CN105841655A - 一种列车轮对尺寸在线检测方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车轮对尺寸在线检测方法及其系统，通过激光对射光电开关得到轮缘顶点圆直径和车速，通过涡流传感器定位轮缘最低点及到地面的高度，根据内外侧1D激光位移传感器探测到的车轮上面的点，得到该车轮踏面轮廓线，从而得到轮缘高、轮缘厚和轮径。本发明成本低，仅需两个1D激光位移传感器和四个激光对射光电开关和涡流传感器即可实现对轮缘高、轮缘厚及轮径等轮对尺寸的检测；由四个激光对射光电开关可以计算出轮缘顶点圆的直径和车速，涡流传感器确定轮缘最低点到地面的高度和此时采样点的序号，再结合外侧1D激光位移传感器，通过相应算法处理，即获得所测车轮的相关轮对尺寸，操作简单。

Description

一种列车轮对尺寸在线检测方法及其系统

技术领域

本发明属于交通安全工程技术领域，特别是一种列车轮对尺寸在线检测方法及其系统。

背景技术

轮对是保证列车在钢轨上安全运行的极为重要的部件，并且随着我国城市交通的快速发展，要求列车具有更高的运行速度和安全保障，因而实时检测轮对的尺寸参数具有重要的意义。轮对在列车长期行走的过程中，轮对与钢轨表面会产生摩擦，并且在列车通过弯道时轮对轮缘与钢轨内侧也会产生摩擦，都会不可避免的对轮对造成磨损，导致轮对尺寸发生变化，会降低乘客乘坐的舒适性和列车安全运行的可靠性。

对列车轮对尺寸的检测方法，主要包括静态检测和动态检测。中国专利CN205014949U(一种激光轮对测量机，申请号：201520728078.5，申请日：2015-09-18)公开了一种激光静态检测轮对尺寸的方法及装置。动态检测也称在线检测，在列车正常运行下检测轮对尺寸参数，如何在低成本的条件下，快速而精准的检测出轮对尺寸的参数是目前轮对尺寸检测研究的主要方向。

轮对尺寸的在线检测技术方法主要有基于CCD的图像测量法和激光测量法。国内早期大多采用图像测量法，但其存在系统结构复杂、抗干扰能力差等缺点。随着激光传感器的发展，激光测量法得到越来越广泛的应用，如中国专利CN105292182A(一种基于多传感器的轮对尺寸在线检测方法和装置，申请号：201510781557.8，申请日：2015-11-13)公开了一种基于激光位移传感器的轮对尺寸检测方法。但是，在轮对尺寸检测过程中，仍存在测量装置过于复杂，安装调试困难和测量精度不高等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简便高效、精确可靠的列车轮对尺寸在线检测方法及系统，检测速度快、操作简便。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种列车轮对尺寸在线检测方法及其系统，包括以下步骤：

步骤1，布设传感器，并由传感器获取数据：涡流传感器安装在轨道内侧，与地面的高度为H₁；至少四个激光对射光电开关沿列车前进方向并排平行安装于一条轨道两侧，激光对射光电开关发射端安装在轨道内侧，激光对射开关接收端安装在轨道外侧，第一激光对射光电开关发射端和第二激光对射光电开关发射端之间的安装距离为L₁，第一激光对射光电开关发射端和第二激光对射光电开关发射端与铅垂线的夹角分别为α₁、α₂，第三激光对射光电开关发射端和第四激光对射光电开关发射端之间的安装距离为L₁，第二激光对射光电开关发射端和第三激光对射光电开关发射端之间的距离是L₂，第一激光对射光电开关发射端与涡流传感器沿轨向方向距离为Lw；1D激光位移传感器安装在轨道内侧，与轨道的相对垂直距离为L₃，与铅垂线的夹角为α₃，与沿轨道方向的纵向水平线夹角为β₁；1D激光位移传感器安装在轨道外侧，与轨道的相对垂直距离为L₄，与铅垂线的夹角为α₄，与沿轨道方向的纵向水平线夹角为β₂，1D激光位移传感器与1D激光位移传感器沿轨道方向的纵向距离为L₅，第二激光对射光电开关发射端与1D激光位移传感器沿轨向的距离为L₆，全部激光对射光电开关获取被车轮挡住的时间间隔，涡流传感器获取到轮缘最低点的距离，1D激光位移传感器获取到车轮踏面的距离；

步骤2，数据分组：涡流传感器和1D激光位移传感器和1D激光位移传感器以频率f同步工作，将数据点按输出时刻的不同将数据点分组到同一时刻的数组中；

步骤3，激光对射光电开关获取各自被车轮遮挡住的时间Δt₁、Δt₂、Δt₃和Δt₄，第一激光对射光电开关发射端和第四激光对射光电开关发射端刚被车轮遮挡住的时间间隔是Δt₅，第二激光对射光电开关发射端和第三激光对射光电开关发射端刚被车轮挡住的时间间隔是Δt₆，Δt₁～Δt₆随车速变化，从而获得车轮经过系统的速度v，并得到轮缘顶点所在圆的四条弦长l₁～l₄，四个激光对射光电开关安装角度及位置已知，根据几何关系求出轮缘顶点圆直径；

