CN103587549B - 基于激光传感器的城轨车辆车轮不圆度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光传感器的城轨车辆车轮不圆度检测装置及方法。该装置包括中央处理单元和多个激光传感器，所述激光传感器均与中央处理单元连接；检测区段的钢轨向外偏移，且该检测区段的钢轨内侧设置护轨；激光传感器设置于钢轨偏移所空出的区域与护轨之间，激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均位于车轮下方，所有激光传感器与进行不圆度测量的车轮圆周共面。该方法使用多个激光传感器，将其按照一定几何关系安装在车轮下方，传感器同时探测车轮得到探测点，通过最小二乘拟合得到的直径，而后对车轮整个圆周内的直径分段求均值后用最大值减去最小值得到车轮不圆度。本发明在线非接触式测量具有速度快、精度高、测量直径范围大的优点。

Description

基于激光传感器的城轨车辆车轮不圆度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及铁路车轮检测领域，特别是一种基于激光传感器的城轨车辆车轮不圆度检测装置及方法。

背景技术

城轨车辆在运行的过程中会出现不同程度的磨耗，磨耗对车轮安全运行会产生影响，而其中磨耗不均匀导致的车轮踏面多边形尤为重要，它对列车的运行安全性构成严重威胁，使机车车辆对线路和自身的动力作用大大加大，同时还会带来附加的振动和冲击，降低机车车辆的临界速度，使得列车的平稳性和舒适性变差。因此对车轮踏面的不圆度测量对列车安全运行有着重要意义。

车轮圆度的检测方法主要分为静态检测和动态监测，静态检测需要在列车停止或车轮拆卸的情况下进行，不仅占用列车的周转时间，且速度慢，劳动强度大；动态监测不仅可以实现对轮对的在线监测，而且自动化程度高，不占用车辆周转时间，便于存储信息资料，目前采用的动态监测不圆度方法有振动加速度检测法和接触测量法：

振动加速度检测法通过分析采集的整列列车经过检测点时轨道的振动情况，提取车轮的不圆度信息，但是该方法受传感器安装夹具、枕木振动衰减的影响，测量精确度不高。接触测量法典型的为平行四边形法，专利1(升降式车轮踏面插伤及不圆度在线动态检测装置，申请号：200720082608.9，申请日：2007-12-20)和专利2(一种车轮踏面插伤和不圆度在线检测装置，申请号：201210307496.8，申请日：2012-08-27)均公开了平行四边形结构的在线测量方法及其改进。该方法中位移传感器与固定在构成平行四边形机构一边的钢轨上的支座相连，传感器可直接测量出车轮踏面与轮缘的相对高度的变化量，位移传感器记录整个踏面圆周的直径情况，当踏面不圆时传感器即输出曲线从而得出不圆度。但是该方法采用了接触式测量，不适合于列车高速通过的情况，并且存在测量响应速度慢、机械结构寿命低、工程实施困难等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度的基于激光传感器的城轨车辆车轮不圆度检测装置及方法，采用非接触式测量，检测速度快、测量范围大。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于激光传感器的城轨车辆车轮不圆度检测装置，包括中央处理单元和多个激光传感器，所述激光传感器均与中央处理单元连接；检测区段的钢轨向外偏移，且该检测区段的钢轨内侧设置护轨，护轨与车轮轮缘内侧相切；激光传感器设置于钢轨偏移所空出的区域与护轨之间，激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均位于车轮下方，所有激光传感器与进行不圆度测量的车轮圆周共面。

一种基于激光传感器的城轨车辆车轮不圆度检测方法，包括以下步骤：

第1步，将各激光传感器安装于钢轨偏移所空出的区域，使各个激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均位于车轮下方，所有激光传感器与进行直径测量的车轮圆周共面，激光传感器记为P_i，沿着钢轨方向i依次为1,2,...n，n为激光传感器的个数；

第2步，在进行不圆度测量的车轮圆周所在平面上建立二维坐标系：沿钢轨方向为X轴，经过第一个激光传感器P₁且垂直于钢轨向上为Y轴，则激光传感器的坐标为(x_i,y_i)，各个激光传感器探头相对于X轴的安装倾角为θ_i；

