CN106585662A - 一种机车轮对冲角检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机车轮对冲角检测系统及其检测方法，基于轨道安装方式，在轨道中间安置高精度的超声测距单元测量机车轮对的冲角，能够准确连续多次的测量冲角，并且安装方便，使用和维护简单，其中，通过安装在轨道中超声测距单元内的一至两组单侧检测传感器组，由高精度的超声测距传感器和激光触发传感器实现触发与检测，当机车通过检测区域触发激光触发传感器，并由对应硬件控制器获取激光触发传感器的信号，开始采集超声测距传感器的数据，并实时传递给总控制模块，总控制模块对接收到硬件控制器发送数据进行处理和分析，计算出机车轮对的冲角值，并根据预设冲角阈值进行对比，实现自动报警，提高铁路运行的安全性。

Description

一种机车轮对冲角检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种机车轮对冲角检测系统及其检测方法，属于机车轮对冲角检测技术领域。

背景技术

近年来，随着社会经济的快速发展，整体工业结构的不断升级，地区与地区之间快速的人口流动，货物的运输量也日益增多，原有的交通输送能力已经难以满足不断提高的交通运输量。为了解决日益紧张的供需矛盾，国家采取了多种手段来扩大国内国际的交通运输量。其中铁路作为目前世界公认的单位运力最大的交通手段，也积极采取了多种应对方式——多次进行列车大提速，并大力发展以高速铁路为代表的快速运营手段。

高速列车运动的稳定性、安全性和防止脱轨,成为了高铁列车研制的关键性问题。其中对于车辆运行的稳定性也就成为了重点研究方向。在列车的安全性研究中,机车行驶过程中轮对的冲角测量是一个非常重要的研究方向。冲角值的大小不仅反应出机车行驶过程中的稳定性，也是间接的判断机车行驶过程中出现脱轨和判断轮对磨损的重要参考值。冲角值越大，机车发生脱轨或其他安全事故可能性越大，冲角值越小或为0，显示了机车稳定安全的运行，根据冲角参数值，可以在一定程度上保障机车运行的安全，通过机车运行时轮对的冲角值的自动测量，根据设定的阈值实现提前报警，提高机车运行的安全性。

如图1所示，两侧表示的是轨道，中间表示的是车轮轮对运动的轨迹，当机车在轨道上行驶，车轮轮对的运动轨迹如图1所示，图一对应了两个运动状态，左边状态一轮对在正常行驶过程，轮对轮缘到轨道的距离L1和L2相等，此时轮对的冲角值是0，右边状态二显示此时机车在行驶过程中轮对有冲角，轮对轮缘到轨道的距离L1不等于L2，此时冲角计算如图2所示，冲角D是两个超声测距传感器的距离。通过超声测距传感器测量出机车运行时轮对轮缘与钢轨的距离，轮缘与钢轨之间的夹角值就是轮对的冲角值，从而计算出轮对的冲角值。

目前已有的冲角测量系统需要在机车上安装特殊的装置检测轮对的冲角，这种典型地车辆安装式系统是安装在一组特殊的轮对上，并不能检测所有轮对的冲角，这种系统成本比较高，检测不全面。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于轨道安装方式，能够准确连续多次的测量冲角，并且安装方便，使用和维护简单的机车轮对冲角检测系统。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种机车轮对冲角检测系统，包括总控制模块和至少两个超声测距单元，各个超声测距单元分别包括硬件控制器和第一单侧检测传感器组，各个超声测距单元中的第一单侧检测传感器组沿机车轨道进行设置，且相邻第一单侧检测传感器组沿机车轨道等距离分布设置，且该等距离为第一预设距离；其中，第一单侧检测传感器组包括两个超声测距传感器和两个激光触发传感器，第一单侧检测传感器组中的各个传感器分别与对应超声测距单元中的硬件控制器相连接；第一单侧检测传感器组中的各个传感器设置在同侧机车轨道的轨道内侧面，且两个超声测距传感器位于两个激光触发传感器之间，以及各个传感器的检测方向垂直轨道内侧面、指向另一侧机车轨道；第一单侧检测传感器组中两个超声测距传感器之间的距离为第二预设距离，第一单侧检测传感器组中两个激光触发传感器之间的距离为第三预设距离，且第一单侧检测传感器组中两个超声测距传感器之间的中点与两个激光触发传感器之间的中点位于同一位置；各个超声测距单元中的硬件控制器分别与总控制模块相连接进行通信。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各个超声测距单元分别还包括第二单侧检测传感器组，第二单侧检测传感器组包括两个超声测距传感器和两个激光触发传感器，第二单侧检测传感器组中的各个传感器分别与对应超声测距单元中的硬件控制器相连接；各个超声测距单元中，第二单侧检测传感器组中的各个传感器与第一单侧检测传感器组中的各个传感器分别彼此位置相对应的、设置在另一侧机车轨道的轨道内侧面，且第二单侧检测传感器组中两个超声测距传感器位于两个激光触发传感器之间，以及第二单侧检测传感器组中各个传感器的检测方向垂直轨道内侧面、指向另一侧机车轨道。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第一预设距离大于或等于四分之一车轮周长，且小于或等于车轮周长。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第二预设距离大于10厘米，且小于50厘米。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第三预设距离大于20厘米，且小于60厘米。

