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畢業(yè)設計開題報告 畢業(yè)設計題目:列車車輪磨損檢測儀 1、 課題的目的及意義 車輪作為機車車輛走行部的重要部件, 直接關(guān)系到行車安全。在實際運用過程中, 由于存在著線路養(yǎng)護條件較差、輪軌外形及材質(zhì)匹配不合理、轉(zhuǎn)向架技術(shù)狀態(tài)不良和牽引裝載定數(shù)過大等諸多原因, 導致車輪踏面和輪緣的磨耗加劇, 影響了機車車輛的正常運轉(zhuǎn), 降低了機車車輛的利用率。因此, 及時準確地掌握車輪的磨耗狀況是非常必要的。我國鐵路機務車輛部門對各型車輪的磨耗限度均有明確的規(guī)定。在檢修車輪時, 主要通過測量輪緣踏面外形的幾何參數(shù)來判斷車輪的磨耗程度。這些數(shù)據(jù)包括, 車輪直徑、輪緣厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等, 其中以輪緣厚度最為關(guān)鍵。如何準確方便地測量車輪外形參數(shù)是迫切需要解決的問題。國外各主要發(fā)達國家為此進行了長期研究和探索, 也取得了顯著成果。概括起來, 車輪外形幾何參數(shù)的測量方法基本分為靜態(tài)檢測法和動態(tài)檢測法。靜態(tài)檢測是指機車車輛在檢修時進行的測量; 動態(tài)檢測則是指機車車輛在運行時進行的測量。 靜態(tài)檢測技術(shù) 靜態(tài)檢測技術(shù)經(jīng)歷了機械量具測量和電子量具測量等階段。隨著微電子技術(shù)和可編程技術(shù)的發(fā)展,機械量具已逐漸被電子量具所取代。下面簡要介紹幾種國外典型的電子式測量產(chǎn)品。 1) 美國便攜式車輪斷面測量儀 美國國際電子機械有限公司于80 年代末期研制成功便攜式車輪斷面測儀。這種儀器可在2 s 的時間內(nèi)測出輪緣厚度和踏面磨耗等數(shù)據(jù), 并能打印記錄測量結(jié)果, 使用非常方便。在進行任何測量工作以前, 兩組控制機構(gòu)可確保儀器放在車輪正確的位置, 因而其測量精度很高。這種儀器已形成系列產(chǎn)品, 可廣泛用于機車車輛和地鐵動車組的車輪參數(shù)測量, 并可在任何照明和氣候條件下正常工作, 測量數(shù)據(jù)可以自動傳送到已有的計算機系統(tǒng)處。利用預先編制的維修程序, 這種儀器能夠使檢修人員把旋輪和換輪成本降至最低程度。該公司還于同期研制成功便攜式的輪徑電子測量儀和車輪輪廓測量儀。輪徑測量儀能在不拆卸輪對的情況下精確測出車輪的直徑, 測量誤差不超過0. 76 mm。當同根車軸或同臺轉(zhuǎn)向架不同車輪的直徑超過用戶規(guī)定的限度值時, 儀器將發(fā)出報警信號。機內(nèi)預編程序可對不同標稱直徑的車輪設置相應的公差, 定位機構(gòu)可以準確地將儀器放在車輪合適的位置, 進而得到精確的讀數(shù)。輪廓測量儀能夠提供完整的輪緣踏面的數(shù)字化斷面, 可以隨時精確地測定踏面各點的磨耗量。儀器還能為評價改變車輪踏面形狀、更換車輪的整修計劃以及不同的輪緣潤滑技術(shù)的效果提供所需的數(shù)據(jù)。 2) 芬蘭車輪外形測量儀 芬蘭鐵路已于90 年代初期研制成功車輪外形測量儀。這種儀器可以測繪磨耗車輪的外形并將測得的數(shù)據(jù)與存儲的參考數(shù)據(jù)比較, 進而計算出車輪外形參數(shù)并對近限或超限車輪發(fā)出旋修指令。儀器能在大約3 s 的時間內(nèi)測量1 000 個點,每2 點的間隔僅有0. 10 mm。測量裝置用永久磁鐵安裝在車輪上, 包括齒輪和齒條的測量架可在車輪踏面上移動, 傳感器和直線形滑桿負責采集數(shù)據(jù)并傳輸給控制裝置。計算機程序能夠把車輪外形放大3倍、4 倍或10 倍, 并以圖像或數(shù)字形式顯示出來, 另外還可以直接從控制裝置或從計算機繪出車輪形狀或打印測量結(jié)果。 3）日本輪對自動檢測裝置 日本鐵路于80 年代末期研制成功輪對自動檢查裝置。當轉(zhuǎn)向架解體后, 裝置可同時檢測輪對2 個車輪的外形參數(shù)。整套裝置主要由平行光源( 2 只) 、CCD 攝像機( 2臺) 、控制處理機構(gòu)和外部設備等組成。