基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測裝置及方法。該裝置包括中央處理單元和多個激光傳感器，所述激光傳感器均與中央處理單元連接；檢測區段的鋼軌向外偏移，且該檢測區段的鋼軌內側設置護軌；激光傳感器設置于鋼軌偏移所空出的區域與護軌之間，激光傳感器的探頭沿鋼軌方向排列且均位于車輪下方，所有激光傳感器與進行不圓度測量的車輪圓周共面。該方法使用多個激光傳感器，將其按照一定幾何關系安裝在車輪下方，傳感器同時探測車輪得到探測點，通過最小二乘擬合得到的直徑，而后對車輪整個圓周內的直徑分段求均值后用最大值減去最小值得到車輪不圓度。本發明在線非接觸式測量具有速度快、精度高、測量直徑范圍大的優點。
【專利說明】基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鉄路車輪檢測領域，特別是ー種基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測裝置及方法。
【背景技術】
[0002]城軌車輛在運行的過程中會出現不同程度的磨耗，磨耗對車輪安全運行會產生影響，而其中磨耗不均勻導致的車輪踏面多邊形尤為重要，它對列車的運行安全性構成嚴重威脅，使機車車輛對線路和自身的動力作用大大加大，同時還會帶來附加的振動和沖擊，降低機車車輛的臨界速度，使得列車的平穩性和舒適性變差。因此對車輪踏面的不圓度測量對列車安全運行有著重要意義。
[0003]車輪圓度的檢測方法主要分為靜態檢測和動態監測，靜態檢測需要在列車停止或車輪拆卸的情況下進行，不僅占用列車的周轉時間，且速度慢，勞動強度大；動態監測不僅可以實現對輪對的在線監測，而且自動化程度高，不占用車輛周轉時間，便于存儲信息資料，目前采用的動態監測不圓度方法有振動加速度檢測法和接觸測量法:
[0004]振動加速度檢測法通過分析采集的整列列車經過檢測點時軌道的振動情況，提取車輪的不圓度信息，但是該方法受傳感器安裝夾具、枕木振動衰減的影響，測量精確度不高。接觸測量法典型的為平行四邊形法，專利I (升降式車輪踏面插傷及不圓度在線動態檢測裝置，申請號:200720082608.9，申請日:2007-12-20)和專利2 (—種車輪踏面插傷和不圓度在線檢測裝置，申請號:201210307496.8，申請日:2012-08-27)均公開了平行四邊形結構的在線測量方法及其改進。該方法中位移傳感器與固定在構成平行四邊形機構ー邊的鋼軌上的支座相連，傳感器可直接測量出車輪踏面與輪緣的相對高度的變化量，位移傳感器記錄整個踏面圓周的直徑情況，當踏面不圓時傳感器即輸出曲線從而得出不圓度。但是該方法采用了接觸式測量，不適合于列車高速通過的情況，并且存在測量響應速度慢、機械結構壽命低、工程實施困難等問題。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供ー種高精度的基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測裝置及方法，采用非接觸式測量，檢測速度快、測量范國大。
[0006]實現本發明目的的技術解決方案為:一種基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測裝置，包括中央處理單元和多個激光傳感器，所述激光傳感器均與中央處理單元連接；檢測區段的鋼軌向外偏移，且該檢測區段的鋼軌內側設置護軌，護軌與車輪輪緣內側相切；激光傳感器設置于鋼軌偏移所空出的區域與護軌之間，激光傳感器的探頭沿鋼軌方向排列且均位于車輪下方，所有激光傳感器與進行不圓度測量的車輪圓周共面。
[0007]—種基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測方法，包括以下步驟:
[0008]第I歩，將各激光傳感器安裝于鋼軌偏移所空出的區域，使各個激光傳感器的探頭沿鋼軌方向排列且均位于車輪下方，所有激光傳感器與進行直徑測量的車輪圓周共面，激光傳感器記為Pi,沿著鋼軌方向i依次為1，2，...n，n為激光傳感器的個數；