本发明所述一种机车轮对冲角检测系统采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设计的机车轮对冲角检测系统，基于轨道安装方式，在轨道中间安置高精度的超声测距单元测量机车轮对的冲角，能够准确连续多次的测量冲角，并且安装方便，使用和维护简单，其中，通过安装在轨道中间高精度的超声测距传感器和激光触发传感器，当机车通过检测区域触发激光触发传感器，并由对应硬件控制器获取激光触发传感器的信号，开始采集超声测距传感器的数据，并实时传递给总控制模块，总控制模块对接收到硬件控制器发送数据进行处理和分析，计算出机车轮对的冲角值，并根据预设冲角阈值进行对比，实现自动报警，提高铁路运行的安全性。

与之相应，本发明还要解决的技术问题是提供一种基于所设计机车轮对冲角检测系统，能够有效提高轮对冲角检测精度与效率的机车轮对冲角检测系统检测方法。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种机车轮对冲角检测系统检测方法，所述各个超声测距单元对应于机车轨道检测段进行设置，各个超声测距单元分别按如下步骤进行执行；

步骤a01.第一单侧检测传感器组中的两个激光触发传感器实时工作，车辆行驶至机车轨道检测段，被第一单侧检测传感器组中的激光触发传感器检测到，检测到车辆的激光触发传感器向对应硬件控制器发送触发指令；

步骤a02.若硬件控制器接收到第一单侧检测传感器组中两个激光触发传感器所发送的触发指令，则硬件控制器随即控制第一单侧检测传感器组中的两个超声测距传感器开始工作，分别检测此时所经过轮对轮缘与机车轨道内侧之间的距离L1₁、L2₁，并发送给总控制模块；

步骤a03.总控制模块根据如下公式：

获得第一单侧检测传感器组所检测轮对的冲角θ₁，其中，D为所述第一单侧检测传感器组中两个超声测距传感器之间的距离，即所述第二预设距离。

作为本发明的一种优选技术方案：述步骤a03之后还包括步骤a04，如下所示：

步骤a04.判断第一单侧检测传感器组所检测轮对的冲角θ₁是否大于预设冲角阈值，是则针对该第一单侧检测传感器组所对应的轮对进行报警，否则不做任何操作。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各个超声测距单元中第一单侧检测传感器组工作的同时，各个超声测距单元还分别按如下步骤进行执行；

步骤b01.第二单侧检测传感器组中的两个激光触发传感器实时工作，车辆行驶至机车轨道检测段，被第二单侧检测传感器组中的激光触发传感器检测到，检测到车辆的激光触发传感器向对应硬件控制器发送触发指令；

步骤b02.若硬件控制器接收到第二单侧检测传感器组中两个激光触发传感器所发送的触发指令，则硬件控制器随即控制第二单侧检测传感器组中的两个超声测距传感器开始工作，分别检测此时所经过轮对轮缘与机车轨道内侧之间的距离L1₂、L2₂，并发送给总控制模块；

步骤b03.总控制模块根据如下公式：

获得第一单侧检测传感器组所检测轮对的冲角θ₂，其中，D为所述第一单侧检测传感器组中两个超声测距传感器之间的距离，即所述第二预设距离。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤b03之后还包括步骤b04，如下所示：

步骤b04.判断第一单侧检测传感器组所检测轮对的冲角θ₂是否大于预设冲角阈值，是则针对该第一单侧检测传感器组所对应的轮对进行报警，否则不做任何操作。

本发明所述一种机车轮对冲角检测系统检测方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设计的机车轮对冲角检测系统检测方法，基于轨道安装方式，在轨道中间安置高精度的超声测距单元测量机车轮对的冲角，能够准确连续多次的测量冲角，并且安装方便，使用和维护简单，其中，通过安装在轨道中超声测距单元内的一至两组单侧检测传感器组，由高精度的超声测距传感器和激光触发传感器实现触发与检测，当机车通过检测区域触发激光触发传感器，并由对应硬件控制器获取激光触发传感器的信号，开始采集超声测距传感器的数据，并实时传递给总控制模块，总控制模块对接收到硬件控制器发送数据进行处理和分析，计算出机车轮对的冲角值，并根据预设冲角阈值进行对比，实现自动报警，提高铁路运行的安全性。