步骤4，获取踏面点所在圆的圆心位置：建立三维坐标系，根据涡流传感器的输出，获得轮缘最低点到涡流传感器的距离dw和此时输出采样点的序号n，则得到踏面点所在圆的圆心位置；

步骤5，坐标变换、数据融合：将1D激光位移传感器探测的踏面上的点的距离转换为空间三维坐标(x_i,y_i,z_i)，根据轮缘顶点圆心位置(x_oi,y_oi,z_oi)求出踏面点所在圆的直径，然后将探测到踏面点坐标进行变换，得到从轮缘最低点到外端面的踏面轮廓，再结合1D激光位移传感器获得到内端面的距离，融合得到车轮的踏面轮廓线；

步骤6，获取轮缘高、轮缘厚和轮径：将步骤五得到的车轮踏面轮廓线按照铁路行业国标TB/T 449-2003中轮缘高及轮缘厚定义的计算公式求出该车轮轮缘高和轮缘厚，将步骤三求得轮缘顶点圆直径减去两倍的轮缘高即为该车轮的直径。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)成本低，仅需两个1D激光位移传感器和四个激光对射光电开关和涡流传感器即可实现对轮缘高、轮缘厚及轮径等轮对尺寸的检测；(2)由四个激光对射光电开关可以计算出轮缘顶点圆的直径和车速，涡流传感器确定轮缘最低点到地面的高度和此时采样点的序号，再结合外侧1D激光位移传感器，通过相应算法处理，即获得所测车轮的相关轮对尺寸，操作简单；(3)具有在线非接触式测量等优点，为实现轮对尺寸在线测量提供了一种有效的解决方案。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明中轮对尺寸在线获取方法的流程图。

图2是本发明中轮对尺寸在线检测系统的布设图。

图3是本发明中轮对踏面探测的传感器安装示意图。

图4是弦高法计算轮缘顶点圆直径示意图。

图5是涡流传感器采集数据点。

图6是经坐标变换、数据融合后的踏面数据点。

具体实施方式

结合图1，本发明列车轮对尺寸在线检测方法，包括以下步骤：

步骤1，布设传感器，并由传感器获取数据：涡流传感器3安装在轨道1内侧，与地面的高度为H₁；至少四个激光对射光电开关沿列车前进方向并排平行安装于一条轨道1两侧，激光对射光电开关发射端安装在轨道1内侧，激光对射开关接收端安装在轨道1外侧，第一激光对射光电开关发射端4和第二激光对射光电开关发射端5之间的安装距离为L₁，第一激光对射光电开关发射端4和第二激光对射光电开关发射端5与铅垂线的夹角分别为α₁、α₂，第三激光对射光电开关发射端7和第四激光对射光电开关发射端8之间的安装距离为L₁，第二激光对射光电开关发射端5和第三激光对射光电开关发射端7之间的距离是L₂，第一激光对射光电开关发射端4与涡流传感器3沿轨向方向距离为Lw；1D激光位移传感器6安装在轨道1内侧，与轨道1的相对垂直距离为L₃，与铅垂线的夹角为α₃，与沿轨道1方向的纵向水平线夹角为β₁；1D激光位移传感器9安装在轨道1外侧，与轨道1的相对垂直距离为L₄，与铅垂线的夹角为α₄，与沿轨道1方向的纵向水平线夹角为β₂，1D激光位移传感器6与1D激光位移传感器9沿轨道方向的纵向距离为L₅，第二激光对射光电开关发射端5与1D激光位移传感器6沿轨向的距离为L₆，全部激光对射光电开关获取被车轮2挡住的时间间隔，涡流传感器3获取到轮缘最低点的距离，1D激光位移传感器获取到车轮踏面的距离。其中激光位移传感器可以采用基于三角测量原理的1D激光位移传感器。

步骤2，数据分组：涡流传感器3和1D激光位移传感器6和1D激光位移传感器9以频率f同步工作，将数据点按输出时刻的不同将数据点分组到同一时刻的数组中。所述涡流传感器3和1D激光位移传感器6和1D激光位移传感器9采用外部触发来保证同步工作。

