CN103693073A - 一种非接触式车轮直径动态测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光学测量技术领域的一种非接触式车轮直径动态测量装置及其测量方法。该测量测量装置由一个激光位移传感器和两个涡流传感器构成的车轮定位单元组成，激光位移传感器和两个涡流传感器构成的车轮定位单元沿钢轨方向排列。激光位移传感器连续测量出各传感器到车轮踏面上对应点之间的距离。同时，所述涡流传感器检测竖直方向上与车轮踏面的距离，当两个涡流传感器检测到的距离相等时，车轮圆周最低点经过两个涡流传感器中间位置，记录此时激光位移传感器的距离读数，由此计算出列车车轮的直径。本发明最多只需要使用三个传感器，测量原理简单、实用。

Description

一种非接触式车轮直径动态测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，尤其涉及一种非接触式车轮直径动态测量装置及其测量方法。

背景技术

随着我国铁路事业的发展，列车行驶速度不断提高，这给人们的出行带来了极大的方便，但同时也给铁路的安全运行带来了巨大的挑战。列车的高速行驶会加剧列车车轮踏面与钢轨之间的各种磨耗，造成车轮直径的变化，影响车轮与轨道的配合，进而影响了列车的运行安全。因此，当经过一定期限后列车车轮就要进行定期检测，对于参数超限的车轮需要维修或报废,否则会给列车的安全运行带来隐患。

在列车车轮的定期检测工作中，车轮直径参数是一个重要的检测指标，可以用来评估车轮本身的好坏。尤其是在以下三种场合下，需要对列车车轮直径进行精确测量：1.新加工的车轮需要测量直径尺寸以选配轮对和作为轮对的原始数据；2.使用过程中需要不断监控车轮直径以确定是否超限，如果超限则需要送维修车间进行维修；3.轮对送入维修车间进行维修前后，还需要测量车轮直径以确认维修结果。

目前，国内外一般采用机械式轮径尺来测量车轮直径。这种测量方式存在尺体笨重、测量技术不易掌握、误差较大等缺陷；且必须将车轮推出才能测量，特别是测量大直径车轮时需要两个人进行操作，使用上也不方便。

在公告号为CN 85203160的中国实用新型专利中，提供了一种用于测量铁路机车及车辆车轮直径或者其他机械部件直径的新型车轮径尺，它采用接触式间接测量原理，因此存在测量点不容易定位，读数容易受环境和人为因素的影响的缺陷。此外，在公告号为CN 87207390的中国实用新型专利中，提供了一种采用“弦高法”的车轮轮径测量仪器。但是该仪器仍然采用接触测量的方式，对测量仪器和车轮都造成一定的磨耗，而且测量点容易受轮径上油污杂物的影响。

总结起来，现有使用机械式轮径尺的接触式测量技术普遍存在以下的缺点：⑴依靠人工操作，测量效率低，不容易及时发现问题；⑵测量精度容易受外界环境的影响；⑶必须拆卸车轮，测量周期长；⑷因为现场的操作空间太小，此类接触式测量技术普遍不适用在现场对车轮直径进行测量。

针对接触式测量方法的不足，人们开始研究非接触式的测量方法，以便实现对车轮直径的在线测量。这方面的技术方案包括：中国发明专利申请“车辆轮对直径在线检测方法及装置”（专利申请号：200610155282.8）提出的利用结构光和CCD摄像技术动态得到车轮直径及其它参数的方法；中国发明专利申请“列车轮对尺寸在线检测方法及装置”（专利申请号：200510035961.7）中提出的在每根钢轨的两侧对称设置两对相隔的激光位移探测器，由此得到轮对的几何尺寸的方法等。另外，在专利号为US20030103216、US 4932784、US 5247338和US 5936737等公开的技术方案中，也提出了利用激光和CCD摄像头非接触地测量车轮外形参数的具体实施方案。英国TECNOGAMMA公司研制出了一套采用激光2D传感器动态测量轮对几何参数的系统，可以在列车以不大于15km/h的速度运行时测量出轮对的几何参数。但是，现有的车轮直径非接触式动态测量技术方案仍然存在如下的问题需要解决：1.测量系统结构复杂，安装调试困难；2.测量精度不高；3.造价昂贵。本专利申请人曾在中国发明专利申请“基于激光的车轮直径非接触式动态测量装置及其方法”（专利申请号：200810056339.1）中提出一种使用两个激光位移传感器动态测量车轮直径的方法。为了进一步简化测量系统的结构，并降低成本，本专利提出一种使用单个激光位移传感器动态测量车轮直径的方法。

