傳感器直接測(cè)量的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種傳感器直接測(cè)量的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)裝置及方法。該裝置包括中央處理單元和多個(gè)激光傳感器，所述激光傳感器均與中央處理單元連接；檢測(cè)區(qū)段的鋼軌向外偏移，且該檢測(cè)區(qū)段的鋼軌內(nèi)側(cè)設(shè)置護(hù)軌；激光傳感器設(shè)置于鋼軌偏移所空出的區(qū)域與護(hù)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(jìn)行不圓度測(cè)量的車輪圓周共面。該方法使用多個(gè)激光傳感器，將其按照一定幾何關(guān)系安裝在車輪下方，選取車輪經(jīng)過(guò)每個(gè)傳感器測(cè)量范圍內(nèi)的探測(cè)點(diǎn)，通過(guò)最小二乘擬合得到每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)測(cè)量的直徑，而后用最大值減去最小值得到車輪不圓度。本發(fā)明在線非接觸式測(cè)量具有速度快、精度高、測(cè)量直徑范圍大的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】傳感器直接測(cè)量的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鉄路車輪檢測(cè)領(lǐng)域，特別是一種傳感器直接測(cè)量的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]城軌車輛在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨耗，磨耗對(duì)車輪安全運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生影響，而其中磨耗不均勻?qū)е碌能囕喬っ娑噙呅斡葹橹匾鼘?duì)列車的運(yùn)行安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅，使機(jī)車車輛對(duì)線路和自身的動(dòng)力作用大大加大，同時(shí)還會(huì)帶來(lái)附加的振動(dòng)和沖擊，降低機(jī)車車輛的臨界速度，使得列車的平穩(wěn)性和舒適性變差。因此對(duì)車輪踏面的不圓度測(cè)量對(duì)列車安全運(yùn)行有著重要意義。
[0003]車輪圓度的檢測(cè)方法主要分為靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，靜態(tài)檢測(cè)需要在列車停止或車輪拆卸的情況下進(jìn)行，不僅占用列車的周轉(zhuǎn)時(shí)間，且速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度大；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輪對(duì)的在線監(jiān)測(cè)，而且自動(dòng)化程度高，不占用車輛周轉(zhuǎn)時(shí)間，便于存儲(chǔ)信息資料，目前采用的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)不圓度方法有振動(dòng)加速度檢測(cè)法和接觸測(cè)量法:
[0004]振動(dòng)加速度檢測(cè)法通過(guò)分析采集的整列列車經(jīng)過(guò)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)軌道的振動(dòng)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(dòng)衰減的影響，測(cè)量精確度不高。接觸測(cè)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(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置，申請(qǐng)?zhí)?200720082608.9，申請(qǐng)日:2007-12-20)和專利2 (—種車輪踏面插傷和不圓度在線檢測(cè)裝置，申請(qǐng)?zhí)?201210307496.8，申請(qǐng)日:2012-08-27)均公開(kāi)了平行四邊形結(jié)構(gòu)的在線測(cè)量方法及其改進(jìn)，該方法中位移傳感器與固定在構(gòu)成平行四邊形機(jī)構(gòu)ー邊的鋼軌上的支座相連，傳感器可直接測(cè)量出車輪踏面與輪緣的相對(duì)高度的變化量，位移傳感器記錄整個(gè)踏面圓周的直徑情況，當(dāng)踏面不圓時(shí)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(cè)量，不適合于列車高速通過(guò)的情況，并且存在測(cè)量響應(yīng)速度慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)壽命低、工程實(shí)施困難等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供ー種高精度的傳感器直接測(cè)量的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)裝置，采用非接觸式測(cè)量，檢測(cè)速度快、測(cè)量范國(guó)大。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種傳感器直接測(cè)量的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)裝置，包括中央處理單元和多個(gè)激光傳感器，所述激光傳感器均與中央處理單元連接；檢測(cè)區(qū)段的鋼軌向外偏移，且該檢測(cè)區(qū)段的鋼軌內(nèi)側(cè)設(shè)置護(hù)軌，護(hù)軌與車輪輪緣內(nèi)側(cè)相切；激光傳感器設(shè)置于鋼軌偏移所空出的區(qū)域與護(hù)軌之間，激光傳感器的探頭沿鋼軌方向排列且分布在水平線上，各激光傳感器的探測(cè)光束垂直鋼軌向上，所有激光傳感器與進(jìn)行不圓度測(cè)量的車輪圓周共面。