步骤3，激光对射光电开关获取各自被车轮遮挡住的时间Δt₁、Δt₂、Δt₃和Δt₄，第一激光对射光电开关发射端4和第四激光对射光电开关发射端8刚被车轮遮挡住的时间间隔是Δt₅，第二激光对射光电开关发射端5和第三激光对射光电开关发射端7刚被车轮挡住的时间间隔是Δt₆，Δt₁～Δt₆随车速变化，从而获得车轮经过系统的速度v，并得到轮缘顶点所在圆的四条弦长l₁～l₄，四个激光对射光电开关安装角度及位置已知，根据几何关系求出轮缘顶点圆直径。四个激光对射光电开关沿轨向安装，激光对射光电开关发射端4和激光对射光电开关发射端7安装方式一样，激光对射光电开关发射端5和激光对射光电开关发射端8安装方式一样。

步骤4，获取踏面点所在圆的圆心位置：建立三维坐标系，根据涡流传感器3的输出，获得轮缘最低点到涡流传感器的距离dw和此时输出采样点的序号n，则得到踏面点所在圆的圆心位置。

步骤4中求解车轮的速度和轮缘顶点圆直径的方法如下：

第一激光对射光电开关发射端4和第四激光对射光电开关发射端8沿轨向的距离为2×L₁+L₂，两个激光对射光电开关刚被车轮挡住的时间间隔是Δt₅，则第二激光对射光电开关发射端5和第三激光对射光电开关发射端7沿轨向的距离为L₂，两个激光对射光电开关刚被车轮挡住的时间间隔是Δt₅，则车轮经过系统时的速度：

$v=\frac{v_1+v_2}{2}$

第一激光对射光电开关发射端4和第二激光对射光电开关发射端5照射到的轮缘顶点圆的弦长分别是l₁和l₂：

l₁＝Δt₁×v

l₂＝Δt₂×v

其中，Δt₁和Δt₂为两个激光对射光电开关被车轮挡住的时间，v为车轮经过测速传感器时的速度；

两个弦长之间的高度h₁：

h₁＝s×sinα₃×(tanα₁-tanα₂)

其中，s为1D激光位移传感器6输出的距离，轮缘顶点圆圆心到第一个弦的高度为h₂：

$h_2=\frac{l_1^2-l_2^2-4h_1^2}{8h_1}$

轮缘顶点圆直径D₁：

$D_1=\sqrt{4{h_2}^2+{l_1}^2}$

同理第三激光对射光电开关发射端7和第四激光对射光电开关发射端8算出轮缘顶点圆直径D₂：

$D_2=\sqrt{4{h_4}^2+{l_3}^2}$

其中：

$h_4=\frac{l_3^2-l_4^2-4h^2}{8h}$

l₃＝Δt₃×v

l₄＝Δt₄×v

第三激光对射光电开关发射端7和第四激光对射光电开关发射端8照射到的轮缘顶点圆的弦长分别是l₃和l₄，两弦之间的高度为h₄；

轮缘顶点圆直径D：

$D=\frac{D_1+D_2}{2}$

步骤4中，获取踏面上探测点所在圆的圆心，通过建立以1D激光位移传感器9为原点，轨向方向为x，垂直轨向方向为y，竖直方向为z的三维坐标系，确定轮缘最低点通过涡流传感器3时的位置和采样点的序号来推算之后的踏面探测点所在圆的圆心位置，具体如下：

结合图5，车轮轮缘最低点经过涡流传感器3时轮缘顶点圆的圆心为(x_on,y_on,z_on)，则1D激光位移传感器9照射到轮缘顶点时，此时是1D激光位移传感器9输出的第m个点，轮缘顶点圆的圆心为(x_om,y_om,z_om)，其中：

x_om＝x_on+(m-n)×T×v

y_om＝d_m×sinα₄×sinβ₂

z_om＝z_on

步骤5，坐标变换、数据融合：将1D激光位移传感器9探测的踏面上的点的距离转换为空间三维坐标(x_i,y_i,z_i)，根据轮缘顶点圆心位置(x_oi,y_oi,z_oi)求出踏面点所在圆的直径，然后将探测到踏面点坐标进行变换，得到从轮缘最低点到外端面的踏面轮廓，再结合1D激光位移传感器6获得到内端面的距离，融合得到车轮的踏面轮廓线。步骤5中得到踏面轮廓线的具体过程如下：

结合图6，1D激光位移传感器9探测到踏面上点的坐标为(x_i,y_i,z_i)，其中：

x_i＝-d_i×sinα₄×cosβ₂

y_i＝d_i×sinα₄×sinβ₂

z_i＝d_i×cosα₄

1D激光位移传感器9输出的距离是d_i，此时轮缘顶点圆心位置(x_oi,y_oi,z_oi)，其中：

x_oi＝x_0m+(i-m)×T×v

y_oi＝d_i×sinα₄×sinβ₂

z_oi＝D/2+dw+H₁

其中，i大于m，踏面点所在圆的半径r_i：

$r_i=\sqrt{{(x_i-x_{oi})}^2+{(y_i-y_{oi})}^2+{(z_i-z_{oi})}^2}$

将踏面点坐标(x_i,y_i,z_i)变换为(x_im,y_im,z_im)：

x_im＝r_i+x_oi-(i-m)×T×ν

y_im＝y_oi z_im＝z_m

将1D激光位移传感器9探测到的踏面上的点坐标变换后即可得到踏面轮廓线。

步骤6，获取轮缘高、轮缘厚和轮径：将步骤五得到的车轮踏面轮廓线按照铁路行业国标TB/T 449-2003中轮缘高及轮缘厚定义的计算公式求出该车轮轮缘高和轮缘厚，将步骤三求得轮缘顶点圆直径减去两倍的轮缘高即为该车轮的直径。

