動車組車輪踏面的檢定方法及裝置研究

【摘要】動車組車輪踏面是列車行駛的核心部件，如何精準(zhǔn)及時對動車組車輪踏面進(jìn)行檢定，不僅關(guān)乎乘客乘車的舒適度，也可以保障列車的運(yùn)行安全。本文介紹了一種動車組車輪踏面檢定裝置，并且將其應(yīng)用于實踐中，同時也探討了對該檢定裝置進(jìn)行計量溯源的方法。

【關(guān)鍵詞】車輪踏面；檢定裝置；計量溯源

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.04.019

Research on Verification Method and Device for Wheel Tread of Multiple Unit

MA Chaonan

（Liuzhou Metrological Technology Testing Institute， Liuzhou 545000， China）

Abstract： The wheel tread of Multiple unit is the core component of train operation. How to accurately and timely verify the wheel tread of Multiple unit is not only related to the comfort of passengers， but also can ensure the safety of train operation. This paper introduces a kind of verification device for wheel tread of Multiple unit， and applies it in practice. At the same time， it also discusses the method of metrological traceability of the verification device.

Key words： wheel tread； verification device； metrological traceability

0引言

隨著我國軌道交通的發(fā)展，鐵路設(shè)計速度和荷載重量持續(xù)上升，在保證線路提速和高速化過程中，又對高速軌道車輛的輪軌系統(tǒng)的安全性、可靠性、耐久性提出了更高的要求。動車組車輪踏面是列車行駛的核心部件，其既承載了列車與軌道的載荷，又要保障列車的精準(zhǔn)運(yùn)行與導(dǎo)向安全。如果不能全面、精確地檢測車輪的踏面，不能及時發(fā)現(xiàn)車輪踏面的超限、磨損并進(jìn)行處理，可能會導(dǎo)致車輛顛覆、出軌等嚴(yán)重事故的發(fā)生。

因此車輪踏面是動車組車輛檢測中的重點(diǎn)。精準(zhǔn)及時地對動車組車輪踏面進(jìn)行檢定，不僅關(guān)乎乘客乘車的舒適度，也關(guān)乎列車的運(yùn)行安全。傳統(tǒng)的檢測工具已不能適應(yīng)目前的檢測需要。本文針對動車組車輪踏面的檢定設(shè)計了一套適合的檢定裝置，并討論了該裝置的量值校準(zhǔn)溯源方法。

1動車組車輪踏面檢定裝置的設(shè)計

在動車操作檢修中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)車輪出現(xiàn)踏面擦傷、硌傷、滾動接觸疲勞、剝離等問題。車輪踏面擦傷是在動車剎車和加速時由車輪的滑動而引起的，這樣的擦傷往往會發(fā)生在輪對的兩個車輪同一圓周位置上。車輪硌傷是車輪運(yùn)動中接觸小物體（如沙石）產(chǎn)生的細(xì)小凹痕。滾動接觸疲勞是由輪軌間的滑移切向力在車輪上產(chǎn)生的微小裂紋。剝離是產(chǎn)生上述損傷后引起的車輪局部材料丟失。輪對作為動車組重要的運(yùn)行部件，其踏面產(chǎn)生的缺陷要控制在一定范圍內(nèi)，否則將對車輛運(yùn)行安全造成直接影響。因此，快速有效地檢定動車組車輪踏面顯得尤為關(guān)鍵。

對動車組車輪踏面進(jìn)行檢定的工具非常有限。目前對標(biāo)準(zhǔn)模板的測量時使用等高塊將標(biāo)準(zhǔn)模板放在平板上，用磁性表座將標(biāo)準(zhǔn)模板固定，再將測量儀放在等高塊上進(jìn)行誤差檢測。這種方法使用起來非常不方便，在檢測過程中必須在鑄鐵的平板上才可以進(jìn)行，無法保證測量儀基準(zhǔn)面與等高塊及模板保持在同一平面上，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。所以發(fā)現(xiàn)車輪踏面損傷時，檢測人員多以目測、手摸等方法判斷車輪踏面的損傷程度。對于深度極小的損傷，這種檢測方法在提高檢查效率的同時也能滿足檢測的要求。但對于深度接近極限要求的損傷，使用這種方法檢測就容易出現(xiàn)問題，從而給行車安全帶來一定隱患。

