CN106043356A - 一种城轨列车轮缘顶点圆直径在线检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城轨列车轮缘顶点圆直径在线检测方法及系统，包括两个车轮传感器和两对激光发射接收装置，两个车轮传感器平行于轨向间隔安装，用于启动关闭激光发射装置以及车速测量；两对激光发射接收装置分别垂直于轨向以倾斜角进行布设，且安装高度不同，车轮传感器与两个激光发射装置用电信号连接，当车轮传感器一检测到列车到达时，发送信号触发激光发射装置工作，激光发射装置发出的激光线从轨道底部斜向上投射到列车车轮并划出两条平行的弦，结合激光线遮挡时间以及获得的车速，可得列车轮缘顶点圆直径，当车轮传感器二检测到列车所有轮对经过后，发送信号停止激光发射装置工作。本发明具有设计简单、计算速度快、测量精度高、在线实时测量等优点。

Description

一种城轨列车轮缘顶点圆直径在线检测方法及系统

技术领域

本发明属于轨道车辆在线监测领域，特别是一种城轨列车轮缘顶点圆直径在线检测方法及系统。

背景技术

轮对作为列车的重要组成部分，不仅负责传递车身与轨道间的全部作用力，还需承受通过曲线时产生的离心力以及制动时产生的制动力，直接影响着列车运行的安全稳定，因此及时掌握车轮的磨损状况，对于保障车辆运行的安全性具有重要意义。

其中，车轮直径作为列车轮对磨损几何参数中的重要一项，对其检测主要有静态检测方法和动态检测方法。静态检测是在车辆非运行状态下进行的参数测量，这种检测方式虽然精度高，但是检测效率低，占用车辆周转时间长；动态检测则在车辆运行状态下进行，检测速度快，无周转时间，有利于加强铁路系统对列车运行状态的管理，是未来列车轮对参数检测的发展趋势。专利申请CN201410320051.2(一种铁路车轮直径动态测量装置及方法)利用车轮传感器、数字摄像机以及线激光发生器，根据图像分析的方法实现了车轮直径的动态测量，但由于车轮踏面磨损后光滑度高，反光强烈，容易造成采集的车轮图像边缘轮廓模糊，导致直径测量误差变大，难以保证测量的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种布设方便、计算速度快、测量结果准确的城轨列车轮缘顶点圆直径在线检测方法及其系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种城轨列车轮缘顶点圆直径在线检测方法及其系统，包括以下步骤：

步骤1，布设传感器：在轨旁设置两对激光发射、接收装置以及两个车轮传感器，其中两个车轮传感器沿轨道方向间隔安装于轨道内侧，紧贴轨道布置，两个车轮传感器的中轴线的安装距离为L₁，按列车前进方向分别记两个车轮传感器为车轮传感器一和车轮传感器二；激光发射装置沿轨向平行安装于轨道内侧，激光接收装置安装于轨道外侧，由激光发射装置发出的激光线从轨道底部斜向上投射能够被对应的单个激光接收装置接收，且激光线在水平面上的投影与轨道相垂直，按列车前进方向依次记激光发射装置为HS、LS，对应激光接收装置为HR、LR，激光发射装置HS的激光源距地面的安装高度为h₁，与水平面的夹角为α；激光发射装置LS的激光源距地面的安装高度为h₂，h₂<h₁，与水平面的夹角为α’，α’＝α；

步骤2，传感器数据获取：车轮传感器一与车轮传感器二安装位置之间的区域即为检测区域，当车轮传感器一检测到有列车轮对到达检测区域时，发送信号触发激光发射装置HS、LS工作，两个激光发射装置HS、LS发出的激光线从轨道底部斜向上投射到列车车轮并划出两条平行的弦，激光接收装置HR、LR会经历“导通——截止——导通”的状态并分别记录各状态转换时间点及车轮遮挡时间；同时，当车轮中心经过车轮传感器一和车轮传感器二时，车轮传感器均会产生脉冲信号并记录脉冲产生时间，每个车轮经过检测区域后得到两个脉冲产生时间，当车轮传感器二检测到列车所有轮对经过检测区域后，发送信号停止激光发射装置HS、LS工作；

