一种便携式轮对不圆度的设计与研究

逯红霞 张亚彤 刘莉

摘 要：随着铁路列车运行速度的提高，铁路车辆和轨道之间相互作用力逐渐增强，使得车轮踏面失圆的问题不容小觑。对此研发了一款轨道车辆轮对不圆度检测仪。使用钕铁硼磁力开关，将设备吸附在钢轨上，待测轮对旋转带动金属滚轮使旋转编码器工作，自复位高精度电子尺持续采集轮对踏面径跳信息，霍尔感应开关判断轮对旋转一周后自动锁死，嵌入式微处理器经过计算后将轮对径跳、平均直径等信息显示在MCGS组态显示屏上，为车轮镟修提供参考。

关鍵词：便携式 轮对不圆度 踏面径跳信息

1 引言

轨道车辆在运行一定里程后，车轮踏面会产生不均匀的多边形磨耗，当磨耗到达一定值后将导致车辆产生附加振动、冲击、噪声等，影响车辆的平稳性，对列车运行安全造成严重威胁。车轮失圆所引起的噪声还会影响乘坐的舒适度。高速列车对运行的平稳性和安全性有更高的要求，如果车轮失圆的情况不能及时发现，将会继续发展成为行车安全的极大隐患，因此需要定期测量轮对不圆度以便修复或者更换轮对。传统的方法是人工测量，这种测量方法不仅误差大，精度不高，而且耗时耗力。

本项目旨在设计、制作一种便携式轮对不圆度检测仪，可以在车辆轮对不拆卸的基础上，使用接触式测量方式与嵌入式系统结合替代人工检测，可以连续测量轮对在圆周方向上的半径变化，并使用触摸屏对测量数据与曲线进行显示，可以在现有静态测量方式的基础上大大提高人工检测的效率，减少劳动强度。

2 产品设计思路

车轮圆度的监测方法主要分为静态监测和动态监测。静态监测需要在列车停止或车轮拆卸的情况下进行，不仅占用列车的周转时间，且速度慢，劳动强度大，目前国内对车轮圆度的监测方法主要是静态监测。动态监测分为车载式和地面式。车载式监测系统通过监测车轴振动的加速度来间接获得踏面外形参数，需要在每根车轴上安装传感器，既不经济又不方便，一般不被采用；地面式监测系统将车轮外形测量系统安装在在线路上，适用于监测运行中的机车车辆，在国外被广泛应用，该种监测方式需要固定监测设备，当设备发生故障时没有替代产品，且成本较高。

通常来说，列车日常检修时轮对是不落轮的，由于在车下测量的操作空间有限，用现有的专用机械测量器具很难实现在轮对圆周方向上的连续测量和连续记录，因此，无法方便快捷地获得半径在圆周方向上的连续变化值，从而很难对列车轮对圆度误差进行评定。所以我打算设计制作一种便携式轮对不圆度检测仪，该设备包括：铝合金外壳，可延XY轴运动的滑台，旋转编码器，金属滚轮，接近开关，自动复位电子尺，电阻式触摸显示屏，钕铁硼磁力座。外壳内部安装电池，单片机模块，电源模块。该产品利用CATIA制作计算机虚拟模型，根据模型的机械尺寸购买高精度导轨、传感器等硬件设备，并根据计算机虚拟模型制作真实测量设备，最后在真实测量设备的基础上完成软件测试功能。该产品采用高精度自复位接触式测量技术，以此来采集车轮径向跳动值；采用嵌入式微处理智能分析控制系统，计算车轮平均半径；采用基于组态环境的云端存储系统储存数据。该产品具有检测效率高、检测范围广，可识别不同轮对型号，检测数据可视化、便携性强等优点，可用于铁路客货车轮对定期检修，能大大提工作效率。

图中标记分别表示：1-钕铁硼磁力座，2-铝合金外壳，3-可延XY轴运动的滑台，4-电阻式触摸显示屏，5-电池，6-单片机模块，7-电源模块，8-接近开关，9-旋转编码器，10-自动复位电子尺，11-金属滚轮。