结合图2和图3，本发明列车轮对尺寸在线检测系统，包括涡流传感器3和四激光对射光电开关和两个1D激光位移传感器，其中4个激光对射光电开关均由发射装置和接收装置组成，并安装于同一条轨道1的两侧，激光对射光电开关发射端安装在轨道1内侧，激光对射光电开关接收端安装在轨道1外侧；涡流传感器3和四个激光对射光电开关和两个1D激光传感器均安装于支架上，由轨道底部的夹具固定；四个激光对射光电开关并排平行安装于同一条轨道1两侧，第一激光对射光电开关发射端4和第二激光对射光电开关发射端5之间的相对安装距离为L₁，两者与铅垂线的夹角分别为α₁、α₂，第三激光对射光电开关发射端7和第四激光对射光电开关发射端8之间的相对安装距离为L₁，两者与铅垂线的夹角分别为α₁、α₂激光对射光电开关，第二激光对射光电开关发射端5和第三激光对射光电开关发射端7之间的距离为L₂，第一激光对射光电开关发射端4与涡流传感器发射端3沿轨向方向距离为Lw；两个1D激光位移传感器安装与同一条轨道两侧，1D激光位移传感器6位于第二激光对射光电开关发射端5和第三激光对射光电开关发射端7之间，第二激光对射光电开关发射端5与1D激光位移传感器6沿轨向的距离为L₆；1D激光位移传感器9和1D激光传感器6与轨道1的相对垂直距离分别为L₃、L₄，1D激光传感器9与1D激光位移传感器6沿轨道1方向的纵向距离为L₅，1D激光位移传感器9和1D激光传感器6与铅垂线的夹角分别为α₄、α₃，1D激光位移传感器6和1D激光传感器9与沿轨道1方向的纵向水平线夹角分别为β₁、β₂；

第一激光对射光电开关4、第二激光对射光电开关5、第三激光对射光电开关7、第四激光对射光电开关8、涡流传感器3、内侧1D激光位移传感器6和外侧1D激光位移传感器9均与中央处理单元连接，该中央处理单元包括数据分组模块、获取轮缘顶点圆直径模块、获取踏面点所在圆的直径模块、坐标变换和数据融合模块、获取轮缘高、轮缘厚和轮径模块；

所述数据分组模块中，涡流传感器3、内侧1D激光位移传感器6和外侧1D激光位移传感器9同时采集数据，将数据点按输出时刻的不同将数据点分组到同一刻的数组中；

在获取轮缘顶点圆直径模块，获取四个激光对射光电开关被车轮挡住的时间Δt₁、Δt₂、Δt₃和Δt₄，第一激光对射光电开关发射端4和第四激光对射光电开关发射端8刚被车轮遮挡住的时间间隔是Δt₅，第二激光对射光电开关发射端5和第三激光对射光电开关发射端7刚被车轮挡住的时间间隔是Δt₆，从而获得车轮经过系统的速度v，并得到轮缘顶点所在圆的四条弦长l₁～l₄，根据几何关系求取轮缘顶点圆直径；

在获取踏面点所在圆的直径模块，根据轮缘最低点通过涡流传感器3时的位置和采样点的序号来推算之后的踏面探测点所在圆的圆心位置，从而得到踏面点所在圆的直径；

在坐标变换和数据融合模块，通过将外侧1D激光位移传感器9探测到踏面点坐标进行变换，得到从轮缘最低点到外端面的踏面轮廓，再结合内侧1D激光位移传感器6获得到内端面的距离，融合得到车轮的踏面轮廓线上的离散点；

