基于激光位移傳感器的車輪不圓度檢測裝置及方法與流程
本發明涉及有軌電車車輪檢測技術領域，特別是一種基于激光位移傳感器的車輪不圓度檢測裝置及方法。
背景技術：
有軌電車車輪是保障車輛行走的重要的部件，承載著有軌電車的全部靜、動載荷。車輪在長期的運行中與軌道不斷摩擦，會產生不同程度的磨耗，進而改變車輪的直徑參數。當電車運行時，如果車輪的同軸徑差、同架徑差、同車徑差超過一定范圍，容易造成車輪擦傷、輪緣偏磨、車體振動異常等現象，甚至導致電車車軸斷裂、側翻、脫軌等事故。因此，及時有效檢測出車輪不圓度異常情況，對保障有軌電車的安全運行具有重要意義。
首先，由于有軌電車車輪附近存在排障器、噴砂管磁軌制動器等遮擋物，其次有軌電車車輪在運行中輪緣幾乎100％接地并可以承重，使得通常的直徑測量方法無法完全適用于有軌電車。列車車輪直徑檢測的方法主要可以分為靜態檢測和動態檢測。目前，有軌電車的車輪直徑測量基本采用的是靜態檢測方法，該方法具有精度高的優點。但需要投入大量的人力和使用專用的檢測設備，具有成本高、周轉時間長、勞動強度大等缺點。
目前車輪不圓度的檢測主要采用接觸式測量法和激光法，在接觸式測量方法中，較為經典的是平行四邊形法，專利1(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(一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測量方法及其改進方法。該方法中位移傳感器與固定在構成平行四邊形機構一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，通過傳感器輸出的曲線可得出車輪的不圓度情況。但是該方法采用了接觸式測量，只是定性的分析了車輪的不圓度，沒有定量進行分析，同時也不適合于列車高速通過的情況，精確度低，響應速度慢。專利3(基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測裝置及方法，申請號：201310556634.0，申請日：2013.11.11)公開了一種將一維激光位移傳感器設置在鋼軌偏移所空出的區域與護軌之間，非接觸檢測地鐵車輪不圓度的方法，該方法采用一維激光位移傳感器，檢測點數較少，很難完整反映車輪整體圓周，同時該方法由于設置護軌，若在穩定運營路線上使用該方法，需要重新設置軌道布局，因此該方法不適用于有軌電車的車輪不圓度測量。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種速度快、精度高、抗干擾性強的基于激光位移傳感器的車輪不圓度檢測裝置及方法，從而對有軌電車的車輪不圓度進行在線非接觸式測量。
實現本發明目的的技術解決方案為：一種基于激光位移傳感器的車輪不圓度檢測裝置，包括槽型鋼軌、處理中心和多個激光位移傳感器，其中：激光位移傳感器與處理中心連接；槽型鋼軌為只保留凹槽部分的鋼軌；槽型鋼軌外側順次設置多個激光位移傳感器；各激光位移傳感器的感測頭沿槽型鋼軌方向排列在車輪下方的同一水平線上，且均沿著槽型鋼軌向上測量，探測光束同時入射至車輪邊緣，且探測光束所形成的平面與車輪直徑所在的圓周共面。
一種基于激光位移傳感器的車輪不圓度檢測方法，包括以下步驟：
步驟1，將激光位移傳感器記為qi，沿著鋼軌方向i依次為1，2,3，…n，其中n為激光位移傳感器的個數；
步驟2，在進行不圓度測量的有軌電車車輪圓周所在平面上建立二維坐標系xoy：以最外側激光位移傳感器q1為原點，沿鋼軌方向為x軸，垂直于槽型鋼軌向上為y軸，最外側激光位移傳感器的坐標為(0，0)，其他激光位移傳感器的坐標為(xi,yi)，各個激光位移傳感器感測頭相對于x軸安裝傾角為αi；
步驟3，采集所有激光位移傳感器的輸出值，并選出每一時刻同時有10個及以上激光位移傳感器輸出值的有效數據組
步驟4，坐標變換：為每個激光位移傳感器qi建立二維坐標系xioiyi，以經過各自激光位移傳感器qi感測頭為原點，沿鋼軌方向為x軸，垂直于槽型鋼軌向上為y軸；根據激光位移傳感器qi的輸出值
其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10，t＝1,2,…ω，ω為時刻總數；
步驟5，數據融合：根據激光位移傳感器qi的測量點在各自二維坐標系xioiyi下坐標
其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10，t＝1,2,…ω；
步驟6，將車輪上某一時刻所有有效測量點坐標
步驟7，重復步驟6得到的各個時刻車輪不同位置擬合直徑dtμ，用所有車輪擬合直徑dtμ中的最大值減去最小值，得到車輪不圓度e。
本發明與現有技術相比，其顯著優點在于：(1)基于二維激光位移傳感器的檢測系統，實現了有軌電車輪對非接觸式測量，具有激光位移傳感器標記容易、有效測量點多、測量直徑范圍大的優點；(2)采用槽型鋼軌，便于激光位移傳感器的安裝和測量；(3)檢測精度高，響應速度快。
附圖說明
圖1為有軌電車車輪踏面示意圖。
圖2為60r槽型鋼軌與經過特殊處理的槽型鋼軌對比示意圖，其中(a)為60r槽型鋼軌結構圖，(b)為經過處理的槽型鋼軌結構圖。
圖3為本發明的有軌電車車輪直徑在線檢測的裝置整體結構圖。