[0009]第2步，在進行不圓度測量的車輪圓周所在平面上建立二維坐標系:沿鋼軌方向為X軸，經過第一個激光傳感器P1且垂直于鋼軌向上為Y軸，則激光傳感器的坐標為(Xi, yi)，各個激光傳感器探頭相對于X軸的安裝傾角為0 i ；
[0010]第3步，采集所有激光傳感器的輸出值，并選出同時有6個及以上傳感器輸出值的有效數據組{sit}，Sit為第i個傳感器Pi在第t時刻的輸出值，i=l, 2，? ? ? n ;
[0011]第4步，計算車輪經過探測區的速度:
[0012]v=D/t
[0013]其中D為兩個垂直向上探測的傳感器Pj與傳感器Pk的安裝距離，セ#,-、，tj為第j個傳感器Pj輸出最小值的時刻，tk為第k個傳感器Pk輸出最小值的時刻，在探測區間內為勻速；
[0014]第5步，根據傳感器Pi的輸出值S1.坐標值(Xi，Yi)、安裝傾角0 i確定車輪上對應傳感器Pi的測量點坐標(XiJi):
[0015](Xi, Yi) = (Xi, Yi) + (Si X cos 0 Si X sin Qi) i = U..n
[0016]第6步，根據車輪上n個測量點坐標(Xi, Y1)進行擬合圓，得到該測量位置的車輪直徑D ;
[0017]第7步，重復第5~6歩，對傳感器多次采集得到的有效數據組{Sit}進行測量點坐標計算與擬合得到一系列不同測量位置的車輪直徑，以時間間隔At=MZv為單位，依次對At時間范圍內測得的車輪直徑·取平均值;M取30~60mm; V為車輪經過探測區的速度；
[0018]第8歩，將步驟6得到的車輪直徑平均值中的最大值減去最小值，得到車輪不圓度的量化值E。
[0019]與現有技術相比，本發明的顯著優點在于:(I)基于激光檢測系統，通過最小二乘擬合的算法，實現對列車車輪在線非接觸測量，測量精度高；(2)由激光傳感器自動獲取車輪任意多點坐標，通過相應數據處理算法，獲得當下所測車輪直徑，取直徑的最大值減去最小值，得到不圓度的量化指標，操作簡單、方便快捷；(3)自動獲取車輪經過時的速度；(4)具有檢測速度快、測量范圍大的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為車輪踏面運行后的磨耗示意圖。
[0021]圖2為本發明基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測裝置的結構圖。
[0022]圖3為本發明城軌車輛車輪不圓度檢測裝置中鋼軌切換處的示意圖。
[0023]圖4為本發明鋼軌偏移的距離Q與護軌的尺寸剖面示意圖。
[0024]圖5為實施例1中激光傳感器直線垂直安裝的車輪不圓度檢測示意圖。
[0025]圖6為實施例1中安裝在車輪進入前端的9個激光傳感器的測量值S隨時間t (ms)的關系。
[0026]圖7為實施例1中某ー時刻探測序列點(Xi, Yi)及其擬合后的圓。
[0027]圖8為實施例1中所有有效測量數據值擬合所得到的全部直徑。
[0028]圖9為實施例1中M=50mm范圍內求均值計算后的直徑點數。
[0029]圖10為實施例1中重復測量20次不圓度所得結果示意圖。[0030]圖11為實施例2中激光傳感器直線傾斜安裝的車輪不圓度檢測示意圖。
[0031]圖12為實施例2中安裝在車輪進入前端的9個激光傳感器的測量值S隨時間t (ms)的關系。
[0032]圖13為實施例2中某ー時刻探測序列點(Xi, Yi)及其擬合后的圓。
[0033]圖14為實施例2中所有有效測量數據值擬合所得到的全部直徑。
[0034]圖15為實施例2中M=50mm范圍內求均值計算后的直徑點數。
[0035]圖16為實施例2中重復測量20次不圓度所得結果示意圖。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖及具體實施例對本發明作進ー步詳細說明。
[0037]圖1中表示出了某車輪運行過后的踏面形狀與剛投入運行時踏面形狀，可以看出距離輪緣側面處70_為磨耗集中處，該處為工程中常用的衡量直徑所在位置，而車輪直徑往往控制在770?840_之間，故激光傳感器探測點選取為該處的車輪圓周。