3 产品设计原理

便携式轮对不圆度检测仪硬件至少包括有钕铁硼磁力座、铝合金外壳、可延XY轴运动的滑台、电阻式触摸显示屏、电池、单片机模块、电源模块、接近开关、旋转编码器、自动复位电子尺和金属滚轮。

显示器采用电阻触摸式TFT LCD显示屏，单片机采用意法半导体有限公司生产的STM32F103C8单片机，自动复位电子尺采用西域电子公司生产的PM11-R1-15L自动复位电子尺，旋转编码器采用欧姆龙E6B2-CWZ3E旋转编码器，接近开关采用德力西CDJ10-I1A12BF接近开关。

3.1 旋转编码器

欧姆龙E6B2-CW1X型旋转编码器利用电磁感应原理将两个平面型绕组之间的相对位移转换成电信号的测量元件，用于长度测量工具。

3.2 自复位电位计（电子尺）

传感器为位置测量型，用于调节系统（控制系统）和测量系统中，对位移和长度进行直接测量，输出直流电压信号，也可以通过内置或者外置的V/A变送模块讲信号转换成标准的0-5V、0-10V或者4-20mA直流信号，也可以远距离传输控制要求。KPMR12自复位式电阻尺（别名：电子尺，电位器，位移传感器）输出位移变化：0-100%给定输入工作电压（随位移变化而变化）。

3.3 霍尔感应开关

霍尔感应开关是一种无需与运动部件进行机械直接接触而可以操作的位置开关，当物体霍尔感应开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动直流电器或给计算机（plc）装置提供控制指令。

3.4 钕铁硼磁力座开关

钕铁硼磁力座外壳为两块导磁体，中间用不导磁的铜板隔开。内部有一个可以旋转的磁体，此磁体沿直径方向为N、S极。当磁体旋转到中间位置，磁力线分别在两块导磁体中形成闭路时表座可以轻易取走；旋转90度后，NS极分别对着两块导磁体，此时从N极到导磁体到导轨到另一块导磁体到S极，形成磁力线闭合，可以牢牢的附着在钢轨上。

4 工作流程

便携式高精度轨道车辆轮对不圆度检测仪的控制程序由STM32单片机数据采集模块与MCGS触摸屏显示模块两部分构成，单片机负责采集轮对踏面的径跳信息和旋转直径，MCGS触摸屏负责将轮对不圆度曲线显示在虚拟界面上。具体工作原理图如图６所示。

5 结论

本文设计制作一款便携式轮对不圆度检测仪，具有以下4个特点：①采用嵌入式微处理器与MCGS组态显示屏相结合的方式，将体积缩小至不落轮镟床的1/30，可在不分解轮对的情况下随车即检，以解决不落轮镟床只能固定点检测的弊端。②采用轮系转动带动编码器记录轮对旋转距离，轮对旋转一周霍尔开关自动锁死，并将检测数据同步显示在组态屏，提高了检测效率。③采用高精度稳压源结合位移传感器接触测量的方式，持续采集轮对踏面经跳信息，实现了踏面径跳值丝米级别的检测精度。④本产品通过检修人员实名登录后才能进入操作界面，检测完毕后将检测的数据记录并保存，并将检测数据、作业人员信息存储并上传至PC端，解决了数据分析繁的问题。

本实用新型主要用于铁路客货车轮对（1250mm、1050mm、960mm、920mm、915mm、860mm、840mm）的不圆度检修作业，对铁路客货车每种轮对型号的不圆度进行状态数据采集，对轮对踏面进行实时监测，通过触摸显示屏直观、准确地判断轮对的直径以及剥离擦伤深度，进而判断轮对旋修的深度，为快速查找轮对剥离擦伤位置提供了重要依据。

西安铁路职业技术学院2023年度立项课题“便携式轮对不圆度检测仪的设计与制作”（项目编号：XTZY23K07）。

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