CN106091951A - 一种城轨列车轮缘参数在线检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城轨车辆轮缘尺寸在线检测方法及其系统，首先进行布设传感器，传感器的数据获取及数据处理，计算车轮不同区域半径，然后进行曲线拟合，依据得到的车轮二维轮廓图，计算出车轮的轮缘高及轮缘厚。本发明成本低、原理简单且便于操作，只需要两个激光位移传感器和三个磁钢即可实现对车轮的轮缘厚、轮缘高的检测工作；具有在线非接触式测量等优点，为实现轮对尺寸的在线测量提供了一种有效的解决方案。

Description

一种城轨列车轮缘参数在线检测系统及方法

技术领域

本发明属于交通安全工程技术领域，特别是一种城轨列车轮缘参数在线检测系统及方法。

背景技术

随着我国城市轨道交通的快速发展及多条线路的开通运行，列车在线运行的安全问题也日益显著。轮对是机车与钢轨相接触的部分。轮对保证了机车在钢轨上的运行和转向，承受来自机车的全部静、动载荷，并把它传递给钢轨，并将因线路不平顺产生的载荷传递给机车车辆各零部件。此外，机车车辆的驱动和制动也是通过轮对起作用的。因此，轮对的状况直接关系到列车的运行质量和安全，对其尺寸参数的实时监测是保障列车安全行驶的重要措施。

对于轮对尺寸的在线检测技术，早期的方法是采用基于CCD图像测量技术进行测量，但该方法的系统结构布置较为复杂，且受振动，环境影响大。随着传感器技术的发展，激光测距得到了越来越广泛的应用，目前国内的轮对尺寸测量均引进了基于激光测距和摄像技术的轮对尺寸检测方法。专利CN204674616U(一种列车轮对尺寸动态检测装置)采用激光器和面阵CCD摄像机实现了轮对几何参数的自动检测系统，但由于车轮踏面磨损光滑度高，反光现象强烈，使得数字图像中轮缘边缘模糊，给检测带来难度。此外，由于传感器太多，系统复杂度大，难以保证较高的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简便高效、成本低的轮缘尺寸在线检测方法及系统，能够实现非接触式的高精度检测。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种城轨车辆轮缘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：在轨道旁依次设置外侧激光位移传感器、内侧激光位移传感器以及第一磁钢、第二磁钢、第三磁钢，其中外侧激光位移传感器安装在轨道外侧，内侧激光位移传感器安装在轨道内侧，外侧激光位移传感器的激光线 与轨向夹角为β，与水平面的夹角为α，内侧激光位移传感器的激光线与轨向夹角为90°，与水平面的夹角为α′，α≠α′，其中外侧激光位移传感器与内侧激光位移传感器沿垂直轨道方向的安装距离为L₁，两者相对于轨面的安装高度均为h₁；第一磁钢、第二磁钢、第三磁钢沿轨向安装于轨道内侧，两两之间安装间距均为L₂，第二磁钢沿轨向相对于外侧激光位移传感器的距离为L₃，整个系统测量区域为第一磁钢和第三磁钢之间的部分；

步骤2，传感器的数据获取及数据处理：外侧激光位移传感器依次获得车轮轮缘顶点到车轮外侧端面的数据，内侧激光位移传感器获得车轮内侧端面点的数据；磁钢检测仪检测车轮轮心在测量区域内相对于第二磁钢的轨向相对位置；

步骤3，计算车轮不同区域半径：当车轮驶入测量区域，外侧激光位移传感器依次扫描车轮踏面轮廓，根据传感器已知安装位置关系以及外侧激光位移传感器采集的数据计算其扫过区域点所在车轮上圆的半径；

步骤4，曲线拟合：以外侧激光位移传感器每个采样点沿垂直轨向方向相对于第一个采样点的距离为横坐标，以不同时刻传感器扫描点所在圆半径为纵坐标绘制二维散点图并进行曲线拟合，得出车轮二维轮廓图；

步骤5，计算车轮轮缘参数：依据得到的车轮二维轮廓图，计算出车轮的轮缘高及轮缘厚。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)成本低、原理简单且便于操作，只需要两个激光位移传感器和三个磁钢即可实现对车轮的轮缘厚、轮缘高的检测工作。(2)具有在线非接触式测量等优点，为实现轮对尺寸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是本发明城轨列车轮缘参数在线检测方法的流程图。