[0007]—種傳感器直接測(cè)量的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)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(qū)域，使各個(gè)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(jìn)行直徑測(cè)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(gè)數(shù)；
[0009]第2步，在進(jìn)行直徑測(cè)量的車輪圓周所在平面上建立二維坐標(biāo)系:沿鋼軌方向?yàn)閄軸，經(jīng)過(guò)第一個(gè)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(biāo)為(Xi，Yi)，各個(gè)激光傳感器探頭相對(duì)于X軸的安裝傾角為90° ;
[0010]第3步，采集所有激光傳感器的輸出值，并選出有個(gè)傳感器輸出的有效數(shù)據(jù)組{SJ，Si為第i個(gè)傳感器Pi的輸出值，i = 1，2，? ? ? n ;
[0011]第4步:確定列車經(jīng)過(guò)各個(gè)傳感器P的速度:
[0012]Vi = (I1Zt1
[0013]其中=(tp1-tpH)/2+(tpi+1-tpi)/2,tpi 為第 i 個(gè)傳感器Pi輸出最小值的時(shí)刻，tpi+1為第i+1個(gè)傳感器Pi+1輸出最小值的時(shí)刻，tpi_!為第1-1個(gè)傳感器Pm輸出最小值的時(shí)刻，并假定在該傳感器P區(qū)間內(nèi)為勻速；
[0014]第5步，根據(jù)傳感器Pi的輸出值S1.坐標(biāo)值(Xi，Yi)確定車輪上對(duì)應(yīng)傳感器Pi的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)，并以t為時(shí)間軸，遴選出該車輪經(jīng)過(guò)傳感器Pjij量范圍內(nèi)的點(diǎn)坐標(biāo)(Xit，Yit):
[0015](XitlYit) = (xi； yi) + (tvi/f, Sit) i = l，2~n t = 1，2...[0016]其中:i表示第i個(gè)傳感器；t為采樣時(shí)刻ば為采樣周期；Vi為車輪經(jīng)過(guò)傳感器Pi的速度；
[0017]第6步，根據(jù)序列點(diǎn)(Xit，Yit)進(jìn)行擬合圓，得到傳感器Pi對(duì)應(yīng)的車輪直徑Di ；
[0018]第7歩，重復(fù)第5~6 歩，對(duì)各個(gè)感器采集得到的有效數(shù)據(jù)組Si進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算與擬合得到n個(gè)車輪直徑，將n個(gè)傳感器擬合后得到的n個(gè)直徑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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于:(I)基于激光檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)最小二乘擬合的算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車車輪在線非接觸測(cè)量，測(cè)量精度高；(2)由激光傳感器自動(dòng)獲取車輪任意多點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)相應(yīng)數(shù)據(jù)處理算法，獲得當(dāng)下所測(cè)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(biāo)，操作簡(jiǎn)單、方便快捷；(3)自動(dòng)獲取車輪經(jīng)過(guò)時(shí)的速度；(4)具有檢測(cè)速度快、測(cè)量范圍大的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為車輪踏面運(yùn)行后的磨耗示意圖。
[0021]圖2為本發(fā)明傳感器直接測(cè)量的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖3為本發(fā)明城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)裝置中鋼軌切換處的示意圖。
[0023]圖4為本發(fā)明鋼軌偏移的距離Q與護(hù)軌的尺寸破面示意圖。
[0024]圖5為實(shí)施例中激光傳感器直線垂直安裝的車輪不圓度檢測(cè)示意圖。
[0025]圖6為實(shí)施例中9個(gè)激光傳感器的測(cè)量值S隨時(shí)間t (ms)的關(guān)系。
[0026]圖7為實(shí)施例中某個(gè)傳感器測(cè)量點(diǎn)的輸出(Xit，Yit)及其擬合后的圓。