第3步，采集所有激光传感器的输出值，并选出同时有6个及以上传感器输出值的有效数据组{S_it}，S_it为第i个传感器P_i在第t时刻的输出值，i＝1,2,...n；

第4步，计算车轮经过探测区的速度：

v＝D/t

其中D为两个垂直向上探测的传感器P_j与传感器P_k的安装距离，t＝t_k-t_j，t_j为第j个传感器P_j输出最小值的时刻，t_k为第k个传感器P_k输出最小值的时刻，在探测区间内为匀速；

第5步，根据传感器P_i的输出值S_i、坐标值(x_i,y_i)、安装倾角θ_i确定车轮上对应传感器P_i的测量点坐标(X_i,Y_i)：

(X_i,Y_i)＝(x_i,y_i)+(S_i×cosθ_i,S_i×sinθ_i)i＝1,2…n

第6步，根据车轮上n个测量点坐标(X_i,Y_i)进行拟合圆，得到该测量位置的车轮直径D；

第7步，重复第5～6步，对传感器多次采集得到的有效数据组{S_it}进行测量点坐标计算与拟合得到一系列不同测量位置的车轮直径，以时间间隔Δt＝M/v为单位，依次对Δt时间范围内测得的车轮直径取平均值；M取30～60mm；v为车轮经过探测区的速度；

第8步，将步骤6得到的车轮直径平均值中的最大值减去最小值，得到车轮不圆度的量化值E。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：(1)基于激光检测系统，通过最小二乘拟合的算法，实现对列车车轮在线非接触测量，测量精度高；(2)由激光传感器自动获取车轮任意多点坐标，通过相应数据处理算法，获得当下所测车轮直径，取直径的最大值减去最小值，得到不圆度的量化指标，操作简单、方便快捷；(3)自动获取车轮经过时的速度；(4)具有检测速度快、测量范围大的优点。

附图说明

图1为车轮踏面运行后的磨耗示意图。

图2为本发明基于激光传感器的城轨车辆车轮不圆度检测装置的结构图。

图3为本发明城轨车辆车轮不圆度检测装置中钢轨切换处的示意图。

图4为本发明钢轨偏移的距离Q与护轨的尺寸剖面示意图。

图5为实施例1中激光传感器直线垂直安装的车轮不圆度检测示意图。

图6为实施例1中安装在车轮进入前端的9个激光传感器的测量值S随时间t(ms)的关系。

图7为实施例1中某一时刻探测序列点(X_i,Y_i)及其拟合后的圆。

图8为实施例1中所有有效测量数据值拟合所得到的全部直径。

图9为实施例1中M＝50mm范围内求均值计算后的直径点数。

图10为实施例1中重复测量20次不圆度所得结果示意图。

图11为实施例2中激光传感器直线倾斜安装的车轮不圆度检测示意图。

图12为实施例2中安装在车轮进入前端的9个激光传感器的测量值S随时间t(ms)的关系。

图13为实施例2中某一时刻探测序列点(X_i,Y_i)及其拟合后的圆。

图14为实施例2中所有有效测量数据值拟合所得到的全部直径。

图15为实施例2中M＝50mm范围内求均值计算后的直径点数。

图16为实施例2中重复测量20次不圆度所得结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1中表示出了某车轮运行过后的踏面形状与刚投入运行时踏面形状，可以看出距离轮缘侧面处70mm为磨耗集中处，该处为工程中常用的衡量直径所在位置，而车轮直径往往控制在770～840mm之间，故激光传感器探测点选取为该处的车轮圆周。

本发明基于激光传感器的城轨车辆车轮不圆度检测装置，包括中央处理单元和多个激光传感器，所述激光传感器均与中央处理单元连接；检测区段的钢轨向外偏移，且该检测区段的钢轨内侧设置护轨，护轨与车轮轮缘内侧相切；激光传感器设置于钢轨偏移所空出的区域与护轨之间，激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均位于车轮下方，所有激光传感器与进行不圆度测量的车轮圆周共面。