因此，我們研制了一套動車組車輪踏面檢具模擬檢定裝置，并已成功申請國家實用新型專利。該檢定裝置包括支座、模板緊鎖螺釘、夾緊板。所述支座帶有安裝槽，將安裝槽的一個側(cè)面設(shè)定為定位面，在所述安裝槽內(nèi)用夾緊板間隔固定至少兩個模板，所述模板鎖緊螺釘從支座一側(cè)伸入頂住夾緊板，將模板固定于安裝槽；在支座與模板底部對應(yīng)處，設(shè)置有模板高度調(diào)節(jié)螺釘，模板底部與模板高度調(diào)節(jié)螺釘相接，通過模板高度調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)模板的位置，最終達(dá)到能在所述模板的側(cè)面設(shè)置有輪輞厚度測量邊。該檢具模擬檢定裝置可以同時放入多個模板，通過模板的高度調(diào)節(jié)螺釘將高度調(diào)節(jié)為同一高度，在同一裝置上通過移動動車組踏面參數(shù)智能檢測儀實現(xiàn)示值誤差全范圍的檢定。

本檢定裝置可以采用激光測量技術(shù)或直接接觸測量進(jìn)行檢測，因此具有以下兩種類型的檢定方法：

1）可以采用激光測量技術(shù)，通過測量模組的激光掃描對動車組車輪踏面輪廓進(jìn)行測量，記錄輪廓曲線。

2）可以使用檢定模板，通過與車組車輪踏面及滾輪的測量，記錄輪廓曲線。

在設(shè)計本檢定裝置時，主要的檢定模組分為兩個部分：

1）帶安裝槽的裝置支座，用于穩(wěn)定和裝載檢測模板或檢測儀。

2）用于檢定的輪廓曲線模板組及激光測量裝置。通過調(diào)節(jié)放入的多個輪廓曲線模板，對動車組車輪踏面進(jìn)行多量值的快速檢定。所以，輪廓曲線坐標(biāo)系是以一個輪輞面為垂直基線的零位，以距離輪輞面的位置為橫向零位構(gòu)成的。

因此以動車組踏面輪廓曲線坐標(biāo)系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的車輪踏面輪廓探測器校準(zhǔn)裝置為兩個部分：

1）踏面輪廓參數(shù)智能檢測儀模塊。2）踏面輪廓曲線檢定模板。兩個部分分別是踏面輪廓檢測儀模塊。

校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)滿足不同類型車輪踏面輪廓檢測儀的校準(zhǔn)。根據(jù)檢測儀的特點(diǎn)，校準(zhǔn)裝置保持在與踏面輪廓曲線坐標(biāo)一致的三個方向進(jìn)行（水平X方向、水平Y(jié)方向、垂直Z方向）校準(zhǔn)。

檢定裝置以檢測模板為基準(zhǔn)面，水平X方向作為輪廓參數(shù)智能檢測儀的支撐位置。為保證各種檢測儀器都能架靠在檢定裝置上，設(shè)計為X方向可任意調(diào)節(jié)距離，在移動過程中兩個滑動塊保持等高，間距范圍在50～155 mm，并在滑動導(dǎo)軌上設(shè)計鎖止結(jié)構(gòu)，保證滑動等高塊在導(dǎo)軌上滑動和停止時的平穩(wěn)，保證滑動等高塊在導(dǎo)軌水平Y(jié)方向主要以等高塊的側(cè)面工作面為基準(zhǔn)，坐標(biāo)Y方向的零位基準(zhǔn)面，即Y方向的垂直面與等高塊的側(cè)立工作面共面。當(dāng)X方向的等高塊進(jìn)行調(diào)整后，將Y方向的垂直立板移至等高塊的側(cè)立面共面位置，并將其鎖死?？梢苿咏Y(jié)構(gòu)設(shè)置在豎直Z方向，由于車輪踏面輪廓儀的掃描探測高度范圍不同，因此需要調(diào)節(jié)檢測儀掃描點(diǎn)到踏面輪廓標(biāo)準(zhǔn)塊的距離，以滿足不同類別檢測的最佳掃描探測距離，需要通過Z方向提升結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。Z方向提升范圍為50～125 mm，可保證其測量的準(zhǔn)確度。

