一种轨道车辆轮轴同心度自动检测仪的制作方法

本发明涉及一种同心度检测工具，特别是涉及一种轨道车辆轮轴同心度自动检测仪。

背景技术：

在实际生产及使用过程中，由于装配、加工误差及轮对在使用过程中的偏磨等原因，使得车辆轮对的车轮踏面滚动圆中心与轴颈面中心不同心，从而造成轮对在高速旋转时与钢轨面之间产生冲击和振动，对车辆运行的安全性和平稳性带来不利影响，轮对使用寿命降低。

随着我国轨道交通系统的快速发展，为满足新技术、新材料、新装置和高速铁路的发展需求，进一步统一铁路客车轮对组装、信息化管理和检修质量标准，中国铁路总公司于2014年元月统一制定了《铁路客车轮轴组装检修及管理规则》，并开始执行。《规则》中第3.7条的（5）中规定同一车轮踏面与轴颈面在同一直线上测量的两点距离差超限，应对车轮进行加修；《规则》中附件14《轮对、轴承和轴箱装置检修限度表》里14.3.10.5也明确了同一车轮踏面与轴颈面的距离差的相关技术标准：运行速度不超过120km/h的车辆，不大于0.6mm；运行速度不超过140km/h的车辆，不大于0.5mm；运行速度不超过160km/h车辆，不大于0.4mm。

而目前国内对于同一轮对轮轴同心度检测即踏面与轴颈面的距离差的检测主要是通过车轮圆周跳动测量表进行人工检测，检测点数少、检测效率低、数据读取误差大、检测精度低。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就是克服上述现有技术的不足，而提供一种结构简单、实用，能快速准确地测出车辆轮轴同心度，大大提高检测精度和检测效率，降低工人劳动强度的轨道车辆轮轴同心度自动检测仪。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

设计一种轨道车辆轮轴同心度自动检测仪，包括机架、车轮轴向夹紧机构、车轮旋转驱动机构、车轮踏面测头组件及车轮踏面测头组件竖向位移机构、车轮轴颈部位测头组件及车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构，以及控制单元；其中车轮轴向夹紧机构、车轮旋转驱动机构、车轮踏面测头组件竖向位移机构和车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构分别安装在机架上，车轮踏面测头组件和车轮轴颈部位测头组件分别安装在车轮踏面测头组件竖向位移机构和车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构的下方。

优选地，在上述轨道车辆轮轴同心度自动检测仪中，相对于左右轮对，所述车轮轴向夹紧机构、车轮旋转驱动机构、车轮踏面测头组件及车轮踏面测头组件竖向位移机构、车轮轴颈部位测头组件及车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构分别有两套，且左右对称设置。

优选地，在上述轨道车辆轮轴同心度自动检测仪中，还包括相对于左右轮对，呈左右对称设置的两套车轮测后推出机构。

优选地，在上述轨道车辆轮轴同心度自动检测仪中，所述车轮测后推出机构包括推出气/液压缸、推出臂、驱动轮和轮对前后两个支撑块，其中推出气/液压缸通过垫板安装在机架上，驱动轮设于推出臂上，推出臂前端与推出气/液压缸活塞杆末端所设Y形接头相铰接，推出臂的后端活动铰接在轮对后支撑块的后侧。

优选地，在上述轨道车辆轮轴同心度自动检测仪中，该自动检测仪还包括计算机主机及显示器和语音提示报警器。

优选地，在上述轨道车辆轮轴同心度自动检测仪中，所述车轮轴向夹紧机构包括夹紧气/液压缸、夹紧定位块、面板和下导向块，其中夹紧气/液压缸尾部通过后座耳固定在机架上，夹紧气/液压缸尾部与后座耳之间通过轴及偏心套活动铰接，夹紧气/液压缸与夹紧定位块之间通过轴及衬套活动铰接，面板设在夹紧定位块上，夹紧定位块与底部所设的下导向块滑动匹配连接。

优选地，在上述轨道车辆轮轴同心度自动检测仪中，所述车轮旋转驱动机构包括驱动电机及减速机、驱动轴、轴承盖、转轮箱体及前后所设的主动轮和被动轮、防靠死轴承，其中驱动轴与减速机动力输出端通过联轴器连接。