[0027]圖8為實(shí)施例中重復(fù)測(cè)量20次不圓度所得結(jié)果示意圖。【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)說(shuō)明。
[0029]圖1中表示出了某車輪運(yùn)行過(guò)后的踏面形狀與剛投入運(yùn)行時(shí)踏面形狀，可以看出距離輪緣側(cè)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(cè)點(diǎn)選取為該處的車輪圓周。
[0030]本發(fā)明基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)裝置，包括中央處理單元和多個(gè)激光傳感器，所述激光傳感器均與中央處理單元連接；檢測(cè)區(qū)段的鋼軌向外偏移，且該檢測(cè)區(qū)段的鋼軌內(nèi)側(cè)設(shè)置護(hù)軌，護(hù)軌與車輪輪緣內(nèi)側(cè)相切；激光傳感器設(shè)置于鋼軌偏移所空出的區(qū)域與護(hù)軌之間，激光傳感器的探頭沿鋼軌方向排列且分布在水平線上，各激光傳感器的探測(cè)光束垂直鋼軌向上，所有激光傳感器與進(jìn)行不圓度測(cè)量的車輪圓周共面。
[0031]如圖2所示，在檢測(cè)區(qū)段將鋼軌6外偏，空出一定區(qū)域，將激光傳感器探頭3安裝在車輪I的測(cè)量點(diǎn)下方，在輪緣內(nèi)側(cè)設(shè)置護(hù)軌5以防止輪對(duì)蛇行或軸向竄動(dòng)造成脫軌，激光傳感器探頭3通過(guò)傳感器夾具4固定，并可以調(diào)整激光傳感器探頭3的位置和傾角，各個(gè)激光傳感器探頭3發(fā)出的激光光束2能夠同時(shí)檢測(cè)到車輪上的對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)。
[0032]如圖3所示，鋼軌向外偏移的切換處為弧形，有利于列車進(jìn)入和退出探測(cè)區(qū)。圖4說(shuō)明了鋼軌向外偏移的具體尺寸Q，針對(duì)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(hù)軌高出輪緣的尺寸P，控制在30~50mm之間。進(jìn)行直徑測(cè)量的車輪圓周距離車輪 輪緣側(cè)面的距離為70mm。
[0033]由于待測(cè)的車輪與軌道長(zhǎng)期接觸，表面光滑粗糙度低，因此涉及到利用激光掃描測(cè)頭對(duì)鏡面反射很強(qiáng)的金屬曲面進(jìn)行輪廓測(cè)量，該被測(cè)對(duì)象是目前形貌測(cè)量領(lǐng)域的ー個(gè)難點(diǎn)。張良等分析了現(xiàn)有的幾種激光測(cè)頭對(duì)金屬表面的測(cè)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(cè)量金屬曲面(張良，費(fèi)致根，郭俊杰.激光掃描測(cè)頭對(duì)金屬曲面測(cè)量研究，機(jī)床與液壓，第39卷第9期:2011年5月)。故本發(fā)明涉及的激光傳感器，優(yōu)選錐光偏振全息探頭和斜射式三角探頭，激光傳感器的數(shù)量為3~20且所有激光傳感器的探頭通過(guò)傳感器夾具固定于車輪下方。
[0034]使用上述傳感器直接測(cè)量的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)裝置進(jìn)行車輪不圓度檢測(cè)的方法，包括以下步驟:
[0035]第I歩，將各激光傳感器安裝于鋼軌偏移所空出的區(qū)域，使各個(gè)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(jìn)行直徑測(cè)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(gè)數(shù)；
[0036]第2步，在進(jìn)行直徑測(cè)量的車輪圓周所在平面上建立二維坐標(biāo)系:沿鋼軌方向?yàn)閄軸，經(jīng)過(guò)第一個(gè)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(biāo)為(Xi，Yi)，各個(gè)激光傳感器探頭相對(duì)于X軸的安裝傾角為90° ;
[0037]第3步，采集所有激光傳感器的輸出值，并選出有個(gè)傳感器輸出的有效數(shù)據(jù)組{SJ，Si為第i個(gè)傳感器Pi的輸出值，i = 1，2，? ? ? n ;
[0038]第4步:確定列車經(jīng)過(guò)各個(gè)傳感器P的速度:
[0039]Vi = Cli/tj
[0040]其中=為第 i 個(gè)傳感器Pi輸出最小值的時(shí)刻，tpi+1為第i+1個(gè)傳感器Pi+1輸出最小值的時(shí)刻，tpi_!為第1-1個(gè)傳感器Pm輸出最小值的時(shí)刻，并假定在該傳感器P區(qū)間內(nèi)為勻速；
[0041]第5步，根據(jù)傳感器Pi的輸出值S1.坐標(biāo)值(Xi，Yi)確定車輪上對(duì)應(yīng)傳感器Pi的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)，并以t為時(shí)間軸，遴選出該車輪經(jīng)過(guò)傳感器PjiJ量范圍
【權(quán)利要求】
