CN107607044B - 一种基于激光位移传感器的车轮踏面磨耗检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光位移传感器的车轮踏面磨耗检测方法。该方法包括以下步骤：在轨道外侧低于钢轨平面位置布设一组2D激光位移传感器；通过分析输出有效值数据点个数的分布规律，将各个车轮所对应的数据进行分段，滤除与车轮数据不一致的车轮刹车片及车底装置数据；根据激光位移传感器的安装位置参数值，通过坐标旋转，将传感器自身坐标系xoy转换到踏面基准坐标系uov下；将标准车轮轮廓数据与传感器测量数据进行融合，获取完整的车轮轮廓数据；选取车轮轮缘高最小的数据作为最佳踏面数据，计算车轮踏面磨耗；标准车轮轮缘高和实际车轮轮缘高的差值即为踏面磨耗值。本发明测量原理简单，系统稳定，能满足踏面磨耗测量的实际要求。

Description

一种基于激光位移传感器的车轮踏面磨耗检测方法

技术领域

本发明属于铁路车轮检测技术领域，特别是一种基于激光位移传感器的车轮踏面磨耗检测方法。

背景技术

车轮踏面磨耗作为轮对尺寸重要参数之一，保证了列车运行的安全性和舒适性。随着列车的运营里程的增加，车轮踏面磨耗逐渐增加，同时，不同车轮的磨耗不同，车轮轮径值变化较大，降低了列车运行的安全性和舒适性，因此定期对车轮踏面磨耗检测进行检测，获得准确的磨耗值，判断是否超限，对于保证列车安全运营十分重要。

目前对于车轮踏面磨耗检测方法主要分为接触式测量和非接触式测量两种。接触式测量以车轮直径测量仪为主，该方法检测精度受人为因素影响较大，且劳动强度高，但因其操作简单，目前仍是踏面磨耗测量的主要方法。非接触式测量主要分为图像法和激光法。图像法主要是激光线光源照在车轮踏面上，CCD相机进行拍照，得到车轮踏面轮廓信息，从而实现车轮磨耗的检测，但该方法的系统结构复杂、抗干扰能力较弱。

随着激光技术的快速发展，用激光法对车轮轮对尺寸进行检测的研究越来越多。苏钊颐等提出一种基于2D激光位移传感器的轮缘尺寸在线检测方法，该系统采用布设在轨道内、外侧的两组激光位移传感器对车轮进行探测，对车轮轮廓进行重构，结合轮缘几何关系，得到轮缘尺寸参数值；Yu Chugui等研究了一种火车轮对尺寸检测系统COMPLEX，该系统在轨道两侧布置多组激光位移传感器对车轮轮廓进行探测，从而检测货车的轮对几何参数。但是上述方法测量原理复杂，所需激光位移传感器数量较多，系统稳定性差、测量精度低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量原理简单、系统稳定，能满足踏面磨耗测量实际要求的基于激光位移传感器的车轮踏面磨耗检测方法。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种基于激光位移传感器的车轮踏面磨耗检测方法，包括以下步骤：

步骤1，布设传感器：在轨道外侧低于钢轨平面位置布设一组2D激光位移传感器；

步骤2，数据预处理：在由激光位移传感器采集的所有数据中，滤除与车轮数据不一致的车轮刹车片及车底装置数据；

步骤3，坐标变换：根据激光位移传感器的安装位置参数值，通过坐标旋转，将传感器自身坐标系xoy转换到踏面基准坐标系uov下；

步骤4，数据融合：将标准车轮轮廓数据与传感器测量数据进行融合，获取完整的车轮轮廓数据；

步骤5，最佳踏面选择：选取车轮轮缘高最小的数据作为最佳踏面数据，计算车轮踏面磨耗；

步骤6，计算踏面磨耗：标准车轮轮缘高和实际车轮轮缘高的差值即为踏面磨耗值。

进一步地，步骤1所述的在轨道外侧低于钢轨平面位置布设一组2D激光位移传感器，激光位移传感器的三角探测区域的中心线与钢轨铅垂线的夹角即传感器的偏转角β为40°～55°，与钢轨水平方向的夹角即俯仰角α为40°～55°，与钢轨的相对距离L为100～300mm。

