CN103591899A - 传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测装置及方法。该装置包括中央处理单元和与其连接的多个激光传感器；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，沿钢轨方向排列且均布在弦长半径固定的圆弧上，各激光传感器探头沿着圆弧的法线方向测量，探测光束对准安装圆弧的圆心，所有激光传感器位于车轮下方并且与进行直径测量的车轮圆周共面。该方法使用多个激光传感器，将其按照圆弧法线关系安装在车轮下方同时探测车轮得到探测点，通过最小二乘拟合得到初始直径，对初始直径求均值得到车轮直径。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

传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测装置及方法

技术领域

本发明涉及铁路车轮检测领域，特别是一种传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测装置及方法。

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，而其中磨耗导致的车轮直径变化尤为关键。列车正线运行中，同轴及同转向架轮径差均有限度要求，同轴轮径差过大容易导致轮对擦伤，同一轮对轮径差过大还容易导致轮缘偏磨或列车异常振动，因此对车轮直径的测量对列车安全运行有着重要意义。

常用的圆弧半径测量方法包括卡尺法和弓高弦长法，其中卡尺法适用于精度要求不高的场合，测量范围受弧长的限制，卡尺量程受横向定位架的限制；而弓高弦长法的操作比较繁琐，该两种方法通常用于对工件做静态的离线测量。中国专利CN201159640Y（铁路车轮直径测量装置，申请号：200820055350.8，申请日：2008-02-02）公开了一种弓高弦长法测量车轮半径装置，检修方法属于手工测量和离线自动测量，当车轮行驶一段时间后需定期送车间进行检修。这种静态离线测量采用专用量具或万能量具人工检测，存在检测结果误差大、准确性差、返工率高、工作效率低、劳动强度大等缺点。

非接触式的在线测量轮对直径或轮对几何参数逐渐发展起来，中国专利CN1899904A（列车轮对尺寸在线检测方法及装置，申请号：200510035961.7申请日：2005-07-20），在每根钢轨的两侧安装一定距离的激光位移传感器，传感器从钢轨的底侧斜向上测量，从而记录车轮踏面数据，并基于列车移动的速度计算经过两个激光传感器弦长得到直径。该方法的缺点为，需要同时利用列车速度信息，不能独立完成直径的测量，且利用单个激光传感器记录踏面信息，会由于踏面的变化无法精确定位直径所在位置。中国专利CN101219672A（基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法，申请号：200810056339.8申请日：2008-01-16）采用两个激光位移传感器直接照射车轮踏面滚动面，通过安装传感器的几何位置关系测量车轮直径，该方法的缺点为探测线没有解决对准问题，而同样近似斜切法，无法精确描述车轮直径。综上，目前的非接触式车轮直径测量技术仍然存在测量精度不高、测量响应速度慢、工程实施困难等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度的传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测装置及方法，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：一种传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测装置，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布在弦长半径固定的圆弧上，各激光传感器探头沿着圆弧的法线方向测量，探测光束对准安装圆弧的圆心，所有激光传感器位于车轮下方并且与进行直径测量的车轮圆周共面。

一种传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测方法，包括以下步骤：

第1步，将n个激光传感器安装于钢轨偏移所空出的区域，激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均布在弦长为L、半径为R的圆弧上，各激光传感器探头沿着圆弧的法线方向测量，探测光束对准安装圆弧的圆心，激光传感器分别记为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，在进行直径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，则各个激光传感器探头相对于X轴的安装倾角θ_i由下式确定：

${\mathrm{\θ}}_i=\frac{\mathrm{\π}}{2}+(i-1-\frac{n-1}{2})\×\mathrm{\θ},i=\mathrm{1,2}...n$

其中θ是弦长L与半径R确定的圆弧角度，

激光传感器的坐标(x_i,y_i)由下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{L}{2}-R\×\cos {\mathrm{\θ}}_i\\ Y_i=Y_1-R\sin {\mathrm{\θ}}_i+\sqrt{R^2-\frac{L^2}{4}}\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2}...n$