此外，踏面輪廓標(biāo)準(zhǔn)模板是車輪踏面輪廓曲線測量值檢定的重要內(nèi)容。車輪踏面輪廓曲線的測量值檢定因其曲線的多樣性而導(dǎo)致輪廓線參數(shù)智能檢測儀的三個參數(shù)均為輪廓曲線的計算值，所以，在計算出特征位置點(diǎn)的值之前，必須獲得一套完整的輪廓曲線。更簡易的方法是把圖像曲線的模板標(biāo)塊修正為多量值的模板標(biāo)準(zhǔn)塊。輪廓曲線的特點(diǎn)部位，其厚度約為35 mm，高約為26 mm。為了實現(xiàn)多量值修正特征，改變踏面輪廓線，使踏面輪廓曲線特征點(diǎn)位置的輪緣高度范圍覆蓋25 mm，輪緣厚度測量范圍覆蓋22 mm，QR值測量范圍覆蓋10 mm，達(dá)到車輪踏面輪廓智能檢測儀測量精度要求。因為它是實體踏面的輪廓線，所以其特征點(diǎn)位置是按照實際的溯源數(shù)值來應(yīng)用的，但要確保其特征點(diǎn)的溯源不確定。

此檢定裝置的成功研制既提高了動車組車輪踏面的日常檢定工作的效率，同時也提升了檢定裝置自身的準(zhǔn)確度等級，確保了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，為動車組行駛安全提供了堅實的保障。

2動車組車輪踏面的檢定裝置的溯源方法

動車組車輪踏面模擬檢定裝置主要采用激光測試技術(shù)對動車組車輪踏面進(jìn)行掃描，對動車組車輪的輪緣厚度、輪緣高度及輪緣斜度等參數(shù)進(jìn)行檢定。鑒于國家尚未有相關(guān)的檢定方法，各地方也未見有相關(guān)檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范出臺，而作為檢定裝置的主要標(biāo)準(zhǔn)器必須經(jīng)過計量溯源才能使用，因此本文對該檢定裝置的溯源方式進(jìn)行研究。

我們首先研究了國外相關(guān)國家類似測量裝置的溯源方式，結(jié)合我國計量溯源體系總結(jié)了以下方法及經(jīng)驗。

車輪踏面參數(shù)智能檢測儀是用來測量鐵路機(jī)車踏面各種尺寸參數(shù)的便攜式檢測儀器。該智能檢測儀運(yùn)用算法能夠在汽車不分解轉(zhuǎn)向架和車身條件下，利用激光傳感器對車輪踏面的各個點(diǎn)參數(shù)（X、Y坐標(biāo)）進(jìn)行外形掃描，并利用軟件對踏面的各個尺寸參數(shù)（輪緣高度，輪緣厚度，QR值等）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而對踏面的輪廓曲線進(jìn)行自動計算。為方便檢索后期的標(biāo)定追溯，本文探討了該檢定追溯的方法，并根據(jù)檢索的數(shù)值追溯，制定了相應(yīng)的校準(zhǔn)設(shè)備。

當(dāng)前，車輪踏面智能參數(shù)檢測儀在進(jìn)行檢定時，通常采用車輪檢測儀對動車組車輪的踏面磨耗、輪緣厚度、輪（箍）厚度等被測參數(shù)進(jìn)行采集，然后與車輪踏面智能參數(shù)檢測儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。這種通過人工讀數(shù)和人為判斷檢定的方法具有以下缺點(diǎn)：

