车轮不均匀磨损激光位移测量仪的设计与测试

杨姝

（电子科技大学成都学院，四川 成都 611731）

车轮不均匀磨损激光位移测量仪的设计与测试

杨姝

（电子科技大学成都学院，四川 成都 611731）

为现场测量车轮踏面圆周方向的不均匀磨损情况，基于激光位移测量方法设计一种新型车轮不均匀磨损测量仪。设计中利用转轮与编码器同步转动实现不均匀磨损的等步长测量，通过串口通信实现测量仪与计算机之间的数据通信与采集控制。现场测试结果表明：激光车轮不均匀磨损测量仪能在现场方便快捷地测量车轮圆周表面不均匀磨损，结果具有良好的重复性和稳定性，其测量准确度可达0.1μm。

不均匀磨损；激光位移传感器；测量仪；现场测试

0 引言

车轮作为铁路机车和车辆的重要行走部件，需要安全可靠地承担载荷并在钢轨上快速行驶。在铁路车轮踏面圆周方向上出现的不均匀磨损[1-3]，将引起车辆轨道系统一系列动力响应的变化，对行车稳定性、安全性、舒适性以及车辆轨道系统各个部件使用寿命产生很大影响[4-5]。

为了研究车轮踏面圆周不均匀磨损的形成与发展机理，首先要对出现不均匀磨损的车轮进行测量以获得磨损形状。王捷等[6]提出了一种机械式车轮不圆度测量设备，但由于传感器的接触会带来一定的磨损现象，长时间使用会影响测量结果的精度和重复性。李剑波[7]研究了一种利用平行四边形机构的在线式车轮不圆度检测装置。洪燎等[8]开发了一款便携式轨道车轮不圆度及直径测量装置，给出了测量原理、算法及误差。Johansson[9]分析了车轮不圆度接触测量方法，研究了车轮不圆度对车辆动力学行为的影响。Ben H J[10]通过图像监测法研究了车轮实时跟踪监测装置，可实现车轮不圆度的在线监测。

现场要求对车轮进行不拆卸的直接测量[11]，因此测量设备必须是便携式，能方便地移动、安装和拆卸，且测量精度高。本文基于激光位移传感测量设计了一种新型车轮不均匀磨损测量仪，实现了现场方便快捷地测试车轮圆周表面不均匀磨损。

1 测量仪设计

1.1 总体设计

为实现现场方便快捷地测量车轮踏面不均匀磨损情况，所设计的测量仪必须能快速安装定位。车轮不均匀磨损测量仪主要由激光位移传感器、控制器、转轮与编码器、数据采集与控制系统等组成。总体结构如图1所示。

图1 测量仪结构示意图

工作原理如下：激光位移传感器感测头10发出的激光束（图1中红线）直接照射到被测车轮1的磨损表面，经车轮表面反射的激光通过激光位移传感器接收器镜头接收，可计算出传感器与被测物体之间的相对距离。测量过程中手动转动车轮1，由于摩擦作用转轮3与车轮实现同步转动，并使得与转轮3连接的编码器4旋转产生测量脉冲信号，脉冲信号输送到控制器11可控制激光位移传感器进行一次相对距离测量和记录，通过控制器11的串口通信把测量结果送入计算机12进行处理。

为方便快捷进行现场测量与拆卸，测量仪的固定采用可控磁力座7，8实现，把激光位移传感器和转轮均通过磁力座快速固定在钢轨上面。

1.2 测量转轮设计

激光传感器的测量受编码器产生的脉冲信号决定，编码器产生的脉冲是由转轮带动编码器转动而产生，而转轮是由车轮踏面摩擦产生的转动，这就实现了转轮与车轮转动的一致性。因此，传感器测量点均匀分布在车轮圆周方向上，和车轮转动是否匀速及速度大小没有关系。

为充分反映车轮踏面圆周方向的不均匀磨损情况，需要合理控制测量的步长。编码器是将信号或者数据进行编制，并转换成可用于传输和存储信号的一种设备。设计中选用600脉冲信号的增量式旋转编码器。选定转轮的半径为R=50mm，当转轮与车轮之间不存在相对滑动时，则测量步长为

为确保车轮与转轮之间不产生相对滑动，必须增加两者之间的摩擦力，故把转轮圆周设计成O型橡胶圈材料。同时在转轮固定杆上设计拉伸弹簧6以增加转轮与车轮踏面之间的接触压力，更好地实现同步转动。

1.3 激光位移传感器

激光位移传感器利用激光的高方向性、单色性以及高亮度等特点实现无接触测量。为提高测量准确度，所设计的测量仪使用LK-G35激光位移传感器、LK-G3001V控制器。LK-G35激光位移传感器的工作参照距离为30 mm，测量范围±5 mm，重复准确度0.05μm。LK-G3001V控制器可扩展连接两个激光位移传感器，故所设计的测量仪能同时实现一个轮对的不均匀磨损测量，大大提高了测量的速度。同时LK-G3001V控制器具有串口通信功能，这为实现测量数据与计算机的通信传输提供了技术支持。

从图2中可知，固定杆一端连接激光位移传感器感测头，一端连接磁力座，磁力座固定在铁轨上，从而对感测头进行定位。固定杆下端要做成螺纹，从而和磁力座上部的螺纹孔进行连接。上端安装激光位移传感器的设计满足了在车轮轴向上的移动要求，从而可测量车轮踏面任意横向位置处的不均匀磨损情况。

