千斤顶10连接在第一承载梁2中部下方，且第二承载梁4与第一承载梁2设置为能以千斤顶10为轴转动(例如，可以在第二承载梁4或第一承载梁2焊接用于容纳千斤顶端部的卡槽，或挖设容纳千斤顶端部的沉孔)。承载柱5沿垂直方向设置，上端设置有垂直方向的螺孔；两根承载柱5上端通过螺栓连接在第二承载梁4两端的通孔中；每根承载柱5的下端设置有水平方向的通孔或螺孔，车轮连接片6上端通过螺栓、螺母将固定在承载柱5下端、沿第二承载梁4长度方向的外侧；车轮连接片6下端伸出承载柱5下端以形成L型空间。承载柱5用于向车轮检测件9两端施加向下的压力，车轮连接片6用于固定在车轮检测件9两端的外侧以限制位移。车轮连接片6下端还设置有容纳调节螺栓61穿过的螺孔，调节螺栓61设置为穿过车轮连接片6下端后旋入车轮检测件9上对应的螺孔中以调节车轮检测件9的位移。

进行轮轨加载时，先将千斤顶10设置为施加载荷为零，活塞杆伸出，用两组钢轨夹具7分别夹紧钢轨8轨头，将车轮检测件9放入两个车轮连接片6之间，调整车轮检测件9的横移量、摇头角，根据控制器的控制信号启动千斤顶(例如，电控液压千斤顶)或手动控制千斤顶施加预设载荷(例如，0～10kN)，通过第二承载梁4和承载柱5将加载作用力传递到车轮检测件9上，将其与被测钢轨8压紧稳定在预设载荷后即可开始超声波扫描检测。

根据本发明实施例的轮轨加载机构能够调整车轮检测件的在钢轨上安装位置，检测车轮在不同的横移量(通过车轮连接片调节螺栓调节)、摇头角(通过第二承载梁与第一承载梁的水平夹角调节)下的静态轮轨接触斑与应力分布情况，其安装简便，使用灵活，适用于铁路机车、客车、货车等各类型车轮的新轮、半磨耗、磨耗型等多种不同型号踏面的检测。既可以应用于实验环境检测，也可以用于实际运营线路钢轨接触班及接触应力检测。

图6是根据本发明示例性实施例的两轴扫描机构立体图。参考图2～7，根据本发明示例性实施例的两轴扫描机构200主要包括：扫描台支架11、第一直线导轨滑台12A、第二直线导轨滑台12B、以及探头支架16。

其中，扫描台支架11包括多块支撑板11A、两根支撑条11B、四根支撑柱11C、以及两根支撑梁11D；四根支撑柱11C垂直设置在矩形的四个顶点，两根支撑条11B分别沿矩形长边方向水平固定在支撑柱11C的上端；两块支撑板11A分别沿矩形短边方向水平固定在两根支撑条11B的两端；两块或更多块支撑板11A均匀固定在支撑条11B上。两根支撑梁11D设置为可以水平稳定放置在车轮检测件9上。

第一直线导轨滑台12A沿矩形长边方向水平固定在支撑板11A的下侧；第二直线导轨滑台12B通过滑台连接片13与第一直线导轨滑台12A相对垂直固定；探头支架16通过探头架连接片14固定在第二直线导轨滑台12B下方，并设置有固定超声波探头15的夹持机构。例如，可以在探头支架16侧面设置通孔并通过螺钉将超声波探头15紧压在探头支架16内壁上以达到固定作用，要调节超声波探头15的上下位置只需拧松螺钉，待调整完毕后重新压紧即可。

图8是根据本发明示例性实施例的直线导轨滑台立体图。参考图8～9，根据本发明示例性实施例的直线导轨滑台主要包括：电机121、底座122、丝杆123、丝杆螺母124、导轨滑块125。其中，底座122的外侧与外部结构固定连接，内侧容纳丝杆螺母124和导轨滑块125在其中滑动；丝杆123一端固定在底座122的一端的轴承座中并穿过底座122的另一端后与电机121连接。

通过两个相互垂直设置直线导轨滑台形成两轴扫描机构，实现超声波探头跟随导轨滑块做平面扫描运动，配合超声波的激励与采集完成扫描过程。

本发明示例性实施例还公开了一种用于轮轨接触斑及应力分布检测的方法。具体地，可以根据不同种类轮轨的检测需求，例如针对各种类型的铁路机车、客车、货车车轮，可以将车轮检测件9的接触踏面加工为不同类型的踏面(例如新轮、半磨耗、磨耗型踏面等)，测量时可通过调节轮轨加载机构快速更换车轮检测件9，以满足各类车辆条件下的检测需要。

检测时，首先在车轮检测件9的中心位置加工沉台，沉台水平截面形状可为设置为圆形或多边形，并且，将沉台面积设置为大于轮轨接触斑面积，沉台深度可以根据踏面类型设置。然后，在沉台中放置超声耦合介质。