优选地，在上述轨道车辆轮轴同心度自动检测仪中，所述车轮踏面测头组件竖向位移机构和车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构分别包括底板、直线导轨、伺服电机及电机座、丝杆丝母传动机构，其中底板通过机体联接座安装机架上，伺服电机座安装在底板上，丝杆丝母传动机构包括滚珠丝杆、丝母、丝杆前后支撑、丝母座及丝母底板，滚珠丝杆端部与电机输出轴通过联轴器直连，丝杆前后支撑安装在底板上，丝母底板安装在直线导轨上。

优选地，在上述轨道车辆轮轴同心度自动检测仪中，所述车轮踏面测头组件和车轮轴颈部位测头组件分别包括测头外壳、激光测头及激光测头支架、测头防护底板、行程开关、接近传感器、移动板、弹簧和导向架，其中测头外壳与激光测头支架安装在测头防护底板上，测头防护底板与导向架固定连接，导向架与车轮踏面测头组件竖向位移机构和车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构所含直线导轨滑动匹配连接，行程开关、接近传感器安装在导向架上，弹簧套装在接近传感器上，且弹簧的上端固定在导向架上，弹簧的下端安装有所述移动板，移动板上伸出端与行程开关正对设置。

优选地，在上述轨道车辆轮轴同心度自动检测仪中，所述控制单元包括电气控制单元和气动/液压控制单元，其中气动/液压控制单元包括管路，其中管路包括通过三通连接的主管路、与夹紧气/液压缸和推出气/液压缸分别连接的支管路Ⅰ和Ⅱ，在主管路上设有空气/液压油过滤减压辅助元件，在支管路Ⅰ和Ⅱ上分别设有换向控制元件。

本发明轨道车辆轮轴同心度自动检测仪的自动检测原理如下：

本发明轨道车辆轮轴同心度自动检测的原理的数学模型如图1所示。k为车轮踏面某点和轴颈面同一径线上两点之间的距离，如车辆轮对的车轮踏面滚动圆中心与轴颈面中心不存在偏差，沿圆周方向各对应点在理论计算中，k₁=k₂=……=k_n，即任意k值的绝对差值P=|k_n-k_i|=0。但由于装配、加工误差及轮对在使用过程中的偏磨等原因，使得车辆轮对的车轮踏面滚动圆中心与轴颈面中心不同心，即P=|k_n-k_i|≠0，就会造成轮对在高速旋转时与钢轨面之间的冲击和振动，对车辆运行的安全性和平稳性带来不利影响，轮对使用寿命降低。按照《铁路客车轮轴组装检修及管理规则》的规定，根据车辆运行速度的不同，沿车轮一周对应各点的绝对差值P的最大值需在其容许的范围之内。通过模型计算可知k+h₁+x₁=h₂+x₂，即k=h₂+x₂-（h₁+x₁）。

本发明通过车轮轴向夹紧机构来实现轮对到达待测位后能够处于准确的测量位置，通过车轮旋转驱动机构实现车轮自动旋转，完成圆周方向的数据采集，并在测量时能实现探头（即车轮踏面测头和轴颈部位测头）的自动定位。探头的自动定位分水平和竖直两个方向，由于现阶段我国的轨距都是采用的国际标准轨距，轮对内测距相对固定，所以水平方向的定位主要是以车轮踏面滚动圆为基准。竖直方向：由于车辆轮对轴型不同，又有新轮、半磨耗轮与磨耗轮之分，轮对名义直径和轴颈面直径大小有很大差别，而激光测距探头又有最佳的检测距离的要求，所以对于不同的轮对应能实现在竖直方向的自动调整和定位。

本发明技术方案的有益效果是：

1、本发明车轮轴向夹紧机构主要是在轮对到达待测位后为了确保测量位置的准确度而设置的轮对轴向定位装置；轮对驱动机构是用来驱动轮对在检测台位时以一定的速度缓慢转动；测量时，车轮踏面测头组件竖向位移机构和车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构是用来控制测头上下位置，由于车辆轮对在检修时轮径尺寸和轴径尺寸是有差别的，为了使测头在每次检测时处于最佳的测量高度，以确保测头保持最佳的测量精度，所以需对测头的上下高度进行精确控制。因而，本发明能够满足各型轨道交通车辆轮对的同心度检测，对不符合相关技术参数要求的轮对进行进一步的加修，对于有效提高客车运行的平稳性、稳定性具有极其重要的作用。