當輪對沿垂直方向以較低的速度勻速升高時, CCD 攝像機可拍攝車輪的外形輪廓, 經(jīng)計算機處理運算后,將車輪參數(shù)和輪廓圖像顯示在屏幕上并存儲在磁盤里。該裝置可測量輪緣厚度、踏面磨耗和車輪內(nèi)距等數(shù)據(jù), 當所測尺寸超過限度值時, 便有紅色數(shù)字顯示,測量誤差小于0. 20 mm, 測量周期約為20 min/ 對。這套裝置不僅實現(xiàn)了檢修作業(yè)自動化, 提高了檢測精度和可靠性, 而且極大地改善了作業(yè)環(huán)境。 動態(tài)監(jiān)測技術(shù) 動態(tài)檢測技術(shù)是與靜態(tài)檢測技術(shù)同步發(fā)展起來的。由于具有測量自動化程度高、不占用機車車輛周轉(zhuǎn)時間和便于存儲車輪信息資料等特點, 因此在最近的10 年里, 動態(tài)檢測技術(shù)日益受到世界各國的重視。對車輪外形參數(shù)施以動態(tài)檢測, 可采用隨車測量型式或地面測量形式。隨車測量型就是在機車車輛上安裝車輪外形參數(shù)的測量系統(tǒng), 雖然能夠做到實時監(jiān)測, 但需為所有車輪都加裝傳感器件, 不經(jīng)濟也不必要。據(jù)資料檢索, 目前僅有日本鐵路對新干線電動車組開發(fā)試用了隨車式車輪磨耗形狀檢測裝置。地面測量型就是在線路上固定安裝車輪外形參數(shù)的測量系統(tǒng), 對于大量正在運用的機車車輛而言, 這種地面式動態(tài)測量設備最為理想。下面簡要介紹幾種國外典型的地面式檢測裝置。 1）俄羅斯輪對參數(shù)自動化檢測裝置 俄羅斯聯(lián)邦鐵路于90 年代中期研制成功輪對參數(shù)自動化檢測裝置。它采用超聲遙測的非接觸方法,當機車車輛以不大于5 km/ h 的速度運行時, 遙測傳感器組可測出距車輪各個特征表面的距離, 經(jīng)分析處理后, 可得出車輪直徑、輪緣厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等參數(shù)。測量誤差分別為: 輪徑誤差不大于1mm, 輪緣厚度誤差不大于0. 5mm, 踏面磨耗誤差不大于0. 30mm。整套測量裝置由傳感器組、地面測量單元、數(shù)據(jù)傳輸線路、操縱控制單元和外部設備等組成。多通道的傳感器組利用卡座緊固在軌底上, 其作用是將車輪的機械( 物理)參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號; 地面測量單元完成傳感器信息的收集和模數(shù)轉(zhuǎn)換等工作, 并通過雙線數(shù)據(jù)傳輸線路與操縱控制單元連接, 傳感器組與地面測量單元之間的距離可達到20 m; 操縱控制單元包括微機、顯示器、鍵盤和供電組件等設備。微機負責處理由地面測量單元傳送的大量輸入數(shù)據(jù), 并將被檢車輪的輪廓外形變換成相應的數(shù)據(jù)塊, 以便觀察和獲得車輪的磨耗狀態(tài), 所得的信息資料可以清晰地呈現(xiàn)在顯示器上, 地面測量單元與操縱控制單元之間的距離可達到500 m; 外部設備包括中央計算機和打印機等, 中央計算機可動態(tài)管理和集中檢查全部車輪的外形數(shù)據(jù), 打印機則可將檢測結(jié)果文件化。整套裝置由交流220 V 電源供電, 所需功率小于200 W。它可在車輪運動的工況下測出車輪的外形輪廓, 然后將該踏面外形同存儲的標準踏面外形進行比較, 就能得到有關(guān)車輪磨耗的數(shù)據(jù)信息?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明, 該裝置具有很高的穩(wěn)定性, 可以保證車輪外形參數(shù)測量所必需的精度。全部檢測作業(yè)均自動完成, 無須操作人員干預。 2)羅馬尼亞車輪外形磨耗自動檢測裝置 羅馬尼亞鐵路于90 年代初期研制成功車輪外形磨耗自動檢測裝置。其檢查車輪外形磨耗狀況的自動過程, 是利用采集圖像的閉環(huán)系統(tǒng)和數(shù)字處理的視頻測量系統(tǒng)來記錄列車車輪的外形圖像, 并在通過微機確定車軸序號的同時, 直接在圖像上進行測量, 然后打印和處理影響運行安全的危險情況。整套裝置由測量和控制單元、CCD 攝像單元、連續(xù)縫隙光照明單元、車輪導向單元、圖像采集單元、微機單元以及數(shù)據(jù)傳輸單元組成。