进一步地，步骤2所述数据预处理，具体为：在由激光位移传感器采集的所有数据中，通过分析输出有效值数据点个数的分布规律，将各个车轮所对应的数据进行分段，滤除与车轮数据不一致的车轮刹车片及车底装置数据。进一步地，步骤3所述的坐标变换，具体如下：

激光位移传感器的探测输出点按式(1)进行坐标旋转：

式中，(x_n,y_n)为探测点在激光位移传感器自身坐标系xoy上的坐标，θ为激光位移传感器的探测点与y轴的夹角，β为激光位移传感器的三角探测区域的中心线与钢轨铅垂线的夹角即传感器的偏转角，(u_n,v_n)为激光位移传感器的探测点在踏面基准坐标系uov内的坐标值。

进一步地，步骤4所述数据融合，分为坐标系移动、基准线融合及轮缘数据融合三个步骤：

(4.1)坐标系移动：将踏面基准坐标系uov中的点(u,v)移动到融合坐标系XOY中得(x⁽¹⁾,Y⁽²⁾)，将车轮标准轮廓坐标系pwq中的点(p,q)移动到融合坐标系XOY中得(X⁽²⁾,Y⁽²⁾)，坐标系移动如公式(2)：

式中：a、b分别为点o在融合坐标系XOY下的横纵坐标；c、d分别为点w在融合坐标系XOY下的横纵坐标；

(4.2)基准线融合：在融合坐标系XOY中，激光位移传感器探测的车轮外侧基准线横坐标X⁽¹⁾与标准车轮外侧基准线横坐标X⁽²⁾之差为ΔX，根据公式(3)将两者基准线融合：

X⁽¹⁾＝X⁽²⁾+ΔX (3)

(4.3)轮缘数据融合：取激光位移传感器探测的轮缘顶端数据，进行最小二乘多项式曲线拟合，与标准车轮轮缘顶端曲线进行差值比较，以二者误差均值来表示轮缘数据的融合效果；根据误差均值，在Y轴方向上调整传感器探测的踏面与标准车轮踏面之间的距离ΔY，当误差均值小于0.03mm时，得到ΔY的最终值；根据公式(4)进行轮缘数据融合：

Y⁽¹⁾＝Y⁽²⁾+ΔY (4)

根据踏面磨耗检测原理，对融合后的车轮轮廓数据进行分段曲线拟合，设定距离轮缘内侧基准线70mm处踏面上的点为基点a，轮缘最低点为轮缘顶点n，提取基准点a和n，结合标准轮缘高，得到车轮的踏面磨耗值。

进一步地，步骤5所述最佳踏面选择，当踏面形状发生拉伸变形时，需对多组数据点进行择优选取：激光探测面经过车轮轮心时刻，系统测得的轮缘高为h，其他时刻系统所测轮缘高为h₁，所测轮缘高均发生拉伸变形，且h₁＞h；选取轮缘高最小值的数据作为最佳踏面数据，计算车轮踏面磨耗。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)在轨道外侧安装一组2D激光位移传感器进行踏面数据采集，测量原理简单，系统稳定；(2)结合标准轮对轮廓数据，通过数据处理得到实际车轮轮廓线，最后根据踏面磨耗几何关系得到车轮踏面磨耗值，测量精度高，能满足踏面磨耗测量的实际要求。

附图说明

图1是本发明基于激光位移传感器的车轮踏面磨耗检测方法的流程图。

图2是本发明基于激光位移传感器的车轮踏面磨耗检测方法中传感器安装示意图。

图3是本发明的坐标变换过程图。

图4是本发明的各坐标关系示意图。

图5是本发明的轮缘高系统测量均值与人工测量均值比较图。

图6是本发明的轮缘高系统测量与人工测量最大最小值比较图。

具体实施方式

本发明是一种基于激光位移传感器的车轮踏面磨耗检测方法。首先在轨道外侧安装一组2D激光位移传感器进行踏面数据采集，然后结合标准轮对轮廓数据，通过数据预处理，坐标变换，数据融合，得到实际车轮轮廓线，最后根据踏面磨耗几何关系得到车轮踏面磨耗值。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明基于激光位移传感器的车轮踏面磨耗检测方法，包括以下步骤：