在获取轮缘高、轮缘厚和轮径模块，根据得到的踏面轮廓线求出轮缘高和轮缘厚，再根据求得的轮缘顶点圆直径，从而得到轮径值。

本发明自的涡流传感器3相对于地面的垂直高度H₁在30mm～80mm，第一激光对射光电开关4和第二激光对射光电开关5相对于轨向的安装距离L₁在30mm～100mm，且与轨道1的相对垂直距离的范围200mm～400mm，第三激光对射光电开关发射端7和第四激光对射光电开关发射端8相对于轨向的安装距离L₁在30mm～100mm，且与轨道1的相对垂直距离的范围200mm～400mm，激光对射光电开关，且第二激光对射光电开关发射端5和第三激光对射光电开关发射端7之间的距离L₂在100mm～400mm，第一激光对射光电开关发射端4与涡流传感器3沿轨向方向距离Lw在50mm～150mm，第二激光对射光电开关发射端5与1D激光位移传感器6沿轨向距离L₆在50mm-200mm，第一激光对射光电开发发射端4和第二激光对射光电开发发射端5与铅垂线的夹角α₁、α₂的范围均为25°～65°，1D激光位移传感器6和1D激光位移传感器9与轨道的相对垂直距离L₃、L₄的范围均为100mm～300mm，1D激光位移传感器6和1D激光位移传感器9之间沿轨道纵向的距离L₅在100mm～400mm范围内，1D激光位移传感器6和1D激光位移传感器9与铅垂线的夹角β₁、β₂的范围均为25°～65°，与沿轨道1方向的纵向水平线夹角α₃、α₄的范围均为15°～65°。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

结合图1～图6，涡流传感器3相对于地面的安装高度H₁为40mm，四个激光对射光电开关沿轨道两侧并排安装，第一激光对射光电开关发射端4和第二激光对射光电开关发射端5之间的安装距离为L₁为100mm，第二激光对射光电开关发射端5和第三激光对射光电开关发射端7之间的安装距离为L₂为200mm，第一激光对射光电开关发射端4与涡流传感器3沿轨向方向距离Lw为100mm，第一激光对射光电开关发射端4和第二激光对射光电开关发射端5与铅垂线分别成30°角和15°角，则α₁、α₂分别为30°和15°角。涡流传感器3与1D激光位移传感器9沿轨向方向距离L为900mm，相对垂直距离为200mm。1D激光位移传感器9和1D激光传感器6与铅垂线分别成45°角和30°角安装于轨道两侧，则α₃、α₄分别为30°和45°角，1D激光位移传感器6与沿轨道方向的纵向水平线成45°角安装，即β₁为45°，1D激光位移传感器9与沿轨道方向的纵向水平线成30°角安装，即β₂为30°，1D激光位移传感器9相对于地面的安装高度H₂为70mm，涡流传感器3和两个1D激光传感器的采样间隔为5ms。

首先记录下第一激光对射光电开关发射端4和第四激光对射光电开关发射端8被车轮挡住的时间差是263ms，第二激光对射光电开关发射端5和第三激光对射光电开关发射端7被车轮挡住的时间差是132ms，得到

$\begin{array}{cc}{v}_1=\frac{2\×L_1+L_2}{{\mathrm{\Δt}}_5}=1.521m/s& v_2=\frac{L_2}{{\mathrm{\Δt}}_6}=1.515m/s\end{array}$

因此

$v=\frac{v_1+v_2}{2}=1.518m/s$

其次由记录下来的第一激光对射光电开关发射端4和第二激光对射开光发射端5被车轮挡住的时间：Δt₁＝409ms和Δt₂＝301ms，和已求的车速v，计算第一激光对射光电开关发射端4和第二激光对射光电开关发射端5照射到的轮缘顶点圆的弦长：

l₁＝Δt₁×v＝0.409×1.518m/s＝620.862mm

l₂＝Δt₂×v＝0.301×1.518m/s＝456.918mm

两弦长之间的高度：

h₁＝444.646×sin30°×(tan30°-tan15°)＝68.787mm

轮缘顶点圆圆心到第一个弦的高度h₂为：

$h_2=\frac{l_1^2-l_2^2-4h^2}{8h_1}=286.698mm$

轮缘顶点圆直径D₁为：

$D_1=\sqrt{4{h_2}^2+{l_1}^2}=845.135mm$

由涡流传感器3测得轮缘最低点到涡流传感器3的距离dw为58.682mm和此时输出采样点的序号n为70，得出车轮轮缘最低点经过涡流传感器3时轮缘顶点圆的圆心为(x_on,y_on,z_on)：

x_on＝-900

y_on＝200

z_on＝D/2+dw+H₁-H₂＝451.250

由1D激光位移传感器9照射到轮缘顶点时，此时1D激光位移传感器9输出的第m个点，m为92，1D激光位移传感器9输出的距离d₉₂＝520.523mm则此时轮缘顶点圆的圆心为(x_o92,y_o92,z_o92)：

x_o92＝x_on+(m-n)×T×v＝-733.02

y_o92＝d_m×sinα₄×sinβ₂＝184.033

z_o92＝z_on＝451.250

由1D激光位移传感器9输出的距离d₉₂为520.523mm，计算1D激光位移传感器9探测到踏面上点的坐标为(x₉₂,y₉₂,z₉₂)：

x₉₂＝-d₉₂×sinα₄×cosβ₂＝520.523×sin45°×cos30°＝-318.754

y₉₂＝d₉₂×sinα₄×sinβ₂＝520.523×sin45°×sin30°＝184.033

z₉₂＝d₉₂×cosα₄＝520.523×cos45°＝368.065

再由1D激光位移传感器9输出的距离d₉₃＝513.545mm，计算则此时轮缘顶点圆的圆心(x_o93,y_o93,z_o93)经计算为(-725.43,181.566,451.250)，1D激光位移传感器9探测到踏面上点的坐标(x₉₃,y₉₃,z₉₃)经计算为(-314.481,181.566,363.131)，此时踏面点所在圆的半径r₉₃为：