第3步，采集所有激光传感器的输出值，并选出同时有n个传感器输出值的有效数据组{S_i}，S_i为第i个传感器P_i的输出值，i＝1,2,…n；

第4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5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6步，将采集到的多个有效数据组进行拟合得到一系列车轮直径，将得到的一系列车轮直径求平均值，得到该测量位置最终的车轮直径D_final。

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，操作简单、方便快捷；（3）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为本发明传感器圆弧法线安装的车轮直径检测装置的结构示意图。

图3为本发明城轨车辆车轮直径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与护轨的尺寸破面示意图。

图5为实施例1中激光传感器圆弧法线安装的车轮直径检测示意图。

图6为实施例1中各个激光传感器的测量值随时间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中重复测量20次直径所得结果示意图。

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。

本发明传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测装置，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布在弦长半径固定的圆弧上，各激光传感器探头沿着圆弧的法线方向测量，探测光束对准安装圆弧的圆心，所有激光传感器位于车轮下方并且与进行直径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3～10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。

使用上述传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测装置进行车轮直径检测的方法，包括以下步骤：

第1步，将n个激光传感器安装于钢轨偏移所空出的区域，激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均布在弦长为L、半径为R的圆弧上，各激光传感器探头沿着圆弧的法线方向测量，探测光束对准安装圆弧的圆心，激光传感器分别记为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，在进行直径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，则各个激光传感器探头相对于X轴的安装倾角θ_i由下式确定：

${\mathrm{\θ}}_i=\frac{\mathrm{\π}}{2}+(i-1-\frac{n-1}{2})\×\mathrm{\θ},i=\mathrm{1,2}...n$

其中θ是弦长L与半径R确定的圆弧角度，

激光传感器的坐标(x_i,y_i)由下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{L}{2}-R\×\cos {\mathrm{\θ}}_i\\ y_1=y_1-R\sin {\mathrm{\θ}}_i+\sqrt{R^2-\frac{L^2}{4}}\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2}...n$

第3步，采集所有激光传感器的输出值，并选出同时有n个传感器输出值的有效数据组{S_i}，S_i为第i个传感器P_i的输出值，i＝1,2,…n；

第4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5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：

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

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

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

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

其中C、D、E、G、H为中间参数，分别如下：

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

第6步，将采集到的多个有效数据组进行拟合得到一系列车轮直径，将得到的一系列车轮直径求平均值，得到该测量位置最终的车轮直径D_final。

下面结合具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本实施例为传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测装置及方法。

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弦长为L、半径为R的圆弧上，各激光传感器探头沿着圆弧的法线方向测量，探测光束对准安装圆弧的圆心。

影响激光三角传感器精度的外部因素主要包括被测表面倾斜、表面光泽、粗糙度、颜色以及扫描速度等。传感器采用圆弧法线式安装，使得激光传感器探头能同时对准被测面，有效抑制了被测面倾斜带来的误差；同时有利于对安装参数的优选过程进行分析，降低了分析难度。

激光传感器的安装参数满足以下条件：激光传感器的个数为n且3≤n≤10，激光传感器安装弦长为L且n×30mm≤L≤1800mm，沿钢轨方向第一个激光传感器的安装点至轨道的垂直距离为|y₁|且|y₁|≥100mm，激光传感器安装圆弧半径为R且 $\sqrt{L^2+{\left|y_1\right|}^2}\≤R\≤5000\mathrm{mm}.$

按照工程实际及对测量误差的分析，对4个参数优选如下（单位：mm）：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1=-100\\ n=6\\ L=800\\ R=2500\end{array}\right.$

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：°）：

θ_i＝[80.7931 84.4759 88.1586 91.8414 95.5241 99.2069]

$\left\{\begin{array}{cccccc}{x}_i=[0& 159.3373& 319.6685& 480.3315& 640.6627& 800]\\ y_i=[-100& -120.5968& -130.9165& -130.9165& -120.5968& -100]\end{array}\right.$

设激光传感器的采样周期为1kHz，测量随机误差0.1mm，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直径：