2、本发明车轮测后推出机构的设置，可以将测量后的轮对快速推出检测工位，从而提高轮对检测作业效率，减轻作业人员劳动强度。计算机主机及显示器和语音提示报警器的设置，是为了在数据收集处理后可以通过显示器显示出来，当计算检测结果超出最大限度时能够语音提示报警。

3、本发明进一步的，车轮轴向夹紧机构可以采用控制夹紧气/液压缸活塞杆的伸缩来控制夹紧定位块的轴向移动，使两侧的夹紧定位块作用于两侧车轮踏面的外侧，完成轮对的轴向定位；车轮测后推出机构可以采用控制推出气/液压缸活塞杆的伸出，使得推出臂作用于驱动轮将车轮推出；因而，结构简单，操作方便，易于实施。

4、本发明优选的，车轮踏面测头组件竖向位移机构和车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构可以采用伺服电机和丝杠丝母传动实现测头的上下位置移动，并通过接近传感器、行程开关等控制元器件实现对测头位置的进一步保护；车轮轴向夹紧机构中所含偏心套的设置，是为了使得夹紧气/液压缸能够完全放下，可以保证对车轮踏面的外侧的有效夹紧。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明自动检测的原理图；

图2为本发明轨道车辆轮轴同心度自动检测仪的结构示意图；

图3为图2所示的A-A 剖视结构示意图；

图4为图2所示的车轮轴向夹紧机构的结构示意图；

图5为图2所示的车轮旋转驱动机构的结构示意图；

图6为图2所示的车轮踏面测头组件竖向位移机构和车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构的结构示意图；

图7为图2所示的车轮踏面测头组件或者车轮轴颈部位测头组件的结构示意图；

图8为图2所示的车轮测后推出机构的结构示意图；

图9为本发明的气动控制原理图；

图中序号：h₁为传感器1到轮对踏面滚动圆的距离，h₂为传感器2到车轴轴颈面的距离，x₁为机械构架基准面到传感器1测头的距离，x₂为机械构架基准面到传感器2测头的距离；

1、机架，

2、车轮轴向夹紧机构，

2-1、夹紧气缸，2-2、夹紧定位块，2-3、面板，2-4、下导向块，2-5、后座耳，2-6、轴，2-7、偏心套，2-8、衬套，

3、车轮旋转驱动机构，

3-1、驱动电机，3-2、摆线针减速机，3-3、驱动轴，3-4、轴承盖，3-5、转轮箱体，3-6、主动轮，3-7、被动轮，3-8、防靠死轴承，3-9、联轴器，

41、车轮踏面测头组件竖向位移机构，42、车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构，

4-1、底板，4-2、直线导轨，4-3、伺服电机，4-4、电机座， 4-5、机体联接座，4-6、滚珠丝杆，4-7、丝母，4-8、丝杆前支撑，4-9、丝杆后支撑， 4-10、丝母座，4-11、丝母底板， 4-12、联轴器，

51、车轮踏面测头组件，52、车轮轴颈部位测头组件，

5-1、测头外壳， 5-2、激光测头，5-3、激光测头支架， 5-4、测头防护底板， 5-5、行程开关， 5-6、接近传感器， 5-7、移动板， 5-8、弹簧，5-9、导向架，

6、车轮测后推出机构，

6-1、推出气缸，6-2、推出臂，6-3、驱动轮， 6-4、轮对前支撑块， 6-5、轮对后支撑块， 6-6、垫板， 6-7、Y形接头， 6-8、转轴，

7、气动控制单元，

7-1、主管路，7-2、支管路Ⅰ，7-3、支管路Ⅱ，7-4、三通，7-5、空气过滤器，7-6、过滤减压油雾三联件，7-7、五通小型电磁换向阀，7-8、减压阀，

8、轮对。

具体实施方式

下面结合附图和实施例（以气动控制驱动方式为例）来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围，在以下实施例中所涉及的仪器元件如无特别说明，均为常规仪器元件。