将踏面点坐标(x₉₃,y₉₃,z₉₃)变换为(x₉₃’,y₉₃’,z₉₃’)：

x₉₃'＝r₉₃+x_o93-(93-92)×T×ν＝-312.73

y₉₃'＝y_o93＝181.566 z₉₃'＝z₉₂＝368.065

依此类推，计算出第3个点、第4个点等点的坐标。将这些点投影到地面即可得到踏面轮廓线。

因此该车轮的轮缘厚为28.24mm，轮缘高为27.88mm，轮径为789.375mm，根据人工测量该车轮的实际轮缘厚为28.30mm，轮缘高为27.90mm，轮径为789.512mm，可见该方法满足现场实际测量要求。

Claims (6)

1.一种列车轮对尺寸在线检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，布设传感器，并由传感器获取数据：涡流传感器(3)安装在轨道(1)内侧，与地面的高度为H₁；至少四个激光对射光电开关沿列车前进方向并排平行安装于一条轨道(1)两侧，激光对射光电开关发射端安装在轨道(1)内侧，激光对射开关接收端安装在轨道(1)外侧，第一激光对射光电开关发射端(4)和第二激光对射光电开关发射端(5)之间的安装距离为L₁，第一激光对射光电开关发射端(4)和第二激光对射光电开关发射端(5)与铅垂线的夹角分别为α₁、α₂，第三激光对射光电开关发射端(7)和第四激光对射光电开关发射端(8)之间的安装距离为L₁，第二激光对射光电开关发射端(5)和第三激光对射光电开关发射端(7)之间的距离是L₂，第一激光对射光电开关发射端(4)与涡流传感器(3)沿轨向方向距离为Lw；1D激光位移传感器(6)安装在轨道(1)内侧，与轨道(1)的相对垂直距离为L₃，与铅垂线的夹角为α₃，与沿轨道(1)方向的纵向水平线夹角为β₁；1D激光位移传感器(9)安装在轨道(1)外侧，与轨道(1)的相对垂直距离为L₄，与铅垂线的夹角为α₄，与沿轨道(1)方向的纵向水平线夹角为β₂，1D激光位移传感器(6)与1D激光位移传感器(9)沿轨道方向的纵向距离为L₅，第二激光对射光电开关发射端(5)与1D激光位移传感器(6)沿轨向的距离为L₆，全部激光对射光电开关获取被车轮(2)挡住的时间间隔，涡流传感器(3)获取到轮缘最低点的距离，1D激光位移传感器获取到车轮踏面的距离；

步骤2，数据分组：涡流传感器(3)和1D激光位移传感器(6)和1D激光位移传感器(9)以频率f同步工作，将数据点按输出时刻的不同将数据点分组到同一时刻的数组中；

步骤3，激光对射光电开关获取各自被车轮遮挡住的时间Δt₁、Δt₂、Δt₃和Δt₄，第一激光对射光电开关发射端(4)和第四激光对射光电开关发射端(8)刚被车轮遮挡住的时间间隔是△t₅，第二激光对射光电开关发射端(5)和第三激光对射光电开关发射端(7)刚被车轮挡住的时间间隔是△t₆，Δt₁～△t₆随车速变化，从而获得车轮经过系统的速度v，并得到轮缘顶点所在圆的四条弦长l₁～l₄，四个激光对射光电开关安装角度及位置已知，根据几何关系求出轮缘顶点圆直径；

步骤4，获取踏面点所在圆的圆心位置：建立三维坐标系，根据涡流传感器(3)的输出，获得轮缘最低点到涡流传感器的距离dw和此时输出采样点的序号n，则得到踏面点所在圆的圆心位置；

步骤5，坐标变换、数据融合：将1D激光位移传感器(9)探测的踏面上的点的距离转换为空间三维坐标(x_i,y_i,z_i)，根据轮缘顶点圆心位置(x_oi,y_oi,z_oi)求出踏面点所在圆的直径，然后将探测到踏面点坐标进行变换，得到从轮缘最低点到外端面的踏面轮廓，再结合1D激光位移传感器(6)获得到内端面的距离，融合得到车轮的踏面轮廓线；