1.一種傳感器直接測(cè)量的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)裝置，其特征在于，包括中央處理単元和多個(gè)激光傳感器，所述激光傳感器均與中央處理單元連接；檢測(cè)區(qū)段的鋼軌向外偏移，且該檢測(cè)區(qū)段的鋼軌內(nèi)側(cè)設(shè)置護(hù)軌，護(hù)軌與車輪輪緣內(nèi)側(cè)相切；激光傳感器設(shè)置于鋼軌偏移所空出的區(qū)域與護(hù)軌之間，激光傳感器的探頭沿鋼軌方向排列且分布在水平線上，各激光傳感器的探測(cè)光束垂直鋼軌向上，所有激光傳感器與進(jìn)行不圓度測(cè)量的車輪圓周共面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器直接測(cè)量的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)裝置，其特征在于，所述檢測(cè)區(qū)段為2500~3000mm，檢測(cè)區(qū)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(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器直接測(cè)量的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)裝置，其特征在于，所述進(jìn)行不圓度測(cè)量的車輪圓周距離車輪輪緣側(cè)面的距離為70mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器直接測(cè)量的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)裝置，其特征在于，所述激光傳感器的數(shù)量為為n且3 < n < 20。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器直接測(cè)量的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)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(guò)傳感器夾具固定于車輪下方。
6.一種傳感器直接測(cè)量的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)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(qū)域，使各個(gè)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(jìn)行直徑測(cè)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(gè)數(shù)； 第2步，在進(jìn)行直徑測(cè)量的車輪圓周所在平面上建立二維坐標(biāo)系:沿鋼軌方向?yàn)閄軸，經(jīng)過(guò)第一個(gè)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(biāo)為(Xi，Yi)，各個(gè)激光傳感器探頭相對(duì)于X軸的安裝傾角為90° ; 第3步，采集所有激光傳感器的輸出值，并選出有個(gè)傳感器輸出的有效數(shù)據(jù)組{SJ，Si為第i個(gè)傳感器Pi的輸出值，i = 1，2，...n ; 第4步:確定列車經(jīng)過(guò)各個(gè)傳感器P的速度:
Vi = dj/ti 其中(Ii= (X1-XiJ/2+(Xw-Xi)^ti =為第 i 個(gè)傳感器 Pi輸出最小值的時(shí)刻，tpi+1為第i+1個(gè)傳感器Pi+1輸出最小值的時(shí)刻，I^1為第1-1個(gè)傳感器P1-!輸出最小值的時(shí)刻，并假定在該傳感器P區(qū)間內(nèi)為勻速； 第5步，根據(jù)傳感器Pi的輸出值S1.坐標(biāo)值(Xi，Yi)確定車輪上對(duì)應(yīng)傳感器Pi的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)，并以t為時(shí)間軸，遴選出該車輪經(jīng)過(guò)傳感器PJlJ量范圍內(nèi)的點(diǎn)坐標(biāo)(Xit, Yit):`
(XitlYit) = (xi； yi) + (tvi/f, Sit) i = l，2~n t = 1，2...其中:i表示第i個(gè)傳感器；t為采樣時(shí)刻ば為采樣周期；Vi為車輪經(jīng)過(guò)傳感器Pi的速度； 第6步，根據(jù)序列點(diǎn)(Xit，Yit)進(jìn)行擬合圓，得到傳感器Pi對(duì)應(yīng)的車輪直徑Di;第I步，重復(fù)第5~6歩，對(duì)各個(gè)感器采集得到的有效數(shù)據(jù)組Si進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算與擬合得到n個(gè)車輪直徑，將n個(gè)傳感器擬合后得到的n個(gè)直徑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(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器直接測(cè)量的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)方法，其特征在于，第6步所述根據(jù)車輪上n個(gè)測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)(XpYi)進(jìn)行擬合圓，采用最小二乗法，公式如下:
【文檔編號(hào)】B61K9/12GK103587548SQ201310556600
【公開(kāi)日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】邢宗義, 張永, 陳岳劍 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)