如图2所示，在检测区段将钢轨6外偏，空出一定区域，将激光传感器探头3安装在车轮1的测量点下方，在轮缘内侧设置护轨5以防止轮对蛇行或轴向窜动造成脱轨，激光传感器探头3通过传感器夹具4固定，并可以调整激光传感器探头3的位置和倾角，各个激光传感器探头3发出的激光光束2能够同时检测到车轮上的对应检测点。

如图3所示，钢轨向外偏移的切换处为弧形，有利于列车进入和退出探测区。图4说明了钢轨向外偏移的具体尺寸Q，针对车轮踏面和60轨，Q控制在50～65mm之间，使得轨道中心线不超出车轮的外缘。护轨高出轮缘的尺寸P，控制在30～50mm之间。进行直径测量的车轮圆周距离车轮轮缘侧面的距离为70mm。

由于待测的车轮与轨道长期接触，表面光滑粗糙度低，因此涉及到利用激光扫描测头对镜面反射很强的金属曲面进行轮廓测量，该被测对象是目前形貌测量领域的一个难点。张良等分析了现有的几种激光测头对金属表面的测量能力，得出了锥光偏振全息探头和斜射式三角探头较适合测量金属曲面(张良，费致根，郭俊杰.激光扫描测头对金属曲面测量研究，机床与液压，第39卷第9期：2011年5月)。故本发明涉及的激光传感器，优选锥光偏振全息探头和斜射式三角探头，激光传感器的数量为6～30且所有激光传感器的探头通过传感器夹具固定于车轮下方。

使用上述基于激光传感器的城轨车辆车轮不圆度检测装置进行车轮不圆度检测的方法，包括以下步骤：

第1步，将各激光传感器安装于钢轨偏移所空出的区域，使各个激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均位于车轮下方，所有激光传感器与进行直径测量的车轮圆周共面，激光传感器记为P_i，沿着钢轨方向i依次为1,2,...n，n为激光传感器的个数；

第2步，在进行不圆度测量的车轮圆周所在平面上建立二维坐标系：沿钢轨方向为X轴，经过第一个激光传感器P₁且垂直于钢轨向上为Y轴，则激光传感器的坐标为(x_i,y_i)，各个激光传感器探头相对于X轴的安装倾角为θ_i；

第3步，采集所有激光传感器的输出值，并选出同时有6个及以上传感器输出值的有效数据组{S_it}，S_it为第i个传感器P_i在第t时刻的输出值，i＝1,2,...n；

第4步，计算车轮经过探测区的速度：

v＝D/t

其中D为两个垂直向上探测的传感器P_j与传感器P_k的安装距离，t＝t_k-t_j，t_j为第j个传感器P_j输出最小值的时刻，t_k为第k个传感器P_k输出最小值的时刻，在探测区间内为匀速；

第5步，根据传感器P_i的输出值S_i、坐标值(x_i,y_i)、安装倾角θ_i确定车轮上对应传感器P_i的测量点坐标(X_i,Y_i)：

(X_i,Y_i)＝(x_i,y_i)+(S_i×cosθ_i,S_i×sinθ_i)i＝1,2…n

第6步，根据车轮上n个测量点坐标(X_i,Y_i)进行拟合圆，得到该测量位置的车轮直径D；采用最小二乘法进行拟合圆，公式如下：

$D=\sqrt{a^2+b^2+4\frac{\mathrm{\Σ}({X_i}^2+{Y_i}^2)+{\mathrm{a\ΣX}}_i+{\mathrm{b\ΣY}}_i}{n}},i=1,2...n$