附图说明

图1是机车车轮运动示意图；

图2是冲角计算示意图；

图3是本发明中超声测距单元的系统工作流程图；

图4是本发明中本发明中超声测距单元的结构示意图；

图5是本发明中总控制模块的处理流程示意图；

图6是本发明中机车轮对冲角检测系统的安装示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图4和图6所示，本发明设计了一种机车轮对冲角检测系统，在实际应用中，具体包括总控制模块和至少两个超声测距单元，各个超声测距单元分别包括硬件控制器、第一单侧检测传感器组和第二单侧检测传感器组，各个超声测距单元中的第一单侧检测传感器组沿机车轨道进行设置，且相邻第一单侧检测传感器组沿机车轨道等距离分布设置，且该等距离为第一预设距离，第一预设距离大于或等于四分之一车轮周长，且小于或等于车轮周长；其中，第一单侧检测传感器组包括两个超声测距传感器和两个激光触发传感器，第一单侧检测传感器组中的各个传感器分别与对应超声测距单元中的硬件控制器相连接；第一单侧检测传感器组中的各个传感器设置在同侧机车轨道的轨道内侧面，且两个超声测距传感器位于两个激光触发传感器之间，以及各个传感器的检测方向垂直轨道内侧面、指向另一侧机车轨道；第一单侧检测传感器组中两个超声测距传感器之间的距离为第二预设距离，第二预设距离大于10厘米，且小于50厘米，第一单侧检测传感器组中两个激光触发传感器之间的距离为第三预设距离，第三预设距离大于20厘米，且小于60厘米，且第一单侧检测传感器组中两个超声测距传感器之间的中点与两个激光触发传感器之间的中点位于同一位置；第二单侧检测传感器组包括两个超声测距传感器和两个激光触发传感器，第二单侧检测传感器组中的各个传感器分别与对应超声测距单元中的硬件控制器相连接；各个超声测距单元中，第二单侧检测传感器组中的各个传感器与第一单侧检测传感器组中的各个传感器分别彼此位置相对应的、设置在另一侧机车轨道的轨道内侧面，且第二单侧检测传感器组中两个超声测距传感器位于两个激光触发传感器之间，以及第二单侧检测传感器组中各个传感器的检测方向垂直轨道内侧面、指向另一侧机车轨道；各个超声测距单元中的硬件控制器分别与总控制模块相连接进行通信。

基于上述所设计的机车轮对冲角检测系统，本发明进一步设计了基于机车轮对冲角检测系统的检测方法，实际应用中，如图3和图5所示，具体如下，各个超声测距单元对应于机车轨道检测段进行设置，各个超声测距单元分别按如下步骤进行执行；

步骤a01.第一单侧检测传感器组中的两个激光触发传感器实时工作，车辆行驶至机车轨道检测段，被第一单侧检测传感器组中的激光触发传感器检测到，检测到车辆的激光触发传感器向对应硬件控制器发送触发指令。

步骤a02.若硬件控制器接收到第一单侧检测传感器组中两个激光触发传感器所发送的触发指令，则硬件控制器随即控制第一单侧检测传感器组中的两个超声测距传感器开始工作，分别检测此时所经过轮对轮缘与机车轨道内侧之间的距离L1₁、L2₁，并发送给总控制模块。

步骤a03.总控制模块根据如下公式：

获得第一单侧检测传感器组所检测轮对的冲角θ₁，其中，D为所述第一单侧检测传感器组中两个超声测距传感器之间的距离，即所述第二预设距离。

步骤a04.判断第一单侧检测传感器组所检测轮对的冲角θ₁是否大于预设冲角阈值，是则针对该第一单侧检测传感器组所对应的轮对进行报警，否则不做任何操作。

所述各个超声测距单元中第一单侧检测传感器组工作的同时，各个超声测距单元还分别按如下步骤进行执行；

步骤b01.第二单侧检测传感器组中的两个激光触发传感器实时工作，车辆行驶至机车轨道检测段，被第二单侧检测传感器组中的激光触发传感器检测到，检测到车辆的激光触发传感器向对应硬件控制器发送触发指令。