发明内容

针对背景技术中提到的现有的车轮直径非接触式动态测量技术方案存在的问题，本发明提出了一种非接触式车轮直径动态测量装置及其测量方法。

一种非接触式车轮直径动态测量装置，其特征在于，所述装置包括中央处理单元、激光位移传感器和车轮定位单元；

其中，所述激光位移传感器和车轮定位单元分别与所述中央处理单元相连接；

所述激光位移传感器和所述车轮定位单元沿同一条钢轨排列，其前后次序可以颠倒。

所述车轮定位单元包括两个涡流传感器。

所述激光位移传感器与车轮定位单元之间间隔的取值范围为420mm至625mm。

所述两个涡流传感器安装间距的取值范围是80mm到120mm。

所述激光位移传感器采用基于三角法的激光位移传感器。

所述激光位移传感器和所述车轮定位单元通过卡块或粘接方式固定在所述钢轨的外侧/内侧上。

所述激光位移传感器和所述车轮定位单元分别固定在钢轨旁的地基桩上。

一种非接触式车轮直径动态测量方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：将激光位移传感器、第一涡流传感器和第二涡流传感器构成的车轮定位单元通过卡块或以粘接方式固定在钢轨的外侧/内侧；

步骤2：调整所述激光位移传感器出射激光的方向，使出射激光直接照射到被测车轮的踏面上，并形成激光光斑；

步骤3：调整所述两个涡流传感器，当车轮经过车轮定位单元过程中，使涡流传感器检测在竖直方向上与车轮踏面之间的距离；

步骤4：由所述激光位移传感器连续测量出激光位移传感器前表面到车轮踏面上激光光斑之间的距离；同时，所述涡流传感器能够检测在竖直方向上与车轮踏面之间的距离，当两个涡流传感器检测到的距离相等时，车轮圆周最低点经过两个涡流传感器的中间位置，记录此时所述激光位移传感器到所述车轮踏面上激光光斑之间的距离；

步骤5：按照下式计算被测车轮的直径：

$D=\frac{(L^2+l^2)}{l\sin \mathrm{\α}}-\frac{2L}{\tan \mathrm{\α}}$

其中，D为车轮直径，L为激光位移传感器和两个涡流传感器中间位置之间的安装距离，α为激光位移传感器与钢轨表面所成的夹角；l为当两个涡流传感器能够检测到在竖直方向上与车轮踏面之间的距离相等时，所述激光位移传感器测量到的激光位移传感器与车轮踏面上激光光斑之间的距离。

所述α的取值范围为30°到60°。

与现有技术相比较，本发明所具有的突出特点在于：

1.整个测量装置只需要使用一个激光位移传感器和两个涡流传感器，测量原理简单、实用；

2.采用非接触间接测量的方法，和运行中的车轮没有直接接触，避免了测量装置和旅客客车车轮的磨损，该装置可以长时间实现入库旅客客车车轮参数的在线动态测量；

3.车轮定位单元由两个涡流传感器组成，能够对车轮进行高精度定位；

4.测量精度与传感器的精度有关，通过提高传感器的精度可以提高测量直径的精度；

5.测量的响应速度与传感器的响应频率有关，数据处理简单，可大大提高动态测量的响应速度。

附图说明

图1为采用单个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的第一实施例；

图2为采用单个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的工作原理示意图；

图3为采用单个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的第二实施例；

图4为采用单个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的系统构成示意图；

其中，1-车轮；2-钢轨；3-激光位移传感器；4-枕木；5-卡块；6-第一涡流传感器；7-第二涡流传感器；8-中央处理器；9-地基桩。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1为采用单个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的第一实施例。如图1所示，该实施例为采用单个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置，具体包括：激光位移传感器3、第一涡流传感器6、第二涡流传感器7和中央处理器8（图中未标出）。激光位移传感器3、第一涡流传感器6和第二车涡流传感器7均通过卡块5或直接以粘接方式固定在钢轨2上，且同时位于钢轨2的外侧（或者内侧）。钢轨2的下方依次分布多个枕木4。上述的两个涡流传感器构成车轮定位单元，对车轮进行高精度定位。激光位移传感器3所获得的传感数据传送给该中央处理单元进行处理，以便获得车轮直径等测量数据。上述的激光位移传感器3可以采用基于三角法的激光位移传感器，中央处理器8为一台具有一定数据处理能力的单片机或者PC机。

激光位移传感器3与由第一涡流传感器6和第二涡流传感器7构成的车轮定位单元沿钢轨2方向排列，但排列前后次序可以颠倒。当按图1所示的顺序排列时，即：按车轮行走方向，激光位移传感器3在前，第一涡流传感器6和第二涡流传感器7构成的车轮定位单元在后，激光位移传感器3出射光线的方向与钢轨2表面所成的夹角0°<α<90°；反之，按车轮行走方向，第一涡流传感器6和第二涡流传感器7构成的车轮定位单元在前，激光位移传感器3在后，激光位移传感器3出射光线的方向与钢轨2表面所成的夹角90°<α<180°。

图2为采用单个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的工作原理示意图。下面结合图2介绍利用上述的车轮直径非接触式动态测量装置实现动态测量车轮直径的具体工作原理。如图1和图2所示，首先将激光位移传感器3、第一涡流传感器6和第二涡流传感器7构成的车轮定位单元通过卡块5或直接以粘接方式固定在钢轨2的外侧（或者内侧）上。调整激光位移传感器3出射激光的方向，使出射激光的光点能直接射到被测车轮1的表面上；调整第一涡流传感器6以及第二涡流传感器7，使之能检测到车轮1运动时第一涡流传感器6和第二涡流传感器7在竖直方向上与车轮踏面之间的距离。