其中，a为拟合后的圆心横坐标x₀的-2倍即a＝-2x₀，b为拟合后的圆心纵坐标y₀的-2倍即b＝-2y₀，并且

$a=\frac{HD-EG}{CG-D^2}$

$b=\frac{HC-ED}{D^2-GC}$

其中C、D、E、G、H为中间参数，分别如下：

$\left.\begin{array}{c}C=n\ΣX_i^2-\ΣX_i\ΣX_i\\ D=n\ΣX_i{Y}_i-\ΣX_i\ΣY_i\\ E=n\ΣX_i^3+n\ΣX_i{Y}_i^2-\Σ\left(X_i^2+Y_i^2\right)\ΣX_i\\ G=n\ΣY_i^2-\ΣY_i\ΣY_i\\ H=n\ΣX_i^2{Y}_i+n\ΣY_i^3-\Σ\left(X_i^2+Y_i^2\right)\ΣY_i\end{array}\right\}i=1,\mathrm{2...}n$

第7步，重复第5～6步，对传感器多次采集得到的有效数据组{S_it}进行测量点坐标计算与拟合得到一系列不同测量位置的车轮直径，以时间间隔Δt＝M/v为单位，依次对Δt时间范围内测得的车轮直径取平均值；M取30～60mm；v为车轮经过探测区的速度；

第8步，将步骤6得到的车轮直径平均值中的最大值减去最小值，得到车轮不圆度的量化值E。

下面结合具体实施例，分别介绍传感器采用直线垂直、直线倾斜安装方式的城轨车辆车轮不圆度检测装置及方法，对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本实施例为传感器直线垂直安装的城轨车辆车轮不圆度检测装置及方法。

如图5所示，n个激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均布在水平线上，各激光传感器的探测光束垂直钢轨向上。

激光传感器的安装参数满足以下条件：激光传感器的个数n为28，相邻激光传感器间隔100mm，激光传感器的安装点至钢轨的垂直距离为|y₁|为100mm。该安装方案6个及以上传感器同时测量到的距离超过2800mm，覆盖了车轮直径最大的情况840×3.14＝2637.6mm，能够检测到车轮踏面的整个圆周范围，从而得到各传感器的坐标(x_i,y_i)(单位：mm)与安装倾角θ_i(单位：°)：

其中i表示第i个传感器；

设激光传感器的采样周期为1kHz，测量随机误差0.1mm，并假定列车运行速度为1m/s，由计算机模拟产生直径为800的被测车轮测量数据如图6所示，由测量数据按照以下步骤输出不圆度：

(1.1)采集所有激光传感器的输出值，并选出同时有6个及以上传感器输出值的有效数据组{S_it}，S_it为第i个传感器P_i在第t时刻的输出值，i＝1,2,...n；

(1.2)根据传感器P_i的输出值S_i、坐标值(x_i,y_i)、安装倾角θ_i确定车轮上对应传感器P_i的测量点坐标(X_i,Y_i)，图7绘制了(1.1)中某时刻S_i确定的序列点(X_i,Y_i)和该时刻拟合后的圆：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_i=\left[\begin{array}{cccccc}700& 800& 900& 1000& 1100& 1200\end{array}\right]\\ Y_i=\[\begin{array}{cccccc}134.2090& 53.2563& 12.1802& -0.1636& 12.7334& 54.0496\end{array}\]\end{array}\right.$

(1.3)根据车轮上n个测量点坐标(X_i,Y_i)进行拟合圆，得到该测量位置的车轮直径D为799.583mm。图8为所有有效测量时刻内的相应车轮直径值，有效测量范围内所有时刻的数据计算得到直径为D为798mm～802mm。

(1.4)将采集到的所有有效数据组{S_it}进行进行测量点坐标计算与拟合，得到整个车轮圆周范围内的一系列车轮直径，将图8中的数据以时间间隔Δt＝M/v为单位，依次对Δt时间范围内测得的车轮直径取平均值，得到一次测量的输出直径如图9，可得求均值后的误差在-0.3mm～0.2mm之间，其中M为40mm，v为车轮经过探测区的速度且v＝1m/s；

(1.5)将步骤6得到的车轮直径平均值中的最大值减去最小值，得到车轮不圆度的量化值E。模拟测量20次，得到图10所示的测量结果，由该测量结果可见，该实施方式可以实现车轮不圆度的高精度测量，测量误差在不考虑安装误差的情况下<0.6mm。