步骤6，获取轮缘高、轮缘厚和轮径：将步骤五得到的车轮踏面轮廓线按照铁路行业国标TB/T 449-2003中轮缘高及轮缘厚定义的计算公式求出该车轮轮缘高和轮缘厚，将步骤三求得轮缘顶点圆直径减去两倍的轮缘高即为该车轮的直径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤4中求解车轮的速度和轮缘顶点圆直径的方法如下：

第一激光对射光电开关发射端(4)和第四激光对射光电开关发射端(8)沿轨向的距离为2×L₁+L₂，两个激光对射光电开关刚被车轮挡住的时间间隔是△t₅，则第二激光对射光电开关发射端(5)和第三激光对射光电开关发射端(7)沿轨向的距离为L₂，两个激光对射光电开关刚被车轮挡住的时间间隔是Δt₅，则车轮经过系统时的速度：

$v=\frac{v_1+v_2}{2}$

第一激光对射光电开关发射端(4)和第二激光对射光电开关发射端(5)照射到的轮缘顶点圆的弦长分别是l₁和l₂：

l₁＝Δt₁×v

l₂＝Δt₂×v

其中，Δt₁和Δt₂为两个激光对射光电开关被车轮挡住的时间，v为车轮经过测速传感器时的速度；

两个弦长之间的高度h₁：

h₁＝s×sin α₃×(tan α₁-tan α₂)

其中，s为1D激光位移传感器(6)输出的距离，轮缘顶点圆圆心到第一个弦的高度为h₂：

$h_2=\frac{l_1^2-l_2^2-4h_1^2}{8h_1}$

轮缘顶点圆直径D₁：

$D_1=\sqrt{4{h_2}^2+{l_1}^2}$

同理第三激光对射光电开关发射端(7)和第四激光对射光电开关发射端(8)算出轮缘顶点圆直径D₂：

$D_2=\sqrt{4{h_4}^2+{l_3}^2}$

其中：

$h_4=\frac{l_3^2-l_4^2-4h_1^2}{8h_1}$

l₃＝Δt₃×v

l₄＝Δt₄×v

第三激光对射光电开关发射端(7)和第四激光对射光电开关发射端(8)照射到的轮缘顶点圆的弦长分别是l₃和l₄，两弦之间的高度为h₄；

轮缘顶点圆直径D：

$D=\frac{D_1+D_2}{2}$

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤4中，获取踏面上探测点所在圆的圆心，通过建立以1D激光位移传感器(9)为原点，轨向方向为x，垂直轨向方向为y，竖直方向为z的三维坐标系，确定轮缘最低点通过涡流传感器(3)时的位置和采样点的序号来推算之后的踏面探测点所在圆的圆心位置，具体如下：

车轮轮缘最低点经过涡流传感器(3)时轮缘顶点圆的圆心为(x_on,y_on,z_on)，则1D激光位移传感器(9)照射到轮缘顶点时，此时是1D激光位移传感器(9)输出的第m个点，轮缘顶点圆的圆心为(x_om,y_om,z_om)，其中：

x_om＝x_on+(m-n)×T×v

y_om＝d_m×sin α₄×sin β₂

z_om＝z_on.。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤5中得到踏面轮廓线的具体过程如下：