圖4為本發明的有軌電車車輪直徑在線檢測的裝置俯視圖。
圖5為本發明的有軌電車車輪直徑在線檢測的裝置主視圖。
圖6為本發明的有軌電車車輪直徑在線檢測的裝置側視圖。
圖7為本發明基于激光位移傳感器的車輪不圓度檢測方法的流程圖。
圖8為實施例中隨機生成的各激光位移傳感器測量點的分布示意圖。
圖9為實施例中為有效測量數據點的區域分段分布示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
圖1中表示出了有軌電車車輪踏面示意圖，可以看出距離輪緣內測基準面57mm處踏面上的點為磨耗集中處，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520-600mm之間，故激光位移傳感器進行探測時選取該處的圓周來計算車輪不圓度。
本發明基于激光位移傳感器的車輪不圓度檢測裝置，包括槽型鋼軌、處理中心和多個激光位移傳感器，其中：激光位移傳感器與處理中心連接；槽型鋼軌為只保留凹槽部分的鋼軌；槽型鋼軌外側順次設置多個激光位移傳感器；各激光位移傳感器的感測頭沿槽型鋼軌方向排列在車輪下方的同一水平線上，且均沿著槽型鋼軌向上測量，探測光束同時入射至車輪邊緣，且探測光束所形成的平面與車輪直徑所在的圓周共面。
如圖2所示，其中(a)為60r槽型鋼軌結構圖，(b)為經過處理的槽型鋼軌結構圖，本發明檢測區間段軌道為經過特殊處理的槽型鋼軌，槽型鋼軌的型號為60r，且只保留凹槽部分。進行不圓度測量的車輪圓周距離車輪輪緣內側面的距離為57mm。所述的激光位移傳感器為二維激光位移傳感器，激光位移傳感器的數量為n，且8≤n≤25；檢測區間段的水平線長度為l，且1900mm≤l≤2500mm。如圖3～6所示，所述激光位移傳感器安裝在槽型鋼軌外側，并位于同一水平線上，激光位移傳感器安裝點距離槽型鋼軌上沿平面的垂直距離為h，且160mm≤h≤290mm。
所述激光位移傳感器感測頭沿槽型鋼軌，按相對于鋼軌方向傾角為αi安裝，且能夠使探測光束同時入射至車輪邊緣，沿著鋼軌方向i依次為1，2,3，…n，其中n為激光位移傳感器的個數；發出的探測光束所形成的平面與車輪直徑所在圓周，即距輪緣內測基準面57mm處踏面上的點所在的圓周共面，且所有激光位移傳感器的感測頭均通過激光位移傳感器夾具固定在車輪下方。
結合圖7，本發明基于激光位移傳感器的車輪不圓度檢測方法，包括以下步驟：
步驟1，將各激光位移傳感器安裝于經過特殊處理的槽型鋼軌的外側，使各個激光位移傳感器的感測頭沿鋼軌方向排列，所有的激光位移傳感器與進行不圓度測量的有軌電車的車輪圓周共面，將激光位移傳感器記為qi，沿著鋼軌方向i依次為1，2,3，…n，其中n為激光位移傳感器的個數；
步驟2，在進行不圓度測量的有軌電車車輪圓周所在平面上建立二維坐標系xoy：以最外側激光位移傳感器q1為原點，沿鋼軌方向為x軸，垂直于槽型鋼軌向上為y軸，最外側激光位移傳感器的坐標為(0，0)，其他激光位移傳感器的坐標為(xi,yi)，各個激光位移傳感器感測頭相對于x軸安裝傾角為αi；
步驟3，采集所有激光位移傳感器的輸出值，并選出每一時刻同時有10個及以上激光位移傳感器輸出值的有效數據組
步驟4，坐標變換：為每個激光位移傳感器qi建立二維坐標系xioiyi，以經過各自激光位移傳感器qi感測頭為原點，沿鋼軌方向為x軸，垂直于槽型鋼軌向上為y軸；根據激光位移傳感器qi的輸出值
其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10，t＝1,2,…ω，ω為時刻總數；
步驟5，數據融合：根據激光位移傳感器qi的測量點在各自二維坐標系xioiyi下坐標
其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10，t＝1,2,…ω；
步驟6，將車輪上某一時刻所有有效測量點坐標
所述利用最小二乘法進行擬合圓，公式如下：
其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10，t＝1,2,…ω，a為擬合后的圓心橫坐標xa的-2倍即a＝-2xa，b為擬合后的圓心縱坐標yb的-2倍即b＝-2yb，并且
其中c、d、e、g、h為中間參數，分別如下：
其中，λ為所有傳感器有效測量點的個數，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10。
步驟7，重復步驟6得到的各個時刻車輪不同位置擬合直徑dtμ，用所有車輪擬合直徑dtμ中的最大值減去最小值，得到車輪不圓度e。
下面結合具體實施例，介紹一種基于激光位移傳感器的有軌電車車輪不圓度檢測裝置及方法，對本發明作進一步詳細說明。
實施例1
本實施例為一種基于激光位移傳感器的有軌電車車輪不圓度檢測裝置及方法。
如圖3～6所示，n個激光位移傳感器的感測頭沿鋼軌方向排列且均布在水平線上，激光位移傳感器的安裝參數滿足以下條件：各個激光位移傳感器感測頭相對于x軸按一定傾斜角度安裝。本例中，安裝傾角為：
α＝[75°90°90°90°90°90°90°105°]
激光位移傳感器的個數n為8，相鄰激光位移傳感器間隔250mm，激光位移傳感器的安裝點至鋼軌的垂直距離為h為200mm。從而得到各激光位移傳感器的坐標(xi,yi)(單位：mm)：
