激光限界在机车限界测量方面的应用

激光限界在机车限界测量方面的应用

周禹 晋志斌

(中车株洲电力机车有限公司，湖南，株洲，412001)摘要：铁路机车限界检测试验对于机车运行过程中的安全有着重要的影响，因此研究机车限界测量技术对于机车安全有着重要意义。目前，国内机车的限界检测主要是以接触式测量方法来完成机车的限界检测试验，一般存在着测量效率低、工装管理麻烦、测量精度低、无法后续追溯等问题。本文根据国内机车车辆限界检测技术的现状，提出以非接触式检测方式为基础的激光限界检测方案。

关键词：限界检测 激光限界

机车车辆限界是一个和线路中心线垂直的极限横断面轮廓。机车车辆无论是空车或重车，无论是具有最大标准公差的新车，或是具有最大标准公差和磨耗限度的旧车，停放在水平直线上，无侧向倾斜和偏移，除电力机车升起的受电弓外，其他任何部分应容纳在限界轮廓之内，不得超越。[1]限界对于机车运行安全具有重要的意义，如果机车超限，就有可能在运行过程中与轨道设备发生干涉，造成重大安全事故。因此检测机车最大轮廓是否在合格的限界范围内是机车生产制造过程中所必须的一项重要试验。

目前机车限界的检测方式主要是接触式检测，即制造检验模板搭出限界轮廓，牵引机车通过检测区域，若无发生碰撞即为合格。样式如下图1所示。

图1 机械限界样式

按照目前机械限界框加叶板的形式，随着机车产品的不断更新换代，每研制一款新车型就需要一整套与此车型相一致的限界工装，试验完成后，又将此限界工装拆掉，限界工装利用率十分低下，且需另找地方存放及保管，加大管理难度。同时进行限界试验时需至少提前两天更换限界工装，影响限界试验效率。此外，限界试验不具有可追溯性，试验过后不能再找回限界数据。

为解决上述问题，研究以非接触式检测方式进行限界试验，搭建激光限界试验台。激光限界采用龙门架形式，主要由固定龙门架、激光检测装置、车辆长度方向检测装置、校检装置、软件系统和控制系统等组成。龙门架安装在检测区域，激光相机安装在龙门架两侧立柱上、龙门架顶部（根据测量高度不同可以调整）、龙门架旁地沟，其检测区域涵盖车辆整体外部轮廓，包括底部的转向架部分。激光相机采用加拿大LMI Technology公司的3D激光相机，激光安全等级3R。相机参数如下：激光线轮廓点数1920，Z方向分辨率（0.06～1.5）mm，X方向分辨率（0.25～1.1）mm，Z方向线性度±0.03%FS，Z方向重复性12μm，安装净距离350mm，检测范围1525mm，视野（390～2000）mm，视场角60.2967。限界检测主要通过布置在车辆周围的激光相机进行轮廓检测。同时在机车牵引车辆时，通过激光测距仪对车辆长度方向进行测量，获得机车车体轮廓的三维坐标值。通过软件将各轮廓数据拟合成车辆整体外部轮廓数据，再将此数据和车辆设计限界数据（以轨道中心线为参照系）比较，检测整体外部轮廓数据小于设计限界数据时，输出测试合格报告；整体外部轮廓数据存在大于设计限界数据时，指出限界超出坐标位置，作业人员调整后再次进行整体检测，检测合格后输出测试合格报告。测试报告除提供外部轮廓最大数据值外，也可提供车辆任意外部装置的轮廓数据。除轮廓检测外，还能直接计算出检测区域的最大高度、最大宽度；根据不同项目车辆检测要求，可以同时给出车底所有设备底部轮廓尺寸、任意设备限界轮廓尺寸。设备样式如下图2所示。根据激光相机的检测参数，通过视野分析保证对于不同车型均能实现完整的扫描测量，如图3。

图2 激光限界效果图

图3 激光限界安装及视野分析图

系统界面上可以实现任务创建、车型选择、限界图纸导入、模型与限界坐标系自动对齐、任务执行、设备启动、自动校正、数据实时采集、数据分析、标记异常、结果输出。可实现以dwg、dxf、pdf、word格式输入限界的轮廓，系统自动提炼出限界数据，或以输入坐标点形式绘制限界轮廓。检测的数据含各处的具体值、超差值等，以三维点云的形式保存或报表（Excel, Word）的形式保存，与现有试验记录模板匹配，并可同步打印。系统具备三维图像模式、轮廓模式和文本模式。限界对比样式如下

图4 限界对比轮廓图

限界对比的计算逻辑为在车辆前进的同时，每隔1ms对机车轮廓进行一次测距拍照，也即在机车前进方向上每隔约1mm获取一次机车截面。机车完全通过后将所有截面进行叠加形成图样式。在此基础上通过系统计算获取其最外侧轮廓即得到机车最大轮廓如图。

在限界对比图中，绿色轮廓图代表扫描出来的实际车体外形，黑色指机车所允许的最大限界，当实际轮廓全部处于限界轮廓内时，证明机车限界试验通过。若机车上有部件超出机车限界，则其超出部分会被以红线标出，如下图为特意加入超限物后的扫描图像。另外在纸质报告中，会根据测距摄像头记录的前进距离标注出超限部件在机车前进方向上的位置，便于后期整改。

图5 加入超限物的机车限界轮廓图

综上所述，实施激光限界可省去重复搭建机械限界的繁琐，并可长时间保留数据，对于限界试验的便捷性、可追溯性均有较大帮助。目前通过激光限界的应用，可实现限界数据的长期保存及原始数据的记录查询，并且能够实现不同车型之间限界试验的快速切换，对于限界试验效率有很大提升

参考文献：

[1]铁道部标准所，GB 146.1-1983，标准轨距铁路机车车辆限界[S]：国家标准局，1983-11-07