1D激光位移传感器(9)探测到踏面上点的坐标为(x_i,y_i,z_i)，其中：

x_i＝-d_i×sin α₄×cos β₂

y_i＝d_i×sin α₄×sin β₂

z_i＝d_i×cos α₄

1D激光位移传感器(9)输出的距离是d_i，此时轮缘顶点圆心位置(x_oi,y_oi,z_oi)，其中：

x_oi＝x_0m+(i-m)×T×v

y_oi＝d_i×sin α₄×sin β₂

z_oi＝D/2+dw+H₁

其中，i大于m，踏面点所在圆的半径r_i：

$r_i=\sqrt{{(x_i-x_{oi})}^2+{(y_i-y_{oi})}^2+{(z_i-z_{oi})}^2}$

将踏面点坐标(x_i,y_i,z_i)变换为(x_im,y_im,z_im)：

x_im＝r_i+x_oi-(i-m)×T×ν

y_im＝y_oi z_im＝z_m。

将1D激光位移传感器(9)探测到的踏面上的点坐标变换后即可得到踏面轮廓线。

5.一种列车轮对尺寸在线检测系统，其特征在于包括涡流传感器(3)和四激光对射光电开关和两个1D激光位移传感器，其中4个激光对射光电开关均由发射装置和接收装置组成，并安装于同一条轨道(1)的两侧，激光对射光电开关发射端安装在轨道(1)内侧，激光对射光电开关接收端安装在轨道(1)外侧；涡流传感器(3)和四个激光对射光电开关和两个1D激光传感器均安装于支架上，由轨道底部的夹具固定；四个激光对射光电开关并排平行安装于同一条轨道(1)两侧，第一激光对射光电开关发射端(4)和第二激光对射光电开关发射端(5)之间的相对安装距离为L₁，两者与铅垂线的夹角分别为α₁、α₂，第三激光对射光电开关发射端(7)和第四激光对射光电开关发射端(8)之间的相对安装距离为L₁，两者与铅垂线的夹角分别为α₁、α₂激光对射光电开关，第二激光对射光电开关发射端(5)和第三激光对射光电开关发射端(7)之间的距离为L₂，第一激光对射光电开关发射端(4)与涡流传感器发射端(3)沿轨向方向距离为Lw；两个1D激光位移传感器安装与同一条轨道两侧，1D激光位移传感器(6)位于第二激光对射光电开关发射端(5)和第三激光对射光电开关发射端(7)之间，第二激光对射光电开关发射端(5)与1D激光位移传感器(6)沿轨向的距离为L₆；1D激光位移传感器(9)和1D激光传感器(6)与轨道(1)的相对垂直距离分别为L₃、L₄，1D激光传感器(9)与1D激光位移传感器(6)沿轨道(1)方向的纵向距离为L₅，1D激光位移传感器(9)和1D激光传感器(6)与铅垂线的夹角分别为α₄、α₃，1D激光位移传感器(6)和1D激光传感器(9)与沿轨道(1)方向的纵向水平线夹角分别为β₁、β₂；

第一激光对射光电开关(4)、第二激光对射光电开关(5)、第三激光对射光电开关(7)、第四激光对射光电开关(8)、涡流传感器(3)、内侧1D激光位移传感器(6)和外侧1D激光位移传感器(9)均与中央处理单元连接，该中央处理单元包括数据分组模块、获取轮缘顶点圆直径模块、获取踏面点所在圆的直径模块、坐标变换和数据融合模块、获取轮缘高、轮缘厚和轮径模块；

所述数据分组模块中，涡流传感器(3)、内侧1D激光位移传感器(6)和外侧1D激光位移传感器(9)同时采集数据，将数据点按输出时刻的不同将数据点分组到同一刻的数组中；

在获取轮缘顶点圆直径模块，获取四个激光对射光电开关被车轮挡住的时间Δt₁、Δt₂、Δt₃和Δt₄，第一激光对射光电开关发射端(4)和第四激光对射光电开关发射端(8)刚被车轮遮挡住的时间间隔是△t₅，第二激光对射光电开关发射端(5)和第三激光对射光电开关发射端(7)刚被车轮挡住的时间间隔是△t₆，从而获得车轮经过系统的速度v，并得到轮缘顶点所在圆的四条弦长l₁～l₄，根据几何关系求取轮缘顶点圆直径；

在获取踏面点所在圆的直径模块，根据轮缘最低点通过涡流传感器(3)时的位置和采样点的序号来推算之后的踏面探测点所在圆的圆心位置，从而得到踏面点所在圆的直径；

在坐标变换和数据融合模块，通过将外侧1D激光位移传感器(9)探测到踏面点坐标进行变换，得到从轮缘最低点到外端面的踏面轮廓，再结合内侧1D激光位移传感器(6)获得到内端面的距离，融合得到车轮的踏面轮廓线上的离散点；

在获取轮缘高、轮缘厚和轮径模块，根据得到的踏面轮廓线求出轮缘高和轮缘厚，再根据求得的轮缘顶点圆直径，从而得到轮径值。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，涡流传感器(3)相对于地面的垂直高度H₁在30mm～80mm，第一激光对射光电开关(4)和第二激光对射光电开关(5)相对于轨向的安装距离L₁在30mm～100mm，且与轨道(1)的相对垂直距离的范围200mm～400mm，第三激光对射光电开关发射端(7)和第四激光对射光电开关发射端(8)相对于轨向的安装距离L₁在30mm～100mm，且与轨道(1)的相对垂直距离的范围200mm～400mm，激光对射光电开关，且第二激光对射光电开关发射端(5)和第三激光对射光电开关发射端(7)之间的距离L₂在100mm～400mm，第一激光对射光电开关发射端(4)与涡流传感器(3)沿轨向方向距离Lw在50mm～150mm，第二激光对射光电开关发射端(5)与1D激光位移传感器(6)沿轨向距离L₆在50mm-200mm，第一激光对射光电开发发射端(4)和第二激光对射光电开发发射端(5)与铅垂线的夹角α₁、α₂的范围均为25°～65°，1D激光位移传感器(6)和1D激光位移传感器(9)与轨道的相对垂直距离L₃、L₄的范围均为100mm～300mm，1D激光位移传感器(6)和1D激光位移传感器(9)之间沿轨道纵向的距离L₅在100mm～400mm范围内，1D激光位移传感器(6)和1D激光位移传感器(9)与铅垂线的夹角β₁、β₂的范围均为25°～65°，与沿轨道(1)方向的纵向水平线夹角α₃、α₄的范围均为15°～65°。