图2是本发明中轮缘尺寸在线检测装置的设备布设图。

图3是激光位移传感器布设轨向视角图。

图4是本发明中轮缘尺寸在线检测装置的传感器安装示意图。

图5是获取的车轮不同位置半径散点图。

图6是补全端面散点图。

图7是曲线拟合后的车轮二维轮廓图。

具体实施方式

结合图1，本发明城轨车辆轮缘尺寸在线检测方法，包括以下步骤：

步骤1，布设传感器：在轨道旁依次设置外侧激光位移传感器、内侧激光位移传感器以及第一磁钢1、第二磁钢2、第三磁钢3，其中外侧激光位移传感器安装在轨道外侧，内侧激光位移传感器安装在轨道内侧，外侧激光位移传感器的激光线与轨向夹角为β，与水平面的夹角为α，内侧激光位移传感器的激光线与轨向夹角为90°，与水平面的夹角为α′，α≠α′，其中外侧激光位移传感器与内侧激光位移传感器沿垂直轨道方向的安装距离为L₁，两者相对于轨面的安装高度均为h₁；第一磁钢1、第二磁钢2、第三磁钢3沿轨向安装于轨道内侧，两两之间安装间距均为L₂，第二磁钢2沿轨向相对于外侧激光位移传感器的距离为L₃，整个系统测量区域为第一磁钢1和第三磁钢3之间的部分。

所述外侧激光位移传感器、内侧激光位移传感器为基于PSD或CCD的1D激光位移传感器。磁钢有以下功能：第一磁钢1用于检测车轮是否进入测量区域，当有车轮驶入时，则外侧激光位移传感器、内侧激光位移传感器进行工作，第二磁钢2用于检测车轮轮心在测量区域的位置，第三磁钢3用于检测车轮是否驶出测量区域。

步骤2，传感器的数据获取及数据处理：外侧激光位移传感器依次获得车轮轮缘顶点到车轮外侧端面的数据，内侧激光位移传感器获得车轮内侧端面点的数据；磁钢检测仪检测车轮轮心在测量区域内相对于第二磁钢2的轨向相对位置。由第二磁钢2检测车轮轮心在测量区域的位置方法如下：

(1)当车轮驶过第二磁钢2时，第二磁钢2会产生一个波形信号，其中波峰位置的出现时刻即是车轮轮心处于第二磁钢2正上方的时刻，记录当前时间t₀；

(2)由于通过测量区域的速度v可事先规定，所以车轮轮心在t时刻相对 于第二磁钢2的位置为：l_lun＝v^*(t-t₀)。

步骤3，计算车轮不同区域半径：当车轮驶入测量区域，外侧激光位移传感器依次扫描车轮踏面轮廓，根据传感器已知安装位置关系以及外侧激光位移传感器采集的数据计算其扫过区域点所在车轮上圆的半径。

计算车轮不同区域半径的方法如下：

(1)假设某一时刻外侧激光位移传感器返回的数据为l_i1，内侧激光位移传感器返回数据为l_i2根据第二磁钢2推算出的车轮轮心相对于第二磁钢2的水平轨向距离为l_i′；

(2)由外侧激光位移传感器相对安装位置及角度得到外侧激光探测点相对于传感器沿轨向方向距离为l_i1cosαcosβ，外侧激光探测点相对于轨面的高度为l_i1sinα-h₁；

(3)由第二磁钢2和外侧激光位移传感器的相对安装位置得到车轮轮心距离外侧激光位移传感器的距离为L₃-l_i′，则车轮轮心和外侧激光探测点沿轨向方向的距离为L₃-l_i′-l_i1cosαcosβ，沿垂直于轨道平面方向的距离为Z_R-l_i1sinα+h₁，其中Z_R为车轮轮心相对于轨面高度；

(4)计算出激光探测点所在车轮圆的半径:

(5)重复上述步骤，依次计算不同时刻激光探测点所在车轮圆的半径，得到一系列半径值。

其中车轮轮心相对于轨面高度Z_R由以下方式确定：

(1)求出轮缘顶点圆直径D_d，该计算车轮顶点圆直径D_d的方法如下：

当车轮驶过测量区域时，由于内外侧传感器安装角度不同，必然会在车轮端面上扫描出两条高度不一但平行的直线，即车轮顶点圆的两条弦，根据车轮车速以及扫描时间计算出两条弦的长度s₁、s₂，s₂>s₁，再根据传感器安装角度计算出两条直线的高度差Δh，则车轮顶点圆直径D_d由如下方程组求出：

(2)以轨向方向为X轴，垂直轨向方向为Y轴，外侧激光位移传感器自身坐标原点为原点建立坐标系。

(3)以外侧激光位移传感器输出第一点为圆心，并以轮缘顶点圆直径D_d画圆。

(4)求出当外侧激光位移传感器输出第一点时轮心所在横坐标，过此横坐标做垂直于X轴的垂线，此垂线与步骤(3)中圆有两个交点，Y值较大点即为轮心点，即求出轮心相对于轨面高度Z_R。