當機車車輛以限定速度( 不超過10 km/ h) 運行時, 安裝在軌道上的檢測設備可捕捉所有車輪的外形輪廓, 在計算程序的輔助下, 便可得出車輪的外形參數(shù)并做出判斷和進行處理。經(jīng)常使用該自動檢測裝置監(jiān)測車輪外形的磨耗狀況, 可以防止車輪在2 次定期修理期間各種缺陷的產(chǎn)生, 同時還可以為診斷車輪技術(shù)狀態(tài)、預測車輪使用壽命提供詳盡的信息資料。 3)德國輪對自動診斷裝置 德國鐵路于80 年代末期研制成功輪對自動診斷裝置。其主要功能就是當列車以小于5 km/ h 的速度運行時, 自動測量車輪斷面的幾何參數(shù)。這套裝置的工作原理是: 將縫隙光光帶以規(guī)定角度投射到車輪上形成可辨認的輪廓, 同時用攝像機在對應用角度捕捉反射的光束。車輪圖像是通過布置于每根鋼軌上的4個半導體攝像機拍攝的, 這樣能夠覆蓋被測車輪的4 個斷面, 經(jīng)分析處理后便可計算出輪緣厚度、踏面磨耗和車輪內(nèi)距等參數(shù)。該設備由中央計算機控制, 所有的測量數(shù)據(jù)都存儲在計算機文件庫內(nèi), 以便隨時掌握輪對的工作經(jīng)歷。整套裝置安裝在漢堡機務段的綜合檢查車間內(nèi), 可實現(xiàn)非接觸動態(tài)檢測。為了校準診斷設備和快速檢驗設備功能, 裝置采用標準輪對來確定測量缺陷和測量誤差。 4)美國車輪自動檢測系統(tǒng)(A WI S ) 美國Loram 公司于90 年代中期研制成功2 種型式的車輪自動檢測系統(tǒng), 低速檢測型和高速檢測型。低速檢測型可在列車運行速度不超過8 km/ h 的情況下輸出圖像、圖表和統(tǒng)計數(shù)據(jù); 高速檢測型可在列車運行速度不超過72 km/ h 的情況下打印出測量數(shù)據(jù)和報告?，F(xiàn)場試驗的結(jié)果表明, 這套系統(tǒng)可以自動測量列車的通過速度, 具有連續(xù)圖像采集、連續(xù)數(shù)據(jù)處理和車輪計數(shù)等功能, 可以測量輪緣厚度、踏面磨耗和車輪直徑等參數(shù), 同時在精確度以及方便性和安全性等方面,均能滿足使用要求。 列車車輪的運行狀況在整個車輛軌道系統(tǒng)中起著非常重要的作用，它直接關(guān)系到列車的運行安全，而車輪的磨損狀況是影響列車運行情況的非常重要的因素。本課題要完成的火車車輪磨損檢測儀將利用光學裝置CCD和與之配套的部分來實現(xiàn)車輪輪廓的描繪，通過將實測到的車輪輪廓與標準輪廓的比較來準確地判斷車輪的磨損情況。整個裝置比較簡單，具有良好的可行性與應用前景，同時也能實現(xiàn)足夠精度的測量。 參考文獻 車輪踏面外形幾何參數(shù)的檢測技術(shù)-馬林 輪軌踏面外形的實際測量及幾何接觸的進一步研究-沈鋼、黎冠中等 用數(shù)碼相機測量輪對踏面形狀的研究-鄭芬芳、劉繼、范佩鑫 便攜式火車輪磨損檢測儀-王浩旭、楊永躍 2、 課題任務、重點研究內(nèi)容與實現(xiàn)途徑 (1)課題任務 1、資料收集、整理，了解各種車輪磨損測量方式的研究現(xiàn)狀和發(fā)展； 2、學習相關(guān)知識，確定測量原理和方式，進行火車車輪磨損測量儀的整體結(jié)構(gòu)方案設計； 3、進行火車車輪磨損測量儀的具體模塊設計，確定各部分的材料及尺寸，繪制爆炸圖、具體零件圖及進行系統(tǒng)仿真等； 4、 撰寫畢業(yè)論文。要求立論正確，證據(jù)充分，條理清晰，書寫工整，圖文并茂，字數(shù)不少于2萬。 (2)研究內(nèi)容 1、確定采用的測量原理和方式 2、進行火車車輪磨損測量儀整體結(jié)構(gòu)設計 3、進行火車車輪磨損測量儀的具體模塊設計，確定器件材料及尺寸 (3)實現(xiàn)途徑 利用AutoCAD、Solidworks等繪制零件圖、裝配圖及進行動態(tài)演示等。 3、進度計劃 第1周 畢業(yè)實習 第2-3周 查閱資料，確定測量原理和方法 第4-7周 整體方案設計設計 第8-11周 具體機構(gòu)設計及尺寸材料確定 第12-15周 總裝圖、關(guān)鍵零部件圖繪制 第16-17周 整理畢業(yè)論文、答辯 學生簽名： 年 月 日 4、指導教師意見 指導教師簽名： 年 月 日