仇子敬
中国铁路北京局集团有限公司石家庄电力机务段 河北 石家庄 050000
在铁路机务系统中，机车轮对既是机车自身重力荷载的承受设备，也是列车前进动力和制动效能所需轮轨摩擦力的承受设备。同时轮对也承受着巨大的组装过程中材料应力、制动过程中闸瓦与轮对摩擦造成的热应力以及通过曲线线路时的因离心运动造成的导向力、运行过程中轮对旋转造成的自身离心力等。
随着列车运行图的加密、运行速度的提升和牵引定数的增加，机车走行部尤其是轮对故障也在逐步增多，快速便捷地针对车轮踏面缺陷进行检测对铁路运输安全以及铁路牵引定数持续增长、列车运行速度逐步提高的实现具有尤为重要的意义。
一、技术及设备现状
截止目前，国内的车轮检测手段主要有静态检测和低速运行下的动态检测，而且动态检测技术已经在英国、德国、荷兰、中国等国家得到了广泛应用。
1、稳（静）态检测技术
稳（静）态检测技术从人工量具测量发端，早期发展为以红外测距为基础的电子检测，后期逐步发展为基于图形自动识别的检测手段。发展初期对轮径、轮缘、踏面的检测主要以轮径尺、轮缘尺等量具进行人工测量，耗时长、人工成本高且数据准确性因人而异。不过，其也具有量具携带方便、设备采购费用低廉等优势，在铁路机车轮对的检测修理中仍大量开展。
2、动态自动检测技术主要有：
（1）接触测量法
该方法除了仅能适应车速较低外，其测量方法决定其不足之处在于预先设定机车车轮的轮缘是正常状态的，会出现机车车轮轮缘有油污或磨损时，系统对踏面擦伤及不圆度的检测有较大的误差。
（2）电信号检测法
当机车轮对在快速旋转的情况下，轮对踏面如果有擦、咯等几何尺寸的缺陷，会造成轮对踏面同钢轨出现短时脱离的危害，车轮腾空-回落的迅速与否，与轮对踏面变形的程度直接相关。通过电流等电学信号的采集来计算车辆轮对与钢轨踏面的脱离时长，通过自由落体加速度的简算大致归算处轮对踏面擦、咋伤痕的严重程度。
（3)声音检测法
列车在运行时，铁轨间会出现有规则、均匀的声响;当轮对踏面出现擦、咯伤等几何尺寸缺陷时，会造成两个不规则接触面的声学信号异常。可根据声学信号的分析来推断轮对几何尺寸缺陷的产生部位和面积、深度。列车经过时，对上述两个声学信号进行比对分析，可从声音波形图中识别出不同波长反映出的轮对状况
（4）加速度检测法
加速度检测技术是依据振动学基本原理，利用轮重传感器以及加速度传感器等检测车轮踏面与钢轨面产生的不规则振动，并对震动信息进行解析，使其反馈出轮轨踏面关系，对于出现的限界值数据进行预警。
（5）影像检测法
近几年，影像检测技术发展迅猛，被广泛运用。于钢轨两侧安装高速影像记录设备来采集机车运行状态下的轮对踏面影像资料，后经由服务器对影响资料进行锐化、曝光调整等还原，再与标准轮缘的影像自动测量与比对，该检测法系统设备的构成有影像记录装置、闪光灯、机械装置、服务器等，可以实现对获取影像的分析并及时对超限损伤提供预警。
影像检测法的优点为数据采集精准，踏面缺陷反映直观。
3、动态检测技术及设备状况小结
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对比当前国内外各类擦伤检测技术，只有图像检测方式能够直观实现非滚动圆缺陷的检测。
二、车轮动态图像监测系统结构及组成
为满足在生产中对数据检测要求的提高，经前期对设备状态进行调研后，在原有设备条件下进行系统升级，机车车轮踏面缺陷动态图像监测系统由三部分组成，包括：现场控制中心、现场基本检测单元、远程主机和数据中心。