步骤4，曲线拟合：以外侧激光位移传感器每个采样点沿垂直轨向方向相对于第一个采样点的距离为横坐标，以不同时刻传感器扫描点所在圆半径为纵坐标绘制二维散点图并进行曲线拟合，得出车轮二维轮廓图；

步骤5，计算车轮轮缘参数：依据得到的车轮二维轮廓图，计算出车轮的轮缘高及轮缘厚。计算车轮轮缘参数步骤如下：

(1)根据外侧激光位移传感器、内侧激光位移传感器扫描到的车轮左右端面计算车轮轮厚l_thickness：

l_thickness＝L₁-(l_i1*cosα*sinβ+l_i2*cosα′)；

(2)根据车轮轮缘定义分析拟合曲线，找出轮缘最低点、基准点的位置；

(3)根据TB-T 449-2003机车车辆车轮轮缘踏面外形中轮缘高轮缘厚的定义计算车轮轮缘高、轮缘厚。

结合图2、图3和图4，本发明城轨车辆轮缘尺寸在线检测装置，包括与中央处理单元连接的外侧激光位移传感器、内侧激光位移传感器、第一磁钢1、第二磁钢2、第三磁钢3；

在轨道旁依次布设外侧激光位移传感器、内侧激光位移传感器以及第一磁钢1、第二磁钢2、第三磁钢3，其中外侧激光位移传感器安装在轨道外侧，内侧激 光位移传感器安装在轨道内侧，外侧激光位移传感器的激光线与轨向夹角为β，与水平面的夹角为α，内侧激光位移传感器的激光线与轨向夹角为90°，与水平面的夹角为α′，α≠α′，其中外侧激光位移传感器与内侧激光位移传感器沿垂直轨道方向的安装距离为L₁，两者相对于轨面的安装高度均为h₁；第一磁钢1、第二磁钢2、第三磁钢3沿轨向安装于轨道内侧，两两之间安装间距均为L₂，第二磁钢2沿轨向相对于外侧激光位移传感器的距离为L₃，整个系统测量区域为第一磁钢1和第三磁钢3之间的部分；

中央处理单元由传感器的数据获取及数据处理模块、计算车轮不同区域半径模块、曲线拟合模块、计算车轮轮缘参数模块，在传感器的数据获取及数据处理模块中，外侧激光位移传感器依次获得车轮轮缘顶点到车轮外侧端面的数据，内侧激光位移传感器获得车轮内侧端面点的数据；磁钢检测仪检测车轮轮心在测量区域内相对于第二磁钢2的轨向相对位置；

在计算车轮不同区域半径模块中，当车轮驶入测量区域，外侧激光位移传感器依次扫描车轮踏面轮廓，根据传感器已知安装位置关系以及外侧传感器采集的数据计算激光位移传感器扫过区域点所在车轮上圆的半径；

在曲线拟合模块中，以外侧激光位移传感器每个采样点沿垂直轨向方向相对于第一个采样点的距离为横坐标，以不同时刻传感器扫描点所在圆半径为纵坐标绘制二维散点图并进行曲线拟合，得出车轮二维轮廓图；

在计算车轮轮缘参数模块中，依据得到的车轮二维轮廓图，计算出车轮的轮缘高及轮缘厚。

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～图4，两个激光位移传感器采用基于PSD的1D激光位移传感器，外侧激光位移传感器与水平面和轨向的安装夹角均为45°，内侧激光位移传感器与水平面成40°角安装。

根据步骤3的方法，规定车速为5km/h通过设备，首先计算得到车轮顶点圆半径为445.8863mm，由外侧激光位移传感器输出轮缘最低点为圆心，以445.8863 为半径做圆，求出车轮轮心相对于轨面高度为418.5536mm，根据不同时刻外侧激光传感器输出值以及通过磁钢推算出的车轮轴心位置计算不同时刻外侧激光位移传感器照射点所对应的半径，本实例中共求出数据点个数为339个，即得出339个不同位置点的半径值。

根据步骤4中方法，以每个点沿垂直轨向方向相对于第一个点的距离为横坐标，以不同点对应的半径为纵坐标画出二维散点图，如图5所示。由于图5所示散点图并没有车轮端面数据，所以需要进行端面数据补齐，通过内外侧激光位移传感器输出数据补齐后的散点图如图6所示，通过对图5进行曲线拟合可以得出车轮二维轮廓图，如图7所示。