步骤3，车辆速度的获取：车轮传感器一和车轮传感器二安装间距L₁确定，通过两个车轮传感器产生脉冲信号的时间差即可得到列车通过设备的瞬时车速；

步骤4，轮缘顶点圆直径获取：激光线被车轮遮挡的同时会在车轮上划出两条不同高度的弦，通过步骤2得到的车轮遮挡时间以及步骤3获取的车辆速度，求得两组弦长，从而获取车轮轮缘顶点圆直径。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)结构布设方便、计算速度快、测量结果准确，测量装置只需两对激光发射接收装置以及两个车轮传感器即可实现对车轮轮缘顶点圆直径的检测工作。(2)具有在线非接触式测量等优点，为实现轮对直径的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是本发明中车轮轮缘顶点圆直径检测方法的流程图。

图2是本发明中车轮轮缘顶点圆直径检测的检测装置安装三维图。

图3是本发明中车轮轮缘顶点圆直径检测的检测装置布设示意图。

图4是本发明中车轮轮缘顶点圆直径检测的激光发射接收装置安装侧视图。

图5是本发明中车轮轮缘顶点圆直径检测的计算直径说明图。

具体实施方式

结合图1，本发明种城轨列车轮缘顶点圆直径在线检测方法，包括以下步骤：

步骤1，布设传感器：在轨旁设置两对激光发射、接收装置以及两个车轮传感器，其中两个车轮传感器沿轨道方向间隔安装于轨道内侧，紧贴轨道布置，两个车轮传感器的中轴线的安装距离为L₁，按列车前进方向分别记两个车轮传感器为车轮传感器一和车轮传感器二；激光发射装置沿轨向平行安装于轨道内侧，激光接收装置安装于轨道外侧，由激光发射装置发出的激光线从轨道底部斜向上投射能够被对应的单个激光接收装置接收，且激光线在水平面上的投影与轨道相垂直，按列车前进方向依次记激光发射装置为HS、LS，对应激光接收装置为HR、LR，激光发射装置HS的激光源距地面的安装高度为h₁，与水平面的夹角为α；激光发射装置LS的激光源距地面的安装高度为h₂，h₂<h₁，与水平面的夹角为α’，α’＝α。

步骤2，传感器数据获取：车轮传感器一与车轮传感器二安装位置之间的区域即为检测区域，当车轮传感器一检测到有列车轮对到达检测区域时，发送信号触发激光发射装置HS、LS工作，两个激光发射装置HS、LS发出的激光线从轨道底部斜向上投射到列车车轮并划出两条平行的弦，激光接收装置HR、LR会经历“导通——截止——导通”的状态并分别记录各状态转换时间点及车轮遮挡时间；同时，当车轮中心经过车轮传感器一和车轮传感器二时，车轮传感器均会产生脉冲信号并记录脉冲产生时间，每个车轮经过检测区域后得到两个脉冲产生时间，当车轮传感器二检测到列车所有轮对经过检测区域后，发送信号停止激光发射装置HS、LS工作。

在步骤2中，两个激光发射装置沿轨向平行安装于轨道内侧且安装高度不同，在无遮挡时由激光发射装置发出的两束激光线从轨道底部以相同角度斜向上投射能够被对应激光接收装置接收，当车轮经过时，激光接收装置会经历“导通——截止——导通”的状态并自动记录各状态转换时间点及遮挡时间，记激光发射装置HS由导通转换为截止的时间点为t₁，由截止转换为导通的时间点为t₃,激光发射装置LS由导通转换为截止的时间点为t₂，由截止转换为导通的时间点为t₄，激光发射装置HS被车轮遮挡时间为T_HS，LS被车轮遮挡时间为T_LS，其中：

T_HS＝t₃-t₁

T_LS＝t₄-t₂。

同时，当该车轮中心经过车轮传感器时，车轮传感器会产生一个脉冲信号，记车轮通过车轮传感器一的时间点为t₅，通过车轮传感器二的时间点为t₆，当车轮传感器二检测到列车所有轮对经过检测区域后，发送信号停止激光发射装置工作。