参见图2-3，图中，本发明轨道车辆轮轴同心度自动检测仪，包括机架1、车轮轴向夹紧机构2、车轮旋转驱动机构3、车轮踏面测头组件51及车轮踏面测头组件竖向位移机构41、车轮轴颈部位测头组件52及车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构42，以及机架侧面设置的电气控制单元和气动控制单元7；其中车轮轴向夹紧机构、车轮旋转驱动机构、车轮踏面测头组件竖向位移机构和车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构分别安装在机架上，车轮踏面测头组件和车轮轴颈部位测头组件分别安装在车轮踏面测头组件竖向位移机构和车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构的下方。

相对于左右轮对8，所述车轮轴向夹紧机构、车轮旋转驱动机构、车轮踏面测头组件及车轮踏面测头组件竖向位移机构、车轮轴颈部位测头组件及车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构分别有两套，且左右对称设置。还包括相对于左右轮对，呈左右对称设置的两套车轮测后推出机构6。此外，该自动检测仪还包括计算机主机及显示器和语音提示报警器（图中未示出）。

参见图4，图中，所述车轮轴向夹紧机构包括夹紧气缸2-1、夹紧定位块2-2、面板2-3和下导向块2-4，其中夹紧气缸尾部通过后座耳2-5固定在机架上，夹紧气缸尾部与后座耳之间通过轴2-6及偏心套2-7活动铰接，夹紧气缸与夹紧定位块之间通过轴及衬套2-8活动铰接，面板设在夹紧定位块上，夹紧定位块与底部所设的下导向块滑动匹配连接。

具体使用时，车轮轴向夹紧机构主要是在轮对到达待测位后为了确保测量位置的准确度而设置的轮对轴向定位装置。轮对两侧分别设置两套夹紧装置。车轮轴向夹紧机构主要是通过控制夹紧气缸活塞杆的伸缩来控制夹紧定位块的轴向移动，使两侧的夹紧定位块作用于两侧车轮踏面的外侧，完成轮对的轴向定位。

参见图5，图中，所述车轮旋转驱动机构包括驱动电机3-1及摆线针减速机3-2、驱动轴3-3、轴承盖3-4、转轮箱体3-5及前后所设的主动轮3-6和被动轮3-7、防靠死轴承3-8，其中驱动轴与减速机动力输出端通过联轴器3-9连接。

具体使用时，车轮旋转驱动机构是用来驱动轮对在检测台位的匀速转动的。由于轮对同心度检测需采集车轮踏面及轴颈面一周的相关数据，所以在具体检测时需驱动轮对以一定的速度缓慢转动。

参见图6，图中，所述车轮踏面测头组件竖向位移机构和车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构分别包括底板4-1、直线导轨4-2、伺服电机4-3及电机座4-4、丝杆丝母传动机构，其中底板通过机体联接座4-5安装机架上，伺服电机座安装在底板上，丝杆丝母传动机构包括滚珠丝杆4-6、丝母4-7、丝杆前后支撑4-8、4-9、丝母座4-10及丝母底板4-11，丝杆端部与电机输出轴通过联轴器4-12直连，丝杆前后支撑安装在底板上，丝母底板安装在直线导轨上。

具体使用时，车轮踏面测头组件竖向位移机构和车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构是用来控制测头上下位置。由于车辆轮对在检修时轮径尺寸和轴径尺寸是有差别的，为了使测头在每次检测时处于最佳的测量高度，以确保测头保持最佳的测量精度，所以需对测头的上下高度进行精确控制。

参见图7，图中，所述车轮踏面测头组件和车轮轴颈部位测头组件分别包括测头外壳5-1、激光测头5-2及激光测头支架5-3、测头防护底板5-4、行程开关5-5、接近传感器5-6、移动板5-7、弹簧5-8和导向架5-9，其中测头外壳与激光测头支架安装在测头防护底板上，测头防护底板与导向架固定连接，导向架与车轮踏面测头组件竖向位移机构和车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构所含直线导轨4-2滑动匹配连接，行程开关、接近传感器安装在导向架上，弹簧套装在接近传感器上，且弹簧的上端固定在导向架上，弹簧的下端安装有所述移动板，移动板上伸出端与行程开关正对设置。

具体使用时，车轮踏面及轴颈部位采用了基恩士IL-S065高精度激光测距传感器作为测头，用于分别测量测头至车轮踏面和轴颈面的距离，并以此来检测同一轮对上两个车轮的车轮踏面滚动圆与轴颈圆周面的同轴度。