步骤b02.若硬件控制器接收到第二单侧检测传感器组中两个激光触发传感器所发送的触发指令，则硬件控制器随即控制第二单侧检测传感器组中的两个超声测距传感器开始工作，分别检测此时所经过轮对轮缘与机车轨道内侧之间的距离L1₂、L2₂，并发送给总控制模块。

步骤b03.总控制模块根据如下公式：

获得第一单侧检测传感器组所检测轮对的冲角θ₂，其中，D为所述第一单侧检测传感器组中两个超声测距传感器之间的距离，即所述第二预设距离。

步骤b04.判断第一单侧检测传感器组所检测轮对的冲角θ₂是否大于预设冲角阈值，是则针对该第一单侧检测传感器组所对应的轮对进行报警，否则不做任何操作。

上述技术方案所设计的机车轮对冲角检测系统检测方法，基于轨道安装方式，在轨道中间安置高精度的超声测距单元测量机车轮对的冲角，能够准确连续多次的测量冲角，并且安装方便，使用和维护简单，其中，通过安装在轨道中超声测距单元内的一至两组单侧检测传感器组，由高精度的超声测距传感器和激光触发传感器实现触发与检测，当机车通过检测区域触发激光触发传感器，并由对应硬件控制器获取激光触发传感器的信号，开始采集超声测距传感器的数据，并实时传递给总控制模块，总控制模块对接收到硬件控制器发送数据进行处理和分析，计算出机车轮对的冲角值，并根据预设冲角阈值进行对比，实现自动报警，提高铁路运行的安全性。

本发明所设计一种机车轮对冲角检测系统及其检测方法，在实际的应用过程当中，针对机车轨道检测段，等间距的固定安装6个超声测距单元，机车车轮的周长约等于4000mm，相邻的超声测距单元距离为666mm；

由于各个超声测距单元分别包括一个硬件控制器，这样对于多个轮对通过机车轨道检测段，触发不同的超声测距单元中的激光触发传感器，不同超声测距单元中超声测距传感器的测量互不影响，当机车通过机车轨道检测段时，超声测距单元中单个单侧检测传感器组中的两个激光触发传感器都被触发以后，对应硬件控制器获取到触发信号，此时硬件控制器开启内部采集程序，根据触发信号的不同，对应采集超声测距传感器的数值，硬件控制器通过有线传输的方式将数据传输给总控制模块，总控制模块计算轮对的冲角，这样可以实现机车轮对冲角的连续测量。

实际应用中，如图4所示，当机车轮对通过超声测距单元，对于轮对运动方向相同的左侧车轮，首先触发的是激光触发传感器1，接着激光触发传感器3被触发，硬件控制器获取到激光触发传感器3的触发信号，此时硬件控制器开启内部采集程序，采集超声测距传感器1和超声测距传感器3的数值；硬件控制器记录当前数值并对当前车轮编号，同样对于右侧车轮，首先触发的是激光触发传感器2，接着激光触发传感器4被触发，硬件控制器获取到激光触发传感器4的触发信号，此时硬件控制器开启内部采集程序，采集超声测距传感器2和超声测距传感器4的数值。不同超声测距单元之间数据采集互不影响，这样就实现轮对位置信息的采集，硬件把采集的多组数据通过有线的方式传输给软件处理系统，硬件处理流程如图3所示。

总控制模块的处理流程图如图5所示，总控制模块首先获取硬件控制器的状态和硬件控制器发送的采集数据，然后计算出的轮对冲角并与系统设定的冲角阈值比较，如果计算出的冲角大于预设冲角阈值，则针对对应轮对进行报警，因此可采取预防措施，比如降低机车运行的速度或修理轮对，保证机车运行的安全。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (9)

1.一种机车轮对冲角检测系统，其特征在于：包括总控制模块和至少两个超声测距单元，各个超声测距单元分别包括硬件控制器和第一单侧检测传感器组，各个超声测距单元中的第一单侧检测传感器组沿机车轨道进行设置，且相邻第一单侧检测传感器组沿机车轨道等距离分布设置，且该等距离为第一预设距离；其中，第一单侧检测传感器组包括两个超声测距传感器和两个激光触发传感器，第一单侧检测传感器组中的各个传感器分别与对应超声测距单元中的硬件控制器相连接；第一单侧检测传感器组中的各个传感器设置在同侧机车轨道的轨道内侧面，且两个超声测距传感器位于两个激光触发传感器之间，以及各个传感器的检测方向垂直轨道内侧面、指向另一侧机车轨道；第一单侧检测传感器组中两个超声测距传感器之间的距离为第二预设距离，第一单侧检测传感器组中两个激光触发传感器之间的距离为第三预设距离，且第一单侧检测传感器组中两个超声测距传感器之间的中点与两个激光触发传感器之间的中点位于同一位置；各个超声测距单元中的硬件控制器分别与总控制模块相连接进行通信。