步骤3，车辆速度的获取：车轮传感器一和车轮传感器二安装间距L₁确定，通过两个车轮传感器产生脉冲信号的时间差即可得到列车通过设备的瞬时车速。在检测区域的轨道一侧间隔布置两个车轮传感器，当车轮驶过时传感器会产生一个脉冲信号，记车轮通过车轮传感器一的时间点为t₅，通过车轮传感器二的时间点为t₆，由于两个车轮传感器安装间距L₁确定，通过两个车轮传感器产生脉冲信号的时间差即可得到车辆速度v：

v＝L₁/(t₆-t₅)。

步骤4，轮缘顶点圆直径获取：激光线被车轮遮挡的同时会在车轮上划出两条不同高度的弦，通过步骤2得到的车轮遮挡时间以及步骤3获取的车辆速度，求得两组弦长，从而获取车轮轮缘顶点圆直径。所述的轮缘顶点圆直径获取方法由以下步骤而得：

第1步，根据激光发射装置HS被车轮遮挡时间T_HS及LS被车轮遮挡时间T_LS、车辆速度v，求取激光线在车轮上划出的两组不同高度弦长l_HS和l_LS，即结合激光线遮挡时间T_HS、T_LS及车辆速度v，相乘即可得到弦长l_HS和l_LS：

l_HS＝T_HS·v

l_LS＝T_LS·v

第2步，如图5，求取轮缘顶点圆直径R，由于两个激光发射装置发出的两条激光线相互平行，由几何关系可知，两组弦的距离h为：

h＝h₁-h₂

设车轮圆心到高处激光线的垂直距离为d，根据勾股定理得到：

$R^2=d^2+{\left(\frac{l_{HS}}{2}\right)}^2$

$R^2={(d+h)}^2+{\left(\frac{l_{LS}}{2}\right)}^2$

联立求得：

$R=\sqrt{{(\frac{l_{HS}^2-l_{LS}^2}{8h}-\frac{h}{2})}^2+\frac{l_{HS}^2}{4}}.$

结合图2和图3，本发明城轨列车轮缘顶点圆直径在线检测系统，包括两对激光发射、接收装置以及两个车轮传感器，其中两个车轮传感器及两个激光接收装置与主机相连接，两个车轮传感器与两个激光发射装置用电信号连接。两对激光发射、接收装置以及两个车轮传感器设置在轨旁，其中两个车轮传感器间隔安装于轨道内侧，紧贴轨道布置，两个车轮传感器的中轴线的安装距离为L₁，按列车前进方向分别记两个车轮传感器为车轮传感器一和车轮传感器二；激光发射装置沿轨向平行安装于轨道内侧，激光接收装置安装于轨道外侧，由激光发射装置发出的激光线从轨道底部斜向上投射能够被对应的单个激光接收装置接收，且激光线在水平面上的投影与轨道相垂直，按列车前进方向依次记激光发射装置为HS、LS，对应激光接收装置为HR、LR，激光发射装置HS的激光源距地面的安装高度为h₁，与水平面的夹角为α；激光发射装置LS的激光源距地面的安装高度为h₂，h₂<h₁，与水平面的夹角为α’，α’＝α；

所述两个车轮传感器与两个激光接收装置获取到的时刻数据通过采集电路传送到主机的车速获取模块和车轮轮缘顶点圆直径计算模块，在车速获取模块中，车轮传感器一和车轮传感器二安装间距L₁确定，通过两个车轮传感器产生脉冲信号的时间差即可得到列车通过设备的瞬时车速；在车轮轮缘顶点圆直径计算模块中，激光线被车轮遮挡的同时会在车轮上划出两条不同高度的弦，通过车轮遮挡时间以及车速，求得两组弦长，从而获取车轮轮缘顶点圆直径。