参见图8，图中，所述车轮测后推出机构包括推出气缸6-1、推出臂6-2、驱动轮6-3和轮对前后两个支撑块6-4、6-5，其中推出气缸通过垫板6-6安装在机架上，驱动轮设于推出臂上，推出臂前端与推出气缸活塞杆末端所设Y形接头6-7相铰接，推出臂的后端通过转轴6-8活动铰接在轮对后支撑块的后侧。

具体使用时，车轮测后推出机构主要是为了将测量后的轮对快速推出检测工位，提高轮对检测作业效率，减轻作业人员劳动强度而设置。即主要是通过控制推出气缸活塞杆的伸出，使得推出臂作用于驱动轮将车轮推出。

参见图9，该自动检测仪还包括气动控制单元，该气动控制单元包括管路，其中管路包括通过三通7-4连接的主管路7-1、与夹紧气缸2-1和推出气缸6-1分别连接的支管路Ⅰ7-2和Ⅱ7-3，在主管路上设有空气过滤器7-5、过滤减压油雾三联件7-6，在支管路Ⅰ和Ⅱ上分别设有五通小型电磁换向阀7-7和减压阀7-8。

本发明具体使用时，由于主要包括机架、车轮轴向夹紧机构、车轮旋转驱动机构、车轮测后推出机构、车轮踏面测头组件竖向位移机构、车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构、车轮踏面测头组件、车轮轴颈部位测头组件等组成。其中车轮轴向夹紧机构主要用于轮对的轴向定位；车轮旋转驱动机构主要用于轮对的驱动，轮对以一定的速度旋转；车轮测后推出机构主要用于检测结束后的轮对推出检测位置；车轮踏面测头组件竖向位移机构和车轮轴颈部位测头组件竖向位移机构主要是通过伺服电机和丝杠传动，并通过接近传感器、行程开关等控制机构实现对激光测距传感器的保护；车轮踏面测头及轴颈部位测头主要是采用高精度激光测距传感器完成测头到车轮踏面及轴颈柱面的尺寸测量。在机体侧面可以设置含有电气控制单元的设备控制柜以及外部设备，包括电气控制箱、气动控制箱、工控主机及显示器、打印机等，实现激光测距传感器的自动定位、自动测距、测量数据的自动采集、自动处理、干扰数据的自动过滤、数据储存等处理，完成轮对同心度的自动测量。从而实现由人工检测到全自动检测、由直接接触式检测到非接触时检测，实现检测数据的自动采集、自动处理，自动储存、打印和输出等功能，显著提高了工作效率，降低了工人劳动强度，有效提高了检测效率和检测精度，为企业解决了一项生产难题。

而且，本发明能够满足各型轨道交通车辆轮对的同心度检测，对不符合相关技术参数要求的轮对进行进一步的加修，对于有效提高客车运行的平稳性、稳定性具有极其重要的作用。

本发明测量探头的选型：测距采用基恩士高精度非接触式激光位移传感器IL-S065，重复测量精度达2μm ，线性度±0.075% F.S。

计算机主机及显示器用于终端显示：采用Visual studio2010编辑界面显示，画面显示各种设定模式，串口选择通道，X-Y坐标实时显示测量距离，并记录保存测量结果。开关电源采用脉宽调制（PWM）开关技术设计,采用了低功耗电路设计,保证了电源的稳定性和和高效率.输入电压范围宽。输入电压220V范围宽:175V～265V另有110V或220转换开关，效率高达83%以上，本开关电源具有高温保护，过压保护、短路保护、超载保护等功能。

数据采集：测量数据的自动采集和采集时机的选择。配合轮轴旋转速度确定检测频率和周期。

数据处理：拟采用8位单片机将传感器采集来的数据经行逻辑运算处理，控制传感器的工作状态，配合轮轴旋转速度确定检测频率、周期，并将处理数据发送上位机显示出来。计算检测结果超出最大限度语音提示报警。

通过相应软件实现数据的自动处理和干扰数据的自动筛选，将处理数据发送上位机进行显示、储存、打印和调取。并能将超出正常使用标准的检测结果（超标位置和测量数据）进行语音报警提示和颜色标识。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，比如气缸采用液压缸代替，气动控制单元采用液压控制单元来代替等等，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。