1）資料錯誤較大，技術(shù)方法落后，檢定效率非常低下；

2）校準(zhǔn)、記錄、存儲、傳輸?shù)燃夹g(shù)要求不能滿足檢定校準(zhǔn)工作所需的條件；

3）車輪在踏面智能參數(shù)的檢測中，會由于人工因素導(dǎo)致不確定性，在檢定準(zhǔn)確性上存在著一定的局限性。

針對以上問題和技術(shù)難點(diǎn)，我們設(shè)計并研制了一種校準(zhǔn)檢測器，即車輪踏面多參數(shù)智能探測儀及配套設(shè)備。針對車輪踏面參數(shù)智能檢測儀校準(zhǔn)技術(shù)現(xiàn)狀和測量特征的研究，并根據(jù)不同踏面參數(shù)測量技術(shù)的實際應(yīng)用，提出了基于激光技術(shù)測量技術(shù)同步比對校準(zhǔn)方法和車輪踏面智能參數(shù)檢測儀校準(zhǔn)技術(shù)解決方案。

我們根據(jù)檢定設(shè)備特性制定了相關(guān)校準(zhǔn)方法：

1）利用車輪踏面多參數(shù)智能探測儀測量車輪在工作狀態(tài)時的示值誤差。標(biāo)定設(shè)備通過激光掃描采集圖樣片，通過測量軟件對其進(jìn)行計算，然后利用測量值與圖樣片的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)值進(jìn)行數(shù)組同步，將踏面磨耗、輪緣厚度、輪（箍）寬度、QR值參數(shù)等數(shù)值采集到圖樣片上，并對各參數(shù)的示值誤差進(jìn)行分析。

2）與之相似的重復(fù)性標(biāo)定方法（即利用激光掃描校驗樣品參數(shù)的數(shù)值取決于標(biāo)定設(shè)備所采集）在測量區(qū)間取3個點(diǎn)，進(jìn)行10次重復(fù)性測量操作，其最大誤差和最小誤差之差為重復(fù)性誤差。

依據(jù)JJF 1094—2002《測量儀器特性評定》的規(guī)定，測量不確定度小于最大允許誤差的1/3，根據(jù)計量特性合格判斷原則，該校準(zhǔn)裝置的檢定結(jié)果滿足量值溯源要求，可實現(xiàn)對車輪踏面輪廓檢測儀的校準(zhǔn)測量，從而能夠動車組車輪踏面的檢定裝置的溯源要求。

3總結(jié)

本文介紹了作者主持設(shè)計的動車組車輪踏面的檢定裝置平臺，進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)的測試，詳細(xì)介紹了設(shè)計的過程以及探討了檢定裝置溯源的方式方法。

根據(jù)動車組車輪在日常檢修工作中的經(jīng)驗，從車輪踏面檢修的質(zhì)量和效率入手，著重探討了如何準(zhǔn)確、有效地進(jìn)行檢定，通過對現(xiàn)行的計量方法的利弊分析，結(jié)合本次設(shè)計的檢定裝置，對現(xiàn)行的計量檢定方法進(jìn)行了改進(jìn)和升級，從而滿足檢修精度準(zhǔn)、定位缺陷快的要求。相對于原有測量方法，它可以實現(xiàn)精確定位、精確測量、一次測定的目的，操作簡便，易于實現(xiàn)，使檢定速度提升，運(yùn)行檢修效率提高，對車輛行駛安全起到了不可忽視的作用。經(jīng)過實踐工作中的數(shù)據(jù)與分析，該檢定裝置符合日常檢定的工作需求，可廣泛用于動車組車輪踏面的檢定工作。

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【作者簡介】

馬潮南，男，1985年出生，工程師，研究方向為力學(xué)、化學(xué)、電磁學(xué)檢測及計量質(zhì)量體系管理。

（編輯：李加鵬）