本发明两个车轮传感器与两个激光发射装置用电信号连接，当车轮传感器一检测到有列车轮对到达检测区域时，发送信号触发激光发射装置HS、LS工作，当车轮传感器二检测到列车所有轮对经过检测区域后，发送信号停止激光发射装置HS、LS工作。激光发射装置由激光发射器和调制编码器组成，激光接收装置由激光接收器、放大检波器和调制解调器组成，激光接收装置对接收到的光线频率进行解析并筛选出特定频段的激光以排除日光干扰；整个检测过程中存在激光线被遮挡及激光线无遮挡两种状态，激光接收装置自动记录各状态转换时间点，整个“接收——判断——记录”过程用时在30微秒以内。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例

结合图2和图3，两个车轮传感器安装间距L₁为1.53m，激光发射装置与水平面的安装夹角α和α’均为35°，激光线在水平面上的投影与轨道相垂直，其中激光发射装置HS与LS的安装高度差h为64mm，激光发射装置发出的激光线正好被对应激光接收装置接收。

规定列车以匀速通过测量区域，根据两个车轮传感产生脉冲信号的时间差计算得到列车一车轮通过检测设备时的平均速度v为1.556m/s，HS发出激光线被车轮遮挡时间T_HS为0.529s，LS发出激光线被车轮遮挡时间T_LS为0.328s，由步骤3计算得到两条弦长l_HS和l_LS分别为823.12mm、510.36mm，最后利用算法计算得到车轮轮缘顶点圆直径R为884.192mm。通过人工实测该车轮轮缘顶点圆直径为884.250mm，可见该方法基本满足现场测量要求。

Claims (7)

1.一种城轨列车轮缘顶点圆直径在线检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，布设传感器：在轨旁设置两对激光发射、接收装置以及两个车轮传感器，其中两个车轮传感器沿轨道方向间隔安装于轨道内侧，紧贴轨道布置，两个车轮传感器的中轴线的安装距离为L₁，按列车前进方向分别记两个车轮传感器为车轮传感器一和车轮传感器二；激光发射装置沿轨向平行安装于轨道内侧，激光接收装置安装于轨道外侧，由激光发射装置发出的激光线从轨道底部斜向上投射能够被对应的单个激光接收装置接收，且激光线在水平面上的投影与轨道相垂直，按列车前进方向依次记激光发射装置为HS、LS，对应激光接收装置为HR、LR，激光发射装置HS的激光源距地面的安装高度为h₁，与水平面的夹角为α；激光发射装置LS的激光源距地面的安装高度为h₂，h₂<h₁，与水平面的夹角为α’，α’＝α；

步骤2，传感器数据获取：车轮传感器一与车轮传感器二安装位置之间的区域即为检测区域，当车轮传感器一检测到有列车轮对到达检测区域时，发送信号触发激光发射装置HS、LS工作，两个激光发射装置HS、LS发出的激光线从轨道底部斜向上投射到列车车轮并划出两条平行的弦，激光接收装置HR、LR会经历“导通——截止——导通”的状态并分别记录各状态转换时间点及车轮遮挡时间；同时，当车轮中心经过车轮传感器一和车轮传感器二时，车轮传感器均会产生脉冲信号并记录脉冲产生时间，每个车轮经过检测区域后得到两个脉冲产生时间，当车轮传感器二检测到列车所有轮对经过检测区域后，发送信号停止激光发射装置HS、LS工作；

步骤3，车辆速度的获取：车轮传感器一和车轮传感器二安装间距L₁确定，通过两个车轮传感器产生脉冲信号的时间差即可得到列车通过设备的瞬时车速；

步骤4，轮缘顶点圆直径获取：激光线被车轮遮挡的同时会在车轮上划出两条不同高度的弦，通过步骤2得到的车轮遮挡时间以及步骤3获取的车辆速度，求得两组弦长，从而获取车轮轮缘顶点圆直径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2中，两个激光发射装置沿轨向平行安装于轨道内侧且安装高度不同，在无遮挡时由激光发射装置发出的两束激光线从轨道底部以相同角度斜向上投射能够被对应激光接收装置接收，当车轮经过时，激光接收装置会经历“导通——截止——导通”的状态并自动记录各状态转换时间点及遮挡时间，记激光发射装置HS由导通转换为截止的时间点为t₁，由截止转换为导通的时间点为t₃,激光发射装置LS由导通转换为截止的时间点为t₂，由截止转换为导通的时间点为t₄，激光发射装置HS被车轮遮挡时间为T_HS，LS被车轮遮挡时间为T_LS，其中：