（1.1）采集到所有激光传感器输出点序列S_i，并遴选出6个传感器有效探测时的数据。某时刻车轮经过时的有效值：

S_i＝[309.2010 188.2974 137.8491 138.1852 189.8197 312.4783]

（1.2）针对传感器的输出值S_i以及安装点坐标(x_i,y_i)、倾角θ_i，推得弧线上的点坐标(X_i,Y_i)；图7绘制了（1.1）中S_i时刻车轮经过中心点时刻的序列点(X_i,Y_i)和拟合后的圆：

$\left\{\begin{array}{cccccc}{X}_i=[49.5169& 177.4748& 324.1039& 475.8919& 622.4061& 750.0586]\\ Y_i=[205.4936& 66.9409& 7.0473& 7.1771& 68.1715& 208.1128]\end{array}\right.$

（1.3）由序列点(X_i,Y_i)根据最小二乘拟合圆得到该时刻所测的车轮直径为800.44mm。图8为所有有效测量时刻内的相应车轮直径值，本实施方式下对直径为800的车轮测量有效测量点数为137点，有效测量范围内所有时刻的数据计算得到直径为D为799.6mm～800.4mm。

（1.4）对图8中的数据求均值，得到一次测量的输出直径D_final=799.93mm。模拟测量20次，得到图9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直径的高精度测量，测量误差在不考虑安装误差的情况下<0.1mm。

综上所述，本发明传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测装置及方法，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；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，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 (7)

1.一种传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测装置，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布在弦长半径固定的圆弧上，各激光传感器探头沿着圆弧的法线方向测量，探测光束对准安装圆弧的圆心，所有激光传感器位于车轮下方并且与进行直径测量的车轮圆周共面。

2.根据权利要求1所述的传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测装置，其特征在于，所述检测区段钢轨向外偏移50～65mm，且该钢轨向外偏移的切换处为弧形。

3.根据权利要求1所述的传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测装置，其特征在于，所述进行直径测量的车轮圆周距离车轮轮缘侧面的距离为70mm。

4.根据权利要求1所述的传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测装置，其特征在于，所述激光传感器的数量为n且3≤n≤10，激光传感器安装弦长为L且n×30mm≤L≤1800mm，沿钢轨方向第一个激光传感器的安装点至轨道的垂直距离为|y₁|且|y₁|≥100mm，激光传感器安装圆弧半径为R且

5.根据权利要求1所述的传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测装置，其特征在于，所述激光传感器的探头为锥光偏振全息探头或斜射式三角探头，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。

6.一种传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第1步，将n个激光传感器安装于钢轨偏移所空出的区域，激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均布在弦长为L、半径为R的圆弧上，各激光传感器探头沿着圆弧的法线方向测量，探测光束对准安装圆弧的圆心，激光传感器分别记为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，在进行直径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，则各个激光传感器探头相对于X轴的安装倾角θ_i由下式确定：

${\mathrm{\&theta;}}_i=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}+(i-1-\frac{n-1}{2})\&times;\mathrm{\&theta;},i=\mathrm{1,2}...n$

其中θ是弦长L与半径R确定的圆弧角度，

激光传感器的坐标(x_i,y_i)由下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{L}{2}-R\&times;\cos {\mathrm{\&theta;}}_i\\ y_i=y_1-R\sin {\mathrm{\&theta;}}_i+\sqrt{R^2-\frac{L^2}{4}}\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2}...n$

第3步，采集所有激光传感器的输出值，并选出同时有n个传感器输出值的有效数据组{S_i}，S_i为第i个传感器P_i的输出值，i＝1,2,…n；

第4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5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6步，将采集到的多个有效数据组进行拟合得到一系列车轮直径，将得到的一系列车轮直径求平均值，得到该测量位置最终的车轮直径D_final。

7.根据权利要求6所述的传感器圆弧法线安装的城轨车辆车轮直径检测方法，其特征在于，第5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：

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

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

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

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

其中C、D、E、G、H为中间参数，分别如下：

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

Images