[0038]本發明基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測裝置，包括中央處理單元和多個激光傳感器，所述激光傳感器均與中央處理單元連接；檢測區段的鋼軌向外偏移，且該檢測區段的鋼軌內側設置護軌，護軌與車輪輪緣內側相切；激光傳感器設置于鋼軌偏移所空出的區域與護軌之間，激光傳感器的探頭沿鋼軌方向排列且均位于車輪下方，所有激光傳感器與進行不圓度測量的車輪圓周共面。
[0039]如圖2所示，在檢測區段將鋼軌6外偏，空出一定區域，將激光傳感器探頭3安裝在車輪I的測量點下方，在輪緣內側設置護軌5以防止輪對蛇行或軸向竄動造成脫軌，激光傳感器探頭3通過傳感器夾具4固定，并可以調整激光傳感器探頭3的位置和傾角，各個激光傳感器探頭3發出的激光光束2能夠同時檢測到車輪上的對應檢測點。
[0040]如圖3所示，鋼軌向外偏移的切換處為弧形，有利于列車進入和退出探測區。圖4說明了鋼軌向外偏移的具體尺寸Q，針對車輪踏面和60軌，Q控制在50?65mm之間，使得軌道中心線不超出車輪的外緣。護軌高出輪緣的尺寸P，控制在30?50mm之間。進行直徑測量的車輪圓周距離車輪輪緣側面的距離為70mm。
[0041]由于待測的車輪與軌道長期接觸，表面光滑粗糙度低，因此涉及到利用激光掃描測頭對鏡面反射很強的金屬曲面進行輪廓測量，該被測對象是目前形貌測量領域的ー個難點。張良等分析了現有的幾種激光測頭對金屬表面的測量能力，得出了錐光偏振全息探頭和斜射式三角探頭較適合測量金屬曲面(張良，費致根，郭俊杰.激光掃描測頭對金屬曲面測量研究，機床與液壓，第39卷第9期:2011年5月)。故本發明涉及的激光傳感器，優選錐光偏振全息探頭和斜射式三角探頭，激光傳感器的數量為6?30且所有激光傳感器的探頭通過傳感器夾具固定于車輪下方。
[0042]使用上述基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測裝置進行車輪不圓度檢測的方法，包括以下步驟:
[0043]第I歩，將各激光傳感器安裝于鋼軌偏移所空出的區域，使各個激光傳感器的探頭沿鋼軌方向排列且均位于車輪下方，所有激光傳感器與進行直徑測量的車輪圓周共面，激光傳感器記為Pi,沿著鋼軌方向i依次為1，2，...n，n為激光傳感器的個數；
[0044]第2步，在進行不圓度測量的車輪圓周所在平面上建立ニ維坐標系:沿鋼軌方向為X軸，經過第一個激光傳感器P1且垂直于鋼軌向上為Y軸，則激光傳感器的坐標為(Xi,Yi)，各個激光傳感器探頭相對于X軸的安裝傾角為0 i ；
[0045]第I歩，將各激光傳感器安裝于鋼軌偏移所空出的區域，使各個激光傳感器的探頭沿鋼軌方向排列且均位于車輪下方，所有激光傳感器與進行直徑測量的車輪圓周共面，激光傳感器記為P1，沿著鋼軌方向i依次為1，2…n，n為激光傳感器的個數；
[0046]第2步，在進行不圓度測量的車輪圓周所在平面上建立二維坐標系:沿鋼軌方向為X軸，經過第一個激光傳感器P1且垂直于鋼軌向上為Y軸，則激光傳感器的坐標為(Xi，Yi)，各個激光傳感器探頭相對于X軸的安裝傾角為0 i ；
[0047]第3步，采集所有激光傳感器的輸出值，并選出同時有6個及以上傳感器輸出值的有效數據組{sit}，Sit為第i個傳感器Pi在第t時刻的輸出值，i=l,2-n ；
[0048]第4歩，計算車輪經過探測區的速度:
[0049]v=D/t
[0050]其中D為兩個垂直向上探測的傳感器Pj與傳感器Pk的安裝距離，fztk-tp tj為第j個傳感器Pj輸出最小值的時刻，tk為第k個傳感器Pk輸出最小值的時刻，在探測區間內為勻速；
[0051]第5步，根據傳感器Pi的輸出值S1.坐標值(Xi，yi)、安裝傾角定車輪上對應傳感器Pi的測量點坐標(X^Yi):
[0052](Xi, Yi) = (Xi, Yi) + (SiXcos 0 SiXsin 0 ) i = l,2...n
[0053]第6步，根據車輪上n個測量點坐標(Xi, Yi)進行擬合圓，得到該測量位置的車輪直徑D ;采用最小二乗法進行擬合圓，公式如下:
【權利要求】