将轮轨加载机构安装于被测钢轨上，调整车轮检测件的横移量和摇头角，通过千斤顶施加预设的载荷，将车轮检测件与被测钢轨压紧固定。

控制器控制步进电机驱动电路输出脉冲驱动信号，驱动两轴扫描机构中的直线导轨滑台运动，带动超声波探头移动至预定采集点。

控制器控制超声波激励和采集电路输出激励和/或采集信号，进行超声信号的激励与采集。一个激励与采集周期完成后，根据控制信号，进入下一个的运动周期，将超声波探头移动至下一采集点，重复上述步骤获取下一个采集点的超声波数据，待整个区域扫描结束后控制电机回到初始位置。

控制器控制计算机电路对接收的超声波数据进行处理，计算每个采集点的声压反射系数，根据声压反射系数与接触应力的数学关系，计算出相应的接触应力，并建立出相应的接触应力分布矩阵，生成轮轨接触斑及应力分布图像数据，并将结果数据传输至外部设备进行存储，或将将接触斑与应力分布图通过显示器直观显示出来，如图9所示。

本领域技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

当本发明上述集成的程序指令以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于轮轨接触斑及应力分布检测的装置，其特征在于，所述装置包括：轮轨加载机构、两轴扫描机构、超声波探头、以及控制器；

其中，轮轨加载机构用于将车轮检测件固定在钢轨上，并根据控制器发送的控制信号向车轮检测件施加预设值的载荷；两轴扫描机构设置为夹持超声波探头，并根据控制器发送的控制信号携带超声波探头进行平面扫描运动；超声波探头配置为根据控制器发送的控制信号进行超声波信号的发射和/或接收；

控制器包括通信连接的步进电机驱动电路、超声波激励和采集电路、计算电路、存储器、输入输出接口、以及电源；步进电机驱动电路用于驱动两轴扫描机构在平面内移动和扫描，超声波激励和采集电路用于超声波信号的激励和采集；计算电路配置为发送控制信号，并对接收的超声波数据进行处理，生成轮轨接触斑及应力分布图像数据；

所述轮轨加载机构包括：第一承载梁、活节螺栓、钢轨夹具、第二承载梁、承载柱、车轮连接片、以及千斤顶；

所述第一承载梁沿水平方向设置，其两端设置有垂直方向的通孔；两根活节螺栓设置有螺纹端，并分别通过螺母和垫片连接在第一承载梁两端的通孔中；活节螺栓的活节端通过螺栓、螺母与一组钢轨夹具的上部活动连接，每组钢轨夹具包括两个下部设置有凹槽以与钢轨轨头匹配的夹片，两个夹片通过螺栓、螺母从中部固定为一组；

所述第二承载梁沿水平方向设置，其两端设置有垂直方向的通孔；第二承载梁的长度小于第一承载梁的长度，第二承载梁中部通过垂直设置的千斤顶连接在第一承载梁中部下方，且第二承载梁与第一承载梁设置为能以千斤顶为轴转动；

承载柱沿垂直方向设置，上端设置有垂直方向的螺孔；两根承载柱上端通过螺栓连接在第二承载梁两端的通孔中；每根承载柱的下端设置有水平方向的通孔或螺孔，车轮连接片上端通过螺栓、螺母将固定在承载柱下端、沿第二承载梁长度方向的外侧；

所述车轮连接片下端伸出承载柱下端以形成L型空间；

所述承载柱用于向车轮检测件两端施加向下的压力，车轮连接片用于固定在车轮检测件两端的外侧以限制位移；车轮连接片下端还设置有容纳调节螺栓穿过的螺孔，调节螺栓设置为穿过车轮连接片下端后旋入车轮检测件上对应的螺孔中以调节车轮检测件的位移。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两轴扫描机构主要包括：扫描台支架、第一直线导轨滑台、第二直线导轨滑台、以及探头支架。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述扫描台支架包括多块支撑板、两根支撑条、四根支撑柱、以及两根支撑梁；

其中，所述四根支撑柱垂直设置在矩形的四个顶点，两根支撑条分别沿矩形长边方向水平固定在支撑柱的上端；两块支撑板分别沿矩形短边方向水平固定在两根支撑条的两端；两块或更多块支撑板均匀固定在支撑条上。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一直线导轨滑台沿矩形长边方向水平固定在支撑板的下侧；第二直线导轨滑台通过滑台连接片与第一直线导轨滑台相对垂直固定；探头支架通过探头架连接片固定在第二直线导轨滑台下方，并设置有固定超声波探头的夹持机构。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一直线导轨滑台、第二直线导轨滑台包括：电机、底座、丝杆、丝杆螺母、导轨滑块；

其中，底座的外侧与外部结构固定连接，内侧容纳丝杆螺母和导轨滑块在其中滑动；丝杆一端固定在底座的一端的轴承座中并穿过底座的另一端后与电机连接。

6.一种用于轮轨接触斑及应力分布检测的方法，其特征在于，包括使用根据权利要求1至5中任一项所述的装置进行轮轨接触斑及应力分布检测，生成轮轨接触斑及应力分布图像数据。

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