1、系统硬件结构图
现场检测单元主要包括是现场数据采集单元、触发单元、现场控制箱等，分别包括16个面阵相机、16个补光灯、16个车轮传感器及1台现场控制箱构成。
现场控制中心主要功能是现场设备控制（系统上电，开关罩之类），图像采集储存，数据共享，由系统控制箱、踏面检测主机等构成。
2、系统软件结构及布置
系统软件包含踏面缺陷检测软件、现场控制程序、数据报表程序、相机及网口驱动等。
3、轨边设备单元
线路轨旁设置有 16 个影像摄录综合模块实现对车轮接触面进行连续影像摄录， 4 张图片即可覆盖一个轮对的360°全部踏面。16 个采集单元分成 4 组。当一个车轮经过检测区时，系统共采集图片，筛选无遮挡的踏面图片，实现踏面圆周全覆盖展示。
4、设备间单元
设备间单元包括系统总机控制柜、检测主机、UPS、数据传输部件等。
（1）系统总机控制柜
该箱体是整个检车系统的供电、自动控制，主要实现以下功能：
★接收并处理监测主机下发大系统入库和出库命令；
★机车入库或出库时，开启和关闭现场数据采集箱的保护罩；
★根据车轮传感器的触发阈值，控制相应的现场影像摄录设备开始采集工作；
★前面板实时显示开关罩状态、传感器状态和数据采集盒工作状态等；
★与踏面监测服务器实时交互数据，进行上下位机数据信息的实时处理；
（2）踏面监测主机
踏面监测主机的功能主要有：
★接收远程主控的开始和结束命令；
★向系统控制箱下发系统开始和结束命令；
★接收并存储摄录的轮对踏面影像资料 ；
★在系统结束时对踏面图片进行增亮和剪裁处理；
★系统的所有图片均存储在监测主机中，客户端通过WEB 服务访问主机。
三、升级改造后系统优势
1、机械技术方面：安全、便捷、维护方便。
2、实现功能
（1）实现基于铁路内网的线上动态检测，不停车、不解体、迅速快捷、自动化程度高。
（2）系统采用“光截图像测量技术”对轮对轮缘尺寸进行检测，经影像摄录、分析获得轮对几何尺寸，精度较高。
（3）踏面缺陷自动识别技术
开发了踏面缺陷识别算法，具备对踏面缺陷的预警功能，更容易发现渐变的缺陷， 提早消除安全隐患，实现踏面擦硌伤、剥离凹坑等缺陷的自动报警，全天候工作。
（4）针对车轮踏面高反光、弧面等特点，开发了便于车轮踏面成像的采集单元，动态获取高分辨率、高清图片，覆盖整圆周车轮踏面，图像化检测视图分析、缺陷定位、直观判别缺陷，自动识别和定位车号、端位和轴号，并可进行双向检测。
（5）检查数据的保存、检索、归类、对比、综合分析、缺陷图像预警提示以及基于局域网的线上传输、管理。
（6）具备设备自诊断、实时监控和远程故障诊断功能。
（7）针对踏面在图像中位置差异，创建踏面图像模板，结合边缘提取算法确定踏面边缘。极大降低算法处理数据量，提高分时处理的效率。
（8）分辨率足够高，能够看清所拍摄踏面90%的区域，成像亮度符合人眼查看的要求。
（9）系统的检测数据主要包含：车号信息；端位信息；检测时间；成像单元编号；踏面缺陷图像。
“机车车轮踏面动态监测系统”投入使用以来，设备运行稳定，检测情况良好，精度较高，后期会加强对设备整个寿命期的管理，积极探索各种技术和组织措施，对设备进行综合管理，提升机车检修质量，服务铁路运输，充分发挥自动化减人、科技化减人的理念，在相同检测任务的完成前提下最大限度减少人工工作量，实现效益、安全双丰收。