便携式轨道车辆车轮不圆度及直径测量装置

　　车轮圆周的外形对轨道交通车辆的正常、稳定运行起着至关重要的作用。在特定条件下,轨道交通车轮表面的不均匀磨耗若达到一定程度,那么车轮圆周的外形将超出列车安全运行的要求。这将对列车的运行安全性构成严重威胁,使车辆对线路和自身的动力作用大大增加。因此,需要对车轮的轮周外形加以监控,及时镟轮,将不圆度控制在一定的范围内。虽然车轮踏面外形测量系统已有多种[1-3],但目前国内尚无能精确记录轮周轮廓的便携式测量设备。一般都用不落轮镟床进行测量,但操作复杂、费时费力,且精度也不能保证。为此,研究开发了一种能够快速测录轮周轮廓的装置[4],并进行了试验分析。

　　1 便携式轨道车辆车轮不圆度及直径测量装置介绍

　　该装置主要由测量机构和便携式计算机组成。系统框图如图1如示。

　　1.1 测量机构组成及工作原理

　　测量机构的结构及测量原理如图2如示。测量时通过基准靠板将滚轮定位在一个适当的位置,扭簧通过测量转臂能将滚轮压紧在车轮上。当车轮转动时,紧靠在其上的滚轮也会随之滚动,带动编码器1旋转,这样可以通过编码器转角值和滚轮的直径计算出车轮直径;由于车轮不圆度的存在,其转动过程中会引起测量转臂的跳动。这种跳动表现为编码器2的转角值的变化,这样就可以通过编码器的转角值和测量转臂的长度计算出车轮的不圆度。

　　1.2 便携式计算机软件流程图

　　测量软件是用于数据分析与保存的。它通过USB接口采集测量机构所传送上来的脉冲计数,并剔除数据中的坏点,计算、分析、显示曲线和相关参数,其流程如图3所示。

　　2 检测原理、算法和精度分析

　　测量机构与车轮之间的相对几何关系如图4所示。对于车轮直径的测量,由于滚轮与车轮紧贴着滚动,故可以认为滚轮滚过的周长总和与车轮周长相等。即:

　　式中:

　　Δα—滚轮所转过的角度,可通过编码器采集;

　　r—滚轮半径,为已知的设计参数;

　　Dw—车轮直径。

　　可得车轮直径的计算公式为:

　　对于车轮不圆度的测量,在图4中有如下几何关系:L=L1sinθ3,可得误差表达式:

　　式中:

　　即dL=sinθ3dL1+L1cosθ3dθ3,可近似地得到ΔL=sinθ3ΔL1+L1cosθ3Δθ3。ΔL就是车轮的径向跳动。由这种跳动构成不圆度。但是在实际测量中,要得到θ3的初始值,必须先通过仪器本身的参数或者实际测量得到图4中的h、H值,才能通过几何关系计算得到θ3。这给实际的测量工作带来很大的不便,而且测量结果的精度也会因为这两个参数而引入大的误差。下面介绍一种适合于工程测量实际的不圆度计算方法。