xi＝200*(i-1)i＝1,2,…8；
yi＝0i＝1,2,…8；
其中i表示第i個傳感器；
設激光位移傳感器的采樣周期為0.5khz，由計算機模擬隨機產生直徑為550的被測車輪測量數據(xij,yij)。
如圖8所示，某一時刻，激光位移傳感器q1～激光位移傳感器q5存在有效測量點。
最終激光位移傳感器q1的測量點在融合坐標系xoy下坐標如下：橫坐標矩陣：x1＝[138.0994125.2008112.7259101.494390.0389580.1242169.6190660.0873249.8146441.8532134.8332127.3458322.4769816.42967]；縱坐標矩陣：y1＝[236.337243.5816252.1439261.6048271.2846280.9228291.6423302.9848315.5433327.1376340.4631353.0901366.4152380.4783]。
激光位移傳感器q2的測量點在融合坐標系下坐標如下：橫坐標矩陣：x2＝[251.4508239.8063227.058215.2171204.212192.0098179.9517170.2668158.3085148.5071137.7742127.1628117.0999106.771598.43018]；縱坐標矩陣：y2＝[200.346201.8035203.7641206.4511208.481211.8392216.4891220.0095225.2007230.4713235.8655242.2146249.0297256.0811263.6588]。
激光位移傳感器q3的測量點在融合坐標系下坐標如下：橫坐標矩陣：x3＝[390.4849377.4566366.0028351.2474337.8762324.594309.6853296.5137281.6569268.7323252.9984240.3939225.1773212.6053199.1483184.9356171.29157.9989]；縱坐標矩陣：y3＝[225.0483219.9544215.1182210.0685207.276203.6643201.8624199.9999199.9274199.2307199.9881201.3054204.2048206.4874210.3229214.3256219.4771225.2903]。
激光位移傳感器q4的測量點在融合坐標系下坐標如下：橫坐標矩陣：x4＝[485.0562477.4664468.6174459.3549450.0922440.3105429.0358418.2091407.7516397.0141385.7393373.9785360.9984348.7145336.2589323.2355]；縱坐標矩陣：y4＝[297.8949288.1996279.4375270.0513261.5372254.6227246.4554240.0373233.8868227.8283222.6121217.8308213.4398210.0652206.2479204.3707]。
激光位移傳感器q5的測量點在融合坐標系下坐標如下：橫坐標矩陣：x5＝[532.9836529.3612523.8448520.3612514.6956509.0764503.4206495.8326490.0206482.0089475.3759467.34458.6547]；縱坐標矩陣：y5＝[380.1064369.9959360.0472348.9473339.4821329.8887320.0862310.5687302.1846293.4838285.1384277.4185269.2872]。
如圖9所示，將上述數據坐標測量點，按空間位置以相同點數均分為8段，其中分段區域5的數據為：橫坐標矩陣：x′5＝[280.4504280.5339280.8158288.3346294.2479294.8513300.6171306.599309.303314.4261321.8683324.6659]；縱坐標矩陣：y′5＝[199.4701199.3029199.6671199.3972199.9434200.0203200.3333201.1051200.7344201.4479202.5601202.7153]。
使用最小二乘法對分段區域5的測量點進行擬合，得到直徑為550.461，同理得到其他分段區域的測量點擬合得到圓周直徑。該時刻的多組直徑值如下：
dt＝[550.234550.621550.378550.145550.461550.329550.459550.416]
最后得到所有時刻車輪不同的位置的擬合圓周直徑，其中最大直徑dmin＝550.012、dmax＝550.789，用最大直徑減去最小直徑，得到車輪不圓度的量化值e＝0.777。
綜上所述，一種基于激光位移傳感器的有軌電車車輪不圓度在線檢測的裝置及方法，通過最小二乘擬合的算法，分段擬合多個傳感器同一時刻車輪不同位置的圓周直徑，具有速度快、精度高、測量直徑范圍大、在線非接觸式測量、抗干擾強等優點。
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