T_HS＝t₃-t₁

T_LS＝t₄-t₂。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3中，在检测区域的轨道一侧间隔布置两个车轮传感器，当车轮驶过时传感器会产生一个脉冲信号，记车轮通过车轮传感器一的时间点为t₅，通过车轮传感器二的时间点为t₆，由于两个车轮传感器安装间距L₁确定，通过两个车轮传感器产生脉冲信号的时间差即可得到车辆速度v：

v＝L₁/(t₆-t₅)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤4中所述的轮缘顶点圆直径获取方法由以下步骤而得：

第1步，根据激光发射装置HS被车轮遮挡时间T_HS及LS被车轮遮挡时间T_LS、车辆速度v，求取激光线在车轮上划出的两组不同高度弦长l_HS和l_LS，即结合激光线遮挡时间T_HS、T_LS及车辆速度v，相乘即可得到弦长l_HS和l_LS：

l_HS＝T_HS·v

l_LS＝T_LS·v

第2步，求取轮缘顶点圆直径R，由于两个激光发射装置发出的两条激光线相互平行，由几何关系可知，两组弦的距离h为：

h＝h₁-h₂

设车轮圆心到高处激光线的垂直距离为d，根据勾股定理得到：

$R^2=d^2+{\left(\frac{l_{HS}}{2}\right)}^2$

$R^2={(d+h)}^2+{\left(\frac{l_{LS}}{2}\right)}^2$

联立求得：

$R=\sqrt{{(\frac{l_{HS}^2-l_{LS}^2}{8h}-\frac{h}{2})}^2+\frac{l_{HS}^2}{4}}.$

5.一种城轨列车轮缘顶点圆直径在线检测系统，其特征在于包括两对激光发射、接收装置以及两个车轮传感器，其中两个车轮传感器及两个激光接收装置与主机相连接，两个车轮传感器与两个激光发射装置用电信号连接；两对激光发射、接收装置以及两个车轮传感器设置在轨旁，其中两个车轮传感器间隔安装于轨道内侧，紧贴轨道布置，两个车轮传感器的中轴线的安装距离为L₁，按列车前进方向分别记两个车轮传感器为车轮传感器一和车轮传感器二；激光发射装置沿轨向平行安装于轨道内侧，激光接收装置安装于轨道外侧，由激光发射装置发出的激光线从轨道底部斜向上投射能够被对应的单个激光接收装置接收，且激光线在水平面上的投影与轨道相垂直，按列车前进方向依次记激光发射装置为HS、LS，对应激光接收装置为HR、LR，激光发射装置HS的激光源距地面的安装高度为h₁，与水平面的夹角为α；激光发射装置LS的激光源距地面的安装高度为h₂，h₂<h₁，与水平面的夹角为α’，α’＝α；

所述两个车轮传感器与两个激光接收装置获取到的时刻数据通过采集电路传送到主机的车速获取模块和车轮轮缘顶点圆直径计算模块，在车速获取模块中，车轮传感器一和车轮传感器二安装间距L₁确定，通过两个车轮传感器产生脉冲信号的时间差即可得到列车通过设备的瞬时车速；在车轮轮缘顶点圆直径计算模块中，激光线被车轮遮挡的同时会在车轮上划出两条不同高度的弦，通过车轮遮挡时间以及车速，求得两组弦长，从而获取车轮轮缘顶点圆直径。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于两个车轮传感器与两个激光发射装置用电信号连接，当车轮传感器一检测到有列车轮对到达检测区域时，发送信号触发激光发射装置HS、LS工作，当车轮传感器二检测到列车所有轮对经过检测区域后，发送信号停止激光发射装置HS、LS工作。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于激光发射装置由激光发射器和调制编码器组成，激光接收装置由激光接收器、放大检波器和调制解调器组成，激光接收装置对接收到的光线频率进行解析并筛选出特定频段的激光以排除日光干扰；整个检测过程中存在激光线被遮挡及激光线无遮挡两种状态，激光接收装置自动记录各状态转换时间点。