根据步骤5中方法，计算车轮轮缘参数首先需要计算车轮轮厚，由内外侧激光位移传感器分别测量到内外端面的距离可计算出车轮轮厚为134.9235mm，由此结果再根据图7拟合出的轮廓图即可计算出车轮轮缘参数，本例中计算所得轮缘高轮缘厚分别为28.4286mm和29.6748mm。通过人工实测该车轮的轮缘高为28.5mm，轮缘厚为29.7mm，可见上述方法基本满足现场测量要求。

Claims (9)

1.一种城轨车辆轮缘尺寸在线检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，布设传感器：在轨道旁依次设置外侧激光位移传感器、内侧激光位移传感器以及第一磁钢(1)、第二磁钢(2)、第三磁钢(3)，其中外侧激光位移传感器安装在轨道外侧，内侧激光位移传感器安装在轨道内侧，外侧激光位移传感器的激光线与轨向夹角为β，与水平面的夹角为α，内侧激光位移传感器的激光线与轨向夹角为90°，与水平面的夹角为α′，α≠α′，其中外侧激光位移传感器与内侧激光位移传感器沿垂直轨道方向的安装距离为L₁，两者相对于轨面的安装高度均为h₁；第一磁钢(1)、第二磁钢(2)、第三磁钢(3)沿轨向安装于轨道内侧，两两之间安装间距均为L₂，第二磁钢(2)沿轨向相对于外侧激光位移传感器的距离为L₃，整个系统测量区域为第一磁钢(1)和第三磁钢(3)之间的部分；

步骤2，传感器的数据获取及数据处理：外侧激光位移传感器依次获得车轮轮缘顶点到车轮外侧端面的数据，内侧激光位移传感器获得车轮内侧端面点的数据；磁钢检测仪检测车轮轮心在测量区域内相对于第二磁钢(2)的轨向相对位置；

步骤3，计算车轮不同区域半径：当车轮驶入测量区域，外侧激光位移传感器依次扫描车轮踏面轮廓，根据传感器已知安装位置关系以及外侧激光位移传感器采集的数据计算其扫过区域点所在车轮上圆的半径；

步骤4，曲线拟合：以外侧激光位移传感器每个采样点沿垂直轨向方向相对于第一个采样点的距离为横坐标，以不同时刻传感器扫描点所在圆半径为纵坐标绘制二维散点图并进行曲线拟合，得出车轮二维轮廓图；

步骤5，计算车轮轮缘参数：依据得到的车轮二维轮廓图，计算出车轮的轮缘高及轮缘厚。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1所述的外侧激光位移传感器、内侧激光位移传感器为基于PSD或CCD的1D激光位移传感器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1所述磁钢有以下功能：第一磁钢(1)用于检测车轮是否进入测量区域，当有车轮驶入时，则外侧激光位移传感器、内侧激光位移传感器进行工作，第二磁钢(2)用于检测车轮轮心在测量区域的位置，第三磁钢(3)用于检测车轮是否驶出测量区域。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于由第二磁钢(2)检测车轮轮心在测量区域的位置方法如下：

(1)当车轮驶过第二磁钢(2)时，第二磁钢(2)会产生一个波形信号，其中波峰位置的出现时刻即是车轮轮心处于第二磁钢(2)正上方的时刻，记录当前时间t₀；

(2)由于通过测量区域的速度v可事先规定，所以车轮轮心在t时刻相对于第二磁钢(2)的位置为：l_lun＝v*(t-t₀)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3所述计算车轮不同区域半径的方法如下：

(1)假设某一时刻外侧激光位移传感器返回的数据为l_i1，内侧激光位移传感器返回数据为l_i2根据第二磁钢(2)推算出的车轮轮心相对于第二磁钢(2)的水平轨向距离为l_i′；

(2)由外侧激光位移传感器相对安装位置及角度得到外侧激光探测点相对于传感器沿轨向方向距离为l_i1cosαcosβ，外侧激光探测点相对于轨面的高度为l_i1sinα-h₁；

(3)由第二磁钢(2)和外侧激光位移传感器的相对安装位置得到车轮轮心距离外侧激光位移传感器的距离为L₃-l_i′，则车轮轮心和外侧激光探测点沿轨向方向的距离为L₃-l_i′-l_i1cosαcosβ，沿垂直于轨道平面方向的距离为Z_R-l_i1sinα+h₁，其中Z_R为车轮轮心相对于轨面高度；

(4)计算出激光探测点所在车轮圆的半径:

$R_i=\sqrt{{(L_3-{l_i}^{\′}-l_{i1}cos\mathrm{\α}cos\mathrm{\β})}^2+{(Z_R-l_{i1}sin\mathrm{\α}+h_1)}^2}$