2.根据权利要求1所述一种机车轮对冲角检测系统，其特征在于：所述各个超声测距单元分别还包括第二单侧检测传感器组，第二单侧检测传感器组包括两个超声测距传感器和两个激光触发传感器，第二单侧检测传感器组中的各个传感器分别与对应超声测距单元中的硬件控制器相连接；各个超声测距单元中，第二单侧检测传感器组中的各个传感器与第一单侧检测传感器组中的各个传感器分别彼此位置相对应的、设置在另一侧机车轨道的轨道内侧面，且第二单侧检测传感器组中两个超声测距传感器位于两个激光触发传感器之间，以及第二单侧检测传感器组中各个传感器的检测方向垂直轨道内侧面、指向另一侧机车轨道。

3.根据权利要求2所述一种机车轮对冲角检测系统，其特征在于：所述第一预设距离大于或等于四分之一车轮周长，且小于或等于车轮周长。

4.根据权利要求2所述一种机车轮对冲角检测系统，其特征在于：所述第二预设距离大于10厘米，且小于50厘米。

5.根据权利要求4所述一种机车轮对冲角检测系统，其特征在于：所述第三预设距离大于20厘米，且小于60厘米。

6.一种基于权利要求2所述一种机车轮对冲角检测系统的检测方法，其特征在于，所述各个超声测距单元对应于机车轨道检测段进行设置，各个超声测距单元分别按如下步骤进行执行；

步骤a01.第一单侧检测传感器组中的两个激光触发传感器实时工作，车辆行驶至机车轨道检测段，被第一单侧检测传感器组中的激光触发传感器检测到，检测到车辆的激光触发传感器向对应硬件控制器发送触发指令；

步骤a02.若硬件控制器接收到第一单侧检测传感器组中两个激光触发传感器所发送的触发指令，则硬件控制器随即控制第一单侧检测传感器组中的两个超声测距传感器开始工作，分别检测此时所经过轮对轮缘与机车轨道内侧之间的距离L1₁、L2₁，并发送给总控制模块；

步骤a03.总控制模块根据如下公式：

${\mathrm{\θ}}_1={\tan }^{-1}\left(\frac{|L{1}_1-L{2}_1|}{D}\right)$

获得第一单侧检测传感器组所检测轮对的冲角θ₁，其中，D为所述第一单侧检测传感器组中两个超声测距传感器之间的距离，即所述第二预设距离。

7.根据权利要求6所述一种机车轮对冲角检测系统的检测方法，其特征在于，所述步骤a03之后还包括步骤a04，如下所示：

步骤a04.判断第一单侧检测传感器组所检测轮对的冲角θ₁是否大于预设冲角阈值，是则针对该第一单侧检测传感器组所对应的轮对进行报警，否则不做任何操作。

8.根据权利要求6或7所述一种机车轮对冲角检测系统的检测方法，其特征在于，所述各个超声测距单元中第一单侧检测传感器组工作的同时，各个超声测距单元还分别按如下步骤进行执行；

步骤b01.第二单侧检测传感器组中的两个激光触发传感器实时工作，车辆行驶至机车轨道检测段，被第二单侧检测传感器组中的激光触发传感器检测到，检测到车辆的激光触发传感器向对应硬件控制器发送触发指令；

步骤b02.若硬件控制器接收到第二单侧检测传感器组中两个激光触发传感器所发送的触发指令，则硬件控制器随即控制第二单侧检测传感器组中的两个超声测距传感器开始工作，分别检测此时所经过轮对轮缘与机车轨道内侧之间的距离L1₂、L2₂，并发送给总控制模块；

步骤b03.总控制模块根据如下公式：

${\mathrm{\θ}}_2={\tan }^{-1}\left(\frac{|L{1}_2-L{2}_2|}{D}\right)$

获得第一单侧检测传感器组所检测轮对的冲角θ₂，其中，D为所述第一单侧检测传感器组中两个超声测距传感器之间的距离，即所述第二预设距离。

9.根据权利要求8所述一种机车轮对冲角检测系统的检测方法，其特征在于，所述步骤b03之后还包括步骤b04，如下所示：

步骤b04.判断第一单侧检测传感器组所检测轮对的冲角θ₂是否大于预设冲角阈值，是则针对该第一单侧检测传感器组所对应的轮对进行报警，否则不做任何操作。