实施例2

本实施例为传感器指定安装的城轨车辆车轮不圆度检测装置及方法。

如图11所示，为了避免实施例1中直线垂直安装情况下车轮进入与退出时，激光传感器的无效探测导致的不必要浪费，将两端的4个传感器向里倾斜一定的角度。

激光传感器的安装参数满足以下条件：激光传感器的个数n为28，相邻激光传感器间隔100mm，激光传感器的安装点至钢轨的垂直距离为|y₁|为100mm。该安装方案6个及以上传感器同时测量到的距离超过2800mm，覆盖了车轮直径最大的情况840×3.14＝2637.6mm，能够检测到车轮踏面的整个圆周范围，从而得到各传感器的坐标(x_i,y_i)(单位：mm)与安装倾角θ_i(单位：°)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=100(i-1)\\ y_i=-100\end{array}\right.,i=1,2...28$

θ_i＝[5463728190909090909090909090909090909090909090909099108117126]

其中i表示第i个传感器；

设激光传感器的采样周期为1kHz，并假定列车运行速度为1m/s，由计算机模拟产生直径为800的被测车轮测量数据如图12所示，由测量数据按照以下步骤输出不圆度：

(1.1)采集所有激光传感器的输出值，并选出同时有6个及以上传感器输出值的有效数据组{S_it}，S_it为第i个传感器P_i在第t时刻的输出值，i＝1,2,...n；

(1.2)根据传感器P_i的输出值S_i、坐标值(x_i,y_i)、安装倾角θ_i确定车轮上对应传感器P_i的测量点坐标(X_i,Y_i)，图13绘制了(2.1)中某时刻S_i确定的序列点(X_i,Y_i)和该时刻拟合后的圆：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_i=\left[\begin{array}{cccccc}1100& 1200& 1300& 1400& 1500& 1600\end{array}\right]\\ Y_i=\&lsqb;\begin{array}{cccccc}134.0987& 52.9163& 12.3753& 0.1562& 13.3715& 53.9346\end{array}\&rsqb;\end{array}\right.$

(2.3)根据车轮上n个测量点坐标(X_i,Y_i)进行拟合圆，得到该测量位置的车轮直径D为801.861mm。图14为所有有效测量时刻内的相应车轮直径值，有效测量范围内所有时刻的数据计算得到直径为D为798mm～802mm。

(2.4)将采集到的所有有效数据组{S_it}进行测量点坐标计算与拟合，得到整个车轮圆周范围内的一系列车轮直径，将图8中的数据以时间间隔Δt＝M/v为单位，依次对Δt时间范围内测得的车轮直径取平均值，得到一次测量的输出直径如图15，可得求均值后的误差在-0.3mm～0.3mm之间，其中M为40mm，v为车轮经过探测区的速度且v＝1m/s；

(2.5)将步骤6得到的车轮直径平均值中的最大值减去最小值，得到车轮不圆度的量化值E。模拟测量20次，得到图16所示的测量结果，由该测量结果可见，20次模拟过程中仅有一次超过了0.5mm，说明该实施方式可以实现车轮不圆度的高精度测量，测量误差在不考虑安装误差的情况下<0.6mm。

综上所述，本发明基于激光检测系统，通过最小二乘拟合的算法，实现对列车车轮不圆度的在线非接触测量，测量精度高、操作简单、方便快捷，并且具有检测速度快、测量范围大的优点。

Claims (2)

1.一种基于激光传感器的城轨车辆车轮不圆度检测方法，其特征在于，包括中央处理单元和多个激光传感器，所述激光传感器均与中央处理单元连接；检测区段的钢轨向外偏移，且该检测区段的钢轨内侧设置护轨，护轨与车轮轮缘内侧相切；激光传感器设置于钢轨偏移所空出的区域与护轨之间，激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均位于车轮下方，所有激光传感器与进行不圆度测量的车轮圆周共面，具体包括以下步骤：

