淺談地鐵車(chē)輪如何用步進(jìn)電機檢測

軌道交通作為一種方便快捷的出行方式，在日益繁忙的城市交通網(wǎng)絡(luò )中正占據著(zhù)越來(lái)越重要的地位。目前，針對車(chē)輪的參數檢測主要包括：輪對尺寸、車(chē)輪踏面外形、踏面缺陷和內部探傷。國內在地鐵車(chē)輛維修中對大部分輪對參數的檢測還停留在手工階段，在實(shí)際測量中工作量大、效率低，同時(shí)不可避免存在人為因素干擾，直接影響了測量的準確性，這些都會(huì )對車(chē)輪鏇修和車(chē)輪參數的分析產(chǎn)生很大的影響。在這里介紹一種高精度地鐵車(chē)輪直徑檢測裝置，實(shí)現對車(chē)輪直徑直接測量，避免人為因素，兼容測量量程和測量精度，符合車(chē)輪參數的分析和車(chē)輪鏇修的需求。

 

1.輪徑檢測裝置的結構及原理

 

基架由鋁合金型材組成，可擰動(dòng)鋁合金型材之間的連接角碼，可方便拆裝相對移動(dòng)，方管相對基架保持固定。測量時(shí)將基架調整至合適的位置進(jìn)行標定。V型鐵在測量時(shí)可架設于車(chē)輪之上，被用于縱向定位。電磁鐵可吸附于車(chē)輪側面，被用于側向定位。基座包括光柵尺、墊板、直線(xiàn)導軌、直線(xiàn)軸承、套筒、固定座和測頭等。直線(xiàn)導軌與基座底板固定，套筒通過(guò)固定座固定于直線(xiàn)軸承上，直線(xiàn)軸承通過(guò)螺栓固定于套筒之中，測頭上套有彈簧，測頭可在直線(xiàn)導軌內滑動(dòng)，測頭尾部帶動(dòng)光柵尺副尺移動(dòng)。

 

對于車(chē)輪直徑采用直接測量的必須是車(chē)輪最長(cháng)的弦，否則將會(huì )影響測量的結果。所以在設計輪直徑測量裝置時(shí)可將兩端的測頭一端固定，另一端滑動(dòng)測頭可沿輪緣踏面擺動(dòng)，將測頭沿車(chē)輪踏面擺動(dòng)。方管包括滑座、滾珠絲桿、聯(lián)軸器和電機固定板。

 

對于輪直徑測量，要求直徑的測量范圍為500mm～900mm，測量準確度要求為0.005mm。若根據間接測量的方法，測量的準確度不滿(mǎn)足要求。為了保證準確度采用直接測量方法。根據測量要求，設計高精度輪徑測量裝置，該輪徑測量裝置包括滑動(dòng)測頭、光柵尺、基座、直線(xiàn)導軌、方管、V型鐵、基架和固定測頭等。

 

由于測量的量程比較大，采用直接測量必須對其分段測量，否則不滿(mǎn)足精度要求。利用大數小數分開(kāi)的測量原則，將直徑的測量分為500mm～600mm、600mm～700mm、700mm～800mm、800mm～900mm四段，選用量程為100mm、分辨率為0.0005mm的光柵尺。設定測量的基準，將四段測量的初值分別設定在500mm、600mm、700mm、800mm并分別用量棒對其校準。

 

在滑動(dòng)測頭動(dòng)態(tài)擺動(dòng)掃描的過(guò)程中，測量光柵尺實(shí)時(shí)輸出測頭掃過(guò)輪緣各點(diǎn)的弦長(cháng)，其中最大值即為車(chē)輪輪徑。在測頭沿曲線(xiàn)擺動(dòng)掃描的過(guò)程中，測量光柵尺會(huì )測出測頭掃過(guò)的每點(diǎn)長(cháng)度，將測量光柵尺采集的所有弦長(cháng)值發(fā)送給PC機，PC機保存并顯示所有測量數據，并對比前后數據，找到其拐點(diǎn)即為車(chē)輪輪徑。為保證測量的可靠性，利用三點(diǎn)接觸，固定測頭和滑動(dòng)測頭與車(chē)輪點(diǎn)接觸，輔助測頭緊靠車(chē)輪踏面。

 