(5)重复上述步骤，依次计算不同时刻激光探测点所在车轮圆的半径，得到一系列半径值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于车轮轮心相对于轨面高度Z_R由以下方式确定：

(1)求出轮缘顶点圆直径D_d；

(2)以轨向方向为X轴，垂直轨向方向为Y轴，外侧激光位移传感器自身坐标原点为原点建立坐标系；

(3)以外侧激光位移传感器输出第一点为圆心，并以轮缘顶点圆直径D_d画圆；

(4)求出当外侧激光位移传感器输出第一点时轮心所在横坐标，过此横坐标做垂直于X轴的垂线，此垂线与步骤(3)中圆有两个交点，Y值较大点即为轮心点，即求出轮心相对于轨面高度Z_R。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于步骤(1)所述计算车轮顶点圆直径D_d的方法如下：

当车轮驶过测量区域时，由于内外侧传感器安装角度不同，必然会在车轮端面上扫描出两条高度不一但平行的直线，即车轮顶点圆的两条弦，根据车轮车速以及扫描时间计算出两条弦的长度s₁、s₂，s₂>s₁，再根据传感器安装角度计算出两条直线的高度差△h，则车轮顶点圆直径D_d由如下方程组求出：

$\left\{\begin{array}{c}{\left(\frac{D_d}{2}\right)}^2-{\left(\frac{s_1}{2}\right)}^2={h_{s1}}^2\\ {\left(\frac{D_d}{2}\right)}^2-{\left(\frac{s_2}{2}\right)}^2={h_{s2}}^2\\ h_{s1}-h_{s2}=\mathrm{\Δ}h\end{array}\right.$

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤5所述计算车轮轮缘参数步骤如下：

(1)根据外侧激光位移传感器、内侧激光位移传感器扫描到的车轮左右端面计算车轮轮厚l_thickness：

l_thickness＝L₁-(l_i1*cosα*sinβ+l_i2*cosα′)；

(2)根据车轮轮缘定义分析拟合曲线，找出轮缘最低点、基准点的位置；

(3)根据TB-T 449-2003机车车辆车轮轮缘踏面外形中轮缘高轮缘厚的定义计算车轮轮缘高、轮缘厚。

9.一种城轨车辆轮缘尺寸在线检测系统，其特征在于包括与中央处理单元连接的外侧激光位移传感器、内侧激光位移传感器、第一磁钢(1)、第二磁钢(2)、第三磁钢(3)；

在轨道旁依次布设外侧激光位移传感器、内侧激光位移传感器以及第一磁钢(1)、第二磁钢(2)、第三磁钢(3)，其中外侧激光位移传感器安装在轨道外侧，内侧激光位移传感器安装在轨道内侧，外侧激光位移传感器的激光线与轨向夹角为β，与水平面的夹角为α，内侧激光位移传感器的激光线与轨向夹角为90°，与水平面的夹角为α′，α≠α′，其中外侧激光位移传感器与内侧激光位移传感器沿垂直轨道方向的安装距离为L₁，两者相对于轨面的安装高度均为h₁；第一磁钢(1)、第二磁钢(2)、第三磁钢(3)沿轨向安装于轨道内侧，两两之间安装间距均为L₂，第二磁钢(2)沿轨向相对于外侧激光位移传感器的距离为L₃，整个系统测量区域为第一磁钢(1)和第三磁钢(3)之间的部分；

中央处理单元由传感器的数据获取及数据处理模块、计算车轮不同区域半径模块、曲线拟合模块、计算车轮轮缘参数模块，在传感器的数据获取及数据处理模块中，外侧激光位移传感器依次获得车轮轮缘顶点到车轮外侧端面的数据，内侧激光位移传感器获得车轮内侧端面点的数据；磁钢检测仪检测车轮轮心在测量区域内相对于第二磁钢(2)的轨向相对位置；

在计算车轮不同区域半径模块中，当车轮驶入测量区域，外侧激光位移传感器依次扫描车轮踏面轮廓，根据传感器已知安装位置关系以及外侧传感器采集的数据计算激光位移传感器扫过区域点所在车轮上圆的半径；

在曲线拟合模块中，以外侧激光位移传感器每个采样点沿垂直轨向方向相对于第一个采样点的距离为横坐标，以不同时刻传感器扫描点所在圆半径为纵坐标绘制二维散点图并进行曲线拟合，得出车轮二维轮廓图；

在计算车轮轮缘参数模块中，依据得到的车轮二维轮廓图，计算出车轮的轮缘高及轮缘厚。