当列车上的被测车轮1从测量装置上通过时，激光位移传感器3可连续测量出激光位移传感器3到车轮1踏面上对应点之间的距离，当第一涡流传感器6和第二涡流传感器7检测到竖直方向上与车轮踏面距离相等时，得到此时激光位移传感器到车轮踏面上对应点之间的距离，就可按图2所示的几何关系计算得到车轮的直径D。

$D=\frac{(L^2+l^2)}{l\sin \mathrm{\&alpha;}}-\frac{2L}{\tan \mathrm{\&alpha;}}---\left(1\right)$

其中：L为激光位移传感器3到两个涡流传感器6和7中点位置处之间的安装距离，为一常数，α为激光位移传感器3与钢轨2表面所成的夹角，为一固定角度；l为当第一涡流传感器6和第二涡流传感器7检测到竖直方向上与车轮踏面距离相等，激光位移传感器3测量得到的激光位移传感器3到车轮踏面上对应点之间的距离。

图3所示为采用单个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的第二实施例。该第二实施例与第一实施例的区别就在于激光位移传感器3、第一涡流传感器6和第二涡流传感器7构成的车轮定位单元的固定方式不同。如图3所示，激光位移传感器3、第一涡流传感器6和第二涡流传感器7构成的车轮定位单元均通过在钢轨2旁的地基桩9直接固定在地基上，并且沿着钢轨2的方向排列。地基桩9可以埋设在钢轨2的外侧或者内侧。其余的技术特征与第一实施例完全相同。

图4为采用单个激光位移传感器的车轮直径非接触式动态测量装置的使用状态示意图。如图4所示，激光位移传感器3、第一涡流传感器6和第二涡流传感器7采集的数据由电缆线传送到中央处理器8，由中央处理器8对数据进行处理分析，得出待测车轮1的直径值。并可以由此判断待测车轮轮径是否超限，如果超限则给技术人员发出警报并同时打出报表。

从以上对本车轮直径非接触式动态测量装置的结构和工作原理的说明可以看出，本发明只需要沿着车轮行进方向分别放置激光位移传感和两个涡流传感器，就可以方便地实现对车轮直径的精确测量。在测量过程中，激光位移传感器和车轮定位传感器不需要与车轮发生直接接触，因此对车轮本身的状态没有要求。利用本发明，不仅在列车车轮放置在车间进行检修的静态情况下可以直接测量车轮的直径参数，在列车行驶的动态情况下也可以实现车轮直径的精确测量。

需要说明的是，本发明不仅适用于对列车车轮直径的精确动态测量，也可以对其他可以在路面上滚动的柱体尺寸实施非接触式测量。其具体的工作原理与上述的二个实施例是完全一致的，只是传感器的安装方式根据实际情况有所不同。具体的安装方式调整是测量领域一般技术人员都能够轻易实现的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种非接触式车轮直径动态测量装置，其特征在于，所述装置包括中央处理单元、激光位移传感器和车轮定位单元；

其中，所述激光位移传感器和车轮定位单元分别与所述中央处理单元相连接；

所述激光位移传感器和所述车轮定位单元沿同一条钢轨排列。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述车轮定位单元包括两个涡流传感器。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光位移传感器与车轮定位单元之间间隔的取值范围为420mm至625mm。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述两个涡流传感器安装间距的取值范围是80mm到120mm。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光位移传感器采用基于三角法的激光位移传感器。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光位移传感器和所述车轮定位单元通过卡块或粘接方式固定在所述钢轨的外侧/内侧上。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光位移传感器和所述车轮定位单元分别固定在钢轨旁的地基桩上。

8.一种非接触式车轮直径动态测量方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：将激光位移传感器、第一涡流传感器和第二涡流传感器构成的车轮定位单元通过卡块或以粘接方式固定在钢轨的外侧/内侧；

步骤2：调整所述激光位移传感器出射激光的方向，使出射激光直接照射到被测车轮的踏面上，并形成激光光斑；

步骤3：调整所述两个涡流传感器，当车轮经过车轮定位单元过程中，使涡流传感器检测在竖直方向上与车轮踏面之间的距离；

步骤4：由所述激光位移传感器连续测量出激光位移传感器前表面到车轮踏面上激光光斑之间的距离；同时，所述涡流传感器检测在竖直方向上与车轮踏面之间的距离，当两个涡流传感器检测到的距离相等时，车轮圆周最低点经过两个涡流传感器的中间位置，记录此时所述激光位移传感器到所述车轮踏面上激光光斑之间的距离；

步骤5：按照下式计算被测车轮的直径：

$D=\frac{(L^2+l^2)}{l\sin \mathrm{\&alpha;}}-\frac{2L}{\tan \mathrm{\&alpha;}}$

其中，D为车轮直径，L为激光位移传感器和两个涡流传感器中间位置之间的安装距离；α为激光位移传感器与钢轨表面所成的夹角；l为当两个涡流传感器能够检测到在竖直方向上与车轮踏面之间的距离相等时，所述激光位移传感器测量到的激光位移传感器与车轮踏面上激光光斑之间的距离。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述α的取值范围为30°到60°。

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