步進(jìn)電機通過(guò)聯(lián)軸器與滾珠絲桿連接，滾珠絲桿的螺母與滑座連接，滑座可在鋁合金方管內滑動(dòng)，滑座與基座底板固定，測量時(shí)可帶動(dòng)基座上下移動(dòng)。在標定時(shí)，步進(jìn)電機驅動(dòng)滾珠絲桿，將基座升起，將滑動(dòng)測頭移至與固定在同一中心線(xiàn)，量棒兩端與測頭中心相接觸，可方便量棒標定。測量時(shí)，基座同測頭、光柵尺、直線(xiàn)導軌由步進(jìn)電機驅動(dòng)沿方管上下移動(dòng)，在上下移動(dòng)過(guò)程中，滑動(dòng)測頭在彈簧作用下，測頭始終與車(chē)輪踏面緊密接觸。由于車(chē)輪踏面的外輪廓會(huì )對滑動(dòng)測頭產(chǎn)生壓力，隨著(zhù)滑動(dòng)測頭的上下掃描，由于車(chē)輪踏面輪廓的變化，滑動(dòng)測頭也會(huì )在直線(xiàn)軸承內帶動(dòng)光柵尺移動(dòng)。

 

避免人為因素的影響，測量過(guò)程中，調節“V”型鐵高度架設于車(chē)輪之上，電磁鐵吸附在車(chē)輪內側面，步進(jìn)電機驅動(dòng)測頭上下擺動(dòng)完成測量。

 

在標定時(shí)，測頭相對于直線(xiàn)導軌固定，固定座可沿直線(xiàn)導軌滑動(dòng)，將標準量棒放置于固定測頭和滑動(dòng)測頭之間，固定座會(huì )沿直線(xiàn)導軌一定位置定標。在測量時(shí)，測量是在定標完成之后，固定座相對于直線(xiàn)導軌固定，滑動(dòng)測頭在受到車(chē)輪踏面擠壓時(shí)，測頭上彈簧會(huì )變形，滑動(dòng)測頭在直線(xiàn)導軌中滑動(dòng)到一定位置，測頭會(huì )同時(shí)帶動(dòng)光柵尺副尺同時(shí)移動(dòng)。這就是大數小數測量原則，此時(shí)光柵尺的示數即為測量的小數部分，量棒的規格即為測量的大數部分。輔助測頭、測頭與車(chē)輪可以三點(diǎn)接觸，保證測量的可靠性。

 

2.輪徑檢測裝置標定測量過(guò)程

 

調節“V”型鐵高度架設于車(chē)輪之上，電磁鐵吸附在車(chē)輪內側面，固定測頭緊靠一側的車(chē)輪踏面，滑動(dòng)測頭和輔助測頭緊靠另一側車(chē)輪踏面，滑動(dòng)測頭壓縮彈簧帶動(dòng)光柵尺副尺向后移動(dòng)。

 

根據車(chē)輪大小，將基架移動(dòng)到合適位置并固定，選用500mm、600mm、700mm、800mm中合適的標準量棒，步進(jìn)電機基座使滑動(dòng)測頭與固定測頭在同一直線(xiàn)，移動(dòng)直線(xiàn)導軌，標準量棒固定于固定測頭和滑動(dòng)測頭之間，標定長(cháng)度即為標準量棒的長(cháng)度。

 

方管中步進(jìn)電機勻速驅動(dòng)基座沿車(chē)輪踏面上下移動(dòng)，滑動(dòng)測頭在車(chē)輪踏面上擺動(dòng)掃描，在彈簧力和車(chē)輪踏面的壓力作用下，滑動(dòng)測頭會(huì )前后移動(dòng)，測量光柵尺輸出一系列數據到PC機，其中最大值拐點(diǎn)即為車(chē)輪直徑。

 

3.實(shí)驗

 

已知直徑為753.905mm標準車(chē)輪輪對為被檢測車(chē)輪，利用700mm的標準量棒對檢測裝置標定，標定后將輪徑檢測裝置架設于被檢測車(chē)輪上，步進(jìn)電機驅動(dòng)基座沿滑動(dòng)測頭和固定測頭的中心線(xiàn)上下移動(dòng)20mm，當測頭掃描車(chē)輪踏面采樣出各點(diǎn)的弦長(cháng)，其中最大的弦長(cháng)53.904mm即為直徑，被檢車(chē)輪直徑為753.904mm。該輪徑測量裝置兼容測量量程和測量精度，符合車(chē)輪參數的分析和車(chē)輪鏇修的需求。在地鐵輪對直徑測試中，從機械系統到實(shí)驗現場(chǎng)測試各個(gè)環(huán)節都影響測量的結果，其中誤差主要包括以下幾個(gè)方面的來(lái)源。

 

制造誤差：機械零部件加工會(huì )對測量裝置精度有很大影響，機械零部件加工精度會(huì )帶來(lái)系統誤差

 

機械裝配誤差：在輪徑測量裝置機械結構中，機械零部件裝配精度也會(huì )帶來(lái)系統誤差。機械結構裝配精度如測頭與軸套的裝配精度、輪徑測量裝置鋁合金型材的支撐支架安裝精度都會(huì )引入誤差

 

實(shí)驗測試過(guò)程中也會(huì )引入誤差，比如在標定過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生誤差，采樣頻率也會(huì )引入系統系統誤差，在保證采樣性能的情況下，可適當提高采樣頻率。