便携式铁道车轮外形测量仪的准确度研究

论文摘要

对车轮测量精度和速度的要求是随着列车速度的增加而提高的。尽管目前的列车车轮自动检测装置可实现动态检测,但其条件是车轮必须经过特定的区域。显然,对于不便拆卸与人工移动的铁道车轮,其测量工具主要还是便携式仪器。鉴于激光三角传感器受踏面形貌、颜色及环境影响大,且价格昂贵,所以接触式扫描测量方法仍然具有最高的性价比。为此,论文就提高五连杆车轮外形测量仪准确度的相关问题,进行了全面的研究。首先,通过对测量仪的组成、工作原理及测量程序（流程）的系统分析,建立了测量的数学模型。针对测量的全过程,分析了测量系统的误差源,采用全微分理论建立了测量误差解析模型,同时建立了全参数的MATLAB精确数值模型,利用此数值模型分析了单因素误差,多因素误差交互作用对测量结果的影响。结果表明;①各因素在所涉及的范围内完全可认为是线性独立的,这为不确定度的评定提供了依据;②两编码器的量化误差为主要的误差源,从而为仪器的标定和数据处理指明了方向。为实现量值溯源,研究了由易到难,由粗到精,分层次,软件数值仿真与硬件测试相结合的标定/检定方法;设计了相应的标定/检定装置,研究了检定装置的检定方法。多台仪器标定实验验证了该标定方法的可行性和可靠性。标定后的仪器对JM3样板的形状测量误差小于±0.02mm。最后,按《JJF1059—1999测量不确定度的评定与表示》及《JJF 1130-2005几何量测量设备校准中的不确定度评定指南》分析了仪器的测量不确定度,取置信概率P=0.99,包含因子k=2.58,形状参数的扩展不确定度小于±0.03mm,直径的不确定度随被测车轮直径增加而变大,但适当增加仪器尺寸后,可使测量不确定度保证在0.1mm以内。对车轮外形测量仪准确度研究的结果表明;可通过适当的尺寸、位置参数的标定,误差补偿和正确的操作来保证仪器的测量准确度。该类型车轮外形测量仪的测量准确度能够满足高速动车的要求,该项研究具有重要的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究意义及现状
• 1.2 本论文的工作
• 第2章 便携式车轮外形测量系统的分析
• 2.1 便携式车轮外形测量系统的组成
• 2.1.1 车轮几何特征与检测要求
• 2.1.2 车轮外形测量系统的机械组成
• 2.1.3 车轮外形测量系统的电气组成
• 2.1.4 测量系统的特点
• 2.2 测量仪器的测量程序
• 2.3 车轮外形测量系统的工作原理
• 2.3.1 车轮外形的测量模型
• 2.3.2 测量轮半径补偿原理
• 2.3.3 车轮直径的测量模型
• 第3章 测量仪器的误差分析
• 3.1 测量仪器的误差源分析
• 3.1.1 仪器使用中的误差
• 3.1.2 测量仪器结构的误差
• 3.2 五连杆机构的误差分析
• 3.2.1 连杆机构误差模型
• 3.2.2 误差仿真结果
• 3.2.3 测量轮半径引起的测量误差
• 3.3 数据采集过程误差的仿真
• 3.4 车轮直径测量误差的研究
• 3.4.1 仪器的测量直径误差分析
• 3.4.2 连杆机构对测量直径的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 测量仪器的几何参数标定
• 4.1 测量仪检定装置的研究
• 4.1.1 检定装置的结构
• 4.1.2 检定装置的检定
• 4.1.3 车轮外形测量仪检定装置的测量不确定度评定
• 4.2 车轮外形测量仪的标定
• 4.2.1 形状标定
• 4.2.2 直径标定方法
• 4.3 仿真结果与实验
• 4.4 标定准确度的进一步提高
• 4.5 本章小结
• 第5章 测量系统的不确定度分析
• 5.1 测量机构不确定度计算
• 5.1.1 各误差因素的测量不确定度的计算
• 5.1.2 测量结果不确定度的评定
• 5.2 车轮踏面参数的不确定度评价
• 5.2.1 车轮各被测参数的计算方法
• 5.2.2 各被测车轮参数不确定度的计算
• 5.2.3 车轮外形测量仪测量车轮踏面参数的结果
• 5.3 车轮直径测量不确定度评价
• 5.3.1 影响车轮半径各因素的测量不确定度的计算
• 5.3.2 车轮直径不确定度的评定
• 5.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文