第1步，将各激光传感器安装于钢轨偏移所空出的区域，使各个激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均位于车轮下方，所有激光传感器与进行直径测量的车轮圆周共面，激光传感器记为P_i，沿着钢轨方向i依次为1,2,…n，n为激光传感器的个数；

第2步，在进行不圆度测量的车轮圆周所在平面上建立二维坐标系：沿钢轨方向为X轴，经过第一个激光传感器P₁且垂直于钢轨向上为Y轴，则激光传感器的坐标为(x_i,y_i)，各个激光传感器探头相对于X轴的安装倾角为θ_i；

第3步，采集所有激光传感器的输出值，并选出同时有6个及以上传感器输出值的有效数据组{S_it}，S_it为第i个传感器P_i在第t时刻的输出值，i＝1,2,…n；

第4步，计算车轮经过探测区的速度：

v＝D/t

其中D为两个垂直向上探测的传感器P_j与传感器P_k的安装距离，t＝t_k-t_j，t_j为第j个传感器P_j输出最小值的时刻，t_k为第k个传感器P_k输出最小值的时刻，在探测区间内为匀速；

第5步，根据传感器P_i的输出值S_i、坐标值(x_i,y_i)、安装倾角θ_i确定车轮上对应传感器P_i的测量点坐标(X_i,Y_i)：

(X_i,Y_i)＝(x_i,y_i)+(S_i×cosθ_i,S_i×sinθ_i)i＝1,2…n

第6步，根据车轮上n个测量点坐标(X_i,Y_i)进行拟合圆，得到该测量位置的车轮直径D；

第7步，重复第5～6步，对传感器多次采集得到的有效数据组{S_it}进行测量点坐标计算与拟合得到一系列不同测量位置的车轮直径，以时间间隔Δt＝M/v为单位，依次对Δt时间范围内测得的车轮直径取平均值；M取30～60mm；v为车轮经过探测区的速度；

第8步，将步骤6得到的车轮直径平均值中的最大值减去最小值，得到车轮不圆度的量化值E。

2.根据权利要求1所述的基于激光传感器的城轨车辆车轮不圆度检测方法，其特征在于，第6步所述根据车轮上n个测量点坐标(X_i,Y_i)进行拟合圆，采用最小二乘法，公式如下：

$D=\sqrt{a^2+b^2+4\frac{\mathrm{\&Sigma;}(X_i^2+Y_i^2)+{\mathrm{a\&Sigma;X}}_i+{\mathrm{b\&Sigma;Y}}_i}{n}},i=1,2...n$

其中，a为拟合后的圆心横坐标x₀的-2倍即a＝-2x₀，b为拟合后的圆心纵坐标y₀的-2倍即b＝-2y₀，并且

$a=\frac{HD-EG}{CG-D^2}$

$b=\frac{HC-ED}{D^2-GC}$

其中C、D、E、G、H为中间参数，分别如下：

$\left.\begin{array}{c}C={\mathrm{n\&Sigma;X}}_i^2-{\mathrm{\&Sigma;X}}_i{\mathrm{\&Sigma;X}}_i\\ D={\mathrm{n\&Sigma;X}}_i{Y}_i-{\mathrm{\&Sigma;X}}_i{\mathrm{\&Sigma;Y}}_i\\ E={\mathrm{n\&Sigma;X}}_i^3+{\mathrm{n\&Sigma;X}}_i{Y}_i^2-\mathrm{\&Sigma;}(X_i^2+Y_i^2){\mathrm{\&Sigma;X}}_i\\ G={\mathrm{n\&Sigma;Y}}_i^2-{\mathrm{\&Sigma;Y}}_i{\mathrm{\&Sigma;Y}}_i\\ H={\mathrm{n\&Sigma;X}}_i^2{Y}_{i}6{\mathrm{n\&Sigma;Y}}_i^3-\mathrm{\&Sigma;}(X_i^2+Y_i^2){\mathrm{\&Sigma;Y}}_i\end{array}\right\},i=1,\mathrm{2...}n.$