1.ー種基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測裝置，其特征在于，包括中央處理単元和多個激光傳感器，所述激光傳感器均與中央處理單元連接；檢測區段的鋼軌向外偏移，且該檢測區段的鋼軌內側設置護軌，護軌與車輪輪緣內側相切；激光傳感器設置于鋼軌偏移所空出的區域與護軌之間，激光傳感器的探頭沿鋼軌方向排列且均位于車輪下方，所有激光傳感器與進行不圓度測量的車輪圓周共面。
2.根據權利要求1所述的基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測裝置，其特征在于，所述檢測區段為2500~3000mm，檢測區段鋼軌向外偏移50~65mm，且該鋼軌向外偏移的切換處為弧形。
3.根據權利要求1所述的基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測裝置，其特征在于，所述進行不圓度測量的車輪圓周距離車輪輪緣側面的距離為70mm。
4.根據權利要求1所述的基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測裝置，其特征在于，所述激光傳感器的數量為n且6 < n < 30。
5.根據權利要求1所述的基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測裝置，其特征在干，所述激光傳感器的探頭為錐光偏振全息探頭或斜射式三角探頭，且所有激光傳感器的探頭通過傳感器夾具固定于車輪下方。
6.ー種基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: 第I歩，將各激光傳感器安裝于鋼軌偏移所空出的區域，使各個激光傳感器的探頭沿鋼軌方向排列且均位于車輪下方，所有激光傳感器與進行直徑測量的車輪圓周共面，激光傳感器記為Pi,沿著鋼軌方向i依次為1，2，...n，n為激光傳感器的個數； 第2步，在進行不圓度測量的車輪圓周所在平面上建立二維坐標系:沿鋼軌方向為X軸，經過第一個激光傳感器P1且垂直于鋼軌向上為Y軸，則激光傳感器的坐標為(Xi，Yi)，各個激光傳感器探頭相對于X軸的安裝傾角為0 i ； 第3步，采集所有激光傳感器的輸出值，并選出同時有6個及以上傳感器輸出值的有效數據組{Sit}，Sit為第i個傳感器Pi在第t時刻的輸出值，i = 1，2，? ? ? n ; 第4步，計算車輪經過探測區的速度: v=D/1 其中D為兩個垂直向上探測的傳感器Pj與傳感器Pk的安裝距離，tztk-tp tj為第j個傳感器Pj輸出最小值的時刻，tk為第k個傳感器Pk輸出最小值的時刻，在探測區間內為勻速； 第5步，根據傳感器Pi的輸出值S1.坐標值(Xi，Yi)、安裝傾角e i確定車輪上對應傳感器Pi的測量點坐標(Xi, Yi):
(Xi, Yi) = (Xi, Y1) + (Si X cos 0 i, Si X sin 0 i) i = I, 2...n 第6步，根據車輪上n個測量點坐標(XpYi)進行擬合圓，得到該測量位置的車輪直徑D ； 第I步，重復第5~6歩，對傳感器多次采集得到的有效數據組{Sit}進行測量點坐標計算與擬合得到一系列不同測量位置的車輪直徑，以時間間隔At=M/v為單位，依次對At時間范圍內測得的車輪直徑取平均值;M取30~60mm ；v為車輪經過探測區的速度； 第8歩，將步驟6得到的車輪直徑平均值中的最大值減去最小值，得到車輪不圓度的量化值E。
7.根據權利要求6所述的基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測方法，其特征在于，第6步所述根據車輪上n個測量點坐標(XpYi)進行擬合圓，采用最小二乗法，公式如下:
【文檔編號】B61K9/12GK103587549SQ201310556634
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月11日 優先權日:2013年11月11日
【發明者】邢宗義, 張永, 陳岳劍 申請人:南京理工大學