2 数据通信与采集实现

利用激光位移传感器控制器中的RS-232C串口通信功能连接计算机通信串口，实现了测量仪测量数据的传输与记录。为进一步实现测量数据的自动记录与分析处理，基于Java设计了车轮不均匀磨损测量仪的数据采集分析系统，如图3所示。

图2 激光位移传感器定位设计

图3 数据采集分析系统界面

数据采集分析系统由系统界面、数据采集、数据显示、数据分析等模块组成。测量显示包括动态测量值、最大值、最小值、峰谷值、直径、不圆度等。数据分析主要通过程序函数实现对采样数据的频谱分析，计算出不均匀磨损的阶次。同时软件可实现实时显示最大值、最小值、不圆度等，还可根据具体要求进行较为复杂的傅里叶变换等数据分析。

3 现场测量试验

用本文设计的新型车轮不均匀磨损测量仪对车轮踏面出现的不均匀磨损情况进行了现场测量，如图4所示。

现场测量结果与分析如图5所示。通过对车轮踏面圆周方向进行不均匀磨损测量发现，车轮踏面圆周方向出现了明显的波浪形磨损现象（见图5（a））。利用数据采集分析软件对测量数据进行频谱分析，可获得车轮圆周波浪形磨损的阶次。通过图5（b）分析可知，所测车轮踏面不均匀磨损阶次主要为8阶次，这说明车轮沿圆周呈8次不均匀规律分布（见图5（b））。

图4 现场测试照片

图5 现场测量结果与分析

图6 测量结果对比

对比图6结果发现，所研制的激光测量仪测量结果与高精度ODS轮轨表面粗糙度测量仪（丹麦生产，主要用于轮轨表面粗糙度测量，精度0.1 μm、量程1 mm，传感器为接触式位移传感器）结果具有很好的一致性。多次测量结果表明激光测量仪具有很好的测量准确度和结果重复性，其测量准确度可达0.1 μm。

4 结束语

设计的激光位移测量仪能现场方便快捷地测量车轮圆周表面不均匀磨损情况，实现了等步长数据测量与记录，测量速度快；通过扩展连接两个激光位移传感器可实现同时测量一个轮对的不均匀磨损，极大提高了测试效率。设计的激光测量仪测量量程达±5mm，测量准确度0.1μm，能自动采集并分析数据，完全满足车轮圆周表面不均匀磨损现场测试要求。

[1]Johansson A.Out-of-round railway wheels-a study of wheel polygo-nalization through simulation of three dimensional wheel-rail interaction and wear[J].Vehicle System Dynamics，2005，43（8）：539-559.

[2]Johansson A.Out-of-round railway wheels-assessment of wheel tread irregularities in train traffic[J].Journal of Sound and Vibration，2006，293（3）：795-806.

[3]Peter T，Martin S.Rail corrugation growth on small radius curves-measurements and validation of a numerical prediction model[J].Wear，2013（303）：381-396.

[4]Johansson A，Nielsen J.Rail corrugation growth-influence of powered wheelsets with wheel tread irregularities[J]. Wear，2007（262）：1296-1307.

[5]金学松，张继业，温泽峰，等.轮轨滚动接触疲劳现象分析[J].机械强度，2002，24（2）：250-257.

[6]王捷，钟晓波，沈钢.车轮不圆度测量方法研究[J].铁道车辆，2012，50（12）：12-13.

[7]李剑波.车轮不圆度检测及DSP的应用研究 [D].成都：西南交通大学，2006.

[8]洪燎，沈钢.便携式轨道车辆车轮不圆度及直径测量装置[J].城市轨道交通研究，2009（2）：53-55.

[9]Johansson A.Out-of round railway wheels-causes and consequences， an investigation including filed tests, out-of-roundness measurements and numerical simulations.Doctoral Dissertation[D].Goteborg Sweden：Chalmers University of Technology，2005.

[10]Ben H J.Wheelscan:real-time in-track inspection of wheels[J].Rail Engineering International Edition，1988（4）：10-11.

[11]谢利明，高晓蓉，罗林，等.车轮踏面不圆度在线监测技术的现状与分析[J].铁道技术监督，2012，40（6）：12-14.

Design and test of wheel uneven-wear measuring instruments based on laser displacement sensors

YANG Shu
（Chengdu College，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

To carry out field measurement on uneven wear in the circumferential direction of wheel tread，a novel wheel uneven-wear measuring instrument was designed based on laser displacement measurement.During the design，equal-step detection for uneven-wear was realized through synchronous rotation between a rotary wheel and an encoder，and serial communication was adopted for data communication and acquisition control between the measuring instrument and a computer.The field test indicates that this instrument can be applied to measure uneven wear on wheel circumference surface in convenient and rapid manners due to high repeatability and stability and 0.1μm-measurement accuracy.

uneven wear；laser displacement sensor；measuring instrument；field testing

A

：1674-5124（2015）05-0079-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.020

2014-10-22；

：2014-12-28

四川省应用基础研究项目（2011JY0129）

杨 姝（1982-），女，四川德阳市人，实验师，硕士，主要从事计算机测量与设计研究。