步骤1，布设传感器：在轨道外侧低于钢轨平面位置布设2D激光位移传感器；

结合图2，2D激光位移传感器安装于轨道外侧，系统整体检测装置低于钢轨平面。

所述2D激光位移传感器安装于轨道外侧，激光位移传感器的三角探测区域的中心线与钢轨铅垂线的夹角为传感器的偏转角β为40°～55°，与钢轨水平方向的夹角为俯仰角α为40°～55°，与钢轨的相对距离L为100～300mm。

步骤2，数据预处理：在由激光位移传感器采集的所有数据中，滤除与车轮数据不一致的车轮刹车片及车底装置数据；

列车通过检测系统时，激光位移传感器以一定频率进行连续采样，然后对采集的数据进行分轮处理，提取每个车轮对应的有效数据段。车轮进入与离开检测区域时输出点个数有明显的上升和下降，车轮在激光位移传感器检测范围内时输出点数处于较为稳定的峰值状态。通过分析输出有效值数据点个数的分布规律进行各个车轮所对应的数据分段，实现数据的预处理。

步骤3，坐标变换：根据激光位移传感器的安装位置参数值，通过坐标旋转，将传感器自身坐标系xoy转换到踏面基准坐标系uov下；

结合图3，坐标变换过程如下：根据激光位移传感器的安装位置参数值，通过坐标旋转实现传感器自身坐标系到踏面基准坐标系的转换。

激光位移传感器的探测输出点按式(1)进行坐标旋转：

式中，(x_n,y_n)为探测点在激光位移传感器自身坐标系xoy上的坐标，θ为激光位移传感器的探测点与y轴的夹角，β为激光位移传感器的三角探测区域的中心线与钢轨铅垂线的夹角即传感器的偏转角，(u_n,v_n)为激光位移传感器的探测点在踏面基准坐标系uov内的坐标值。

步骤4：数据融合：将标准车轮轮廓数据与传感器测量数据进行融合，获取完整的车轮轮廓数据；

数据融合主要分为坐标系移动、基准线融合及轮缘数据融合三个步骤，各坐标关系如图4所示。

(4.1)坐标系移动：将踏面基准坐标系uov中的点(u,v)移动到融合坐标系XOY中得(X⁽¹⁾,Y⁽¹⁾)，将车轮标准轮廓坐标系pwq中的点(p,q)移动到融合坐标系XOY中得(X⁽²⁾,Y⁽²⁾)，坐标系移动如公式(2)：

式中：a、b分别为点o在融合坐标系XOY下的横纵坐标；c、d分别为点w在融合坐标系XOY下的横纵坐标；

(4.2)基准线融合：在融合坐标系XOY中，激光位移传感器探测的车轮外侧基准线横坐标X⁽¹⁾与标准车轮外侧基准线横坐标X⁽²⁾之差为ΔX，根据公式(3)将两者基准线融合：

X⁽¹⁾＝X⁽²⁾+ΔX (3)

(4.3)轮缘数据融合：取激光位移传感器探测的轮缘顶端数据，进行最小二乘多项式曲线拟合，与标准车轮轮缘顶端曲线进行差值比较，以二者误差均值来表示轮缘数据的融合效果；根据误差均值，在Y轴方向上调整传感器探测的踏面与标准车轮踏面之间的距离ΔY，当误差均值小于0.03mm时，得到ΔY的最终值；根据公式(4)进行轮缘数据融合：

Y⁽¹⁾＝Y⁽²⁾+ΔY (4)

根据踏面磨耗检测原理，对融合后的车轮轮廓数据进行分段曲线拟合，设定距离轮缘内侧基准线70mm处踏面上的点为基点a，轮缘最低点为轮缘顶点n，提取基准点a和n，结合标准轮缘高，得到车轮的踏面磨耗值。

步骤5，最佳踏面选择：选取车轮轮缘高最小的数据作为最佳踏面数据，计算车轮踏面磨耗；

当踏面形状发生拉伸变形时，需对多组数据点进行择优选取。激光探测面经过车轮轮心时刻，系统测得的轮缘高为h，其他时刻系统所测轮缘高为h₁，所测轮缘高均发生拉伸变形，且h₁＞h。选取轮缘高最小的数据作为最佳踏面数据，计算车轮踏面磨耗。

步骤6，计算踏面磨耗：标准车轮轮缘高和实际车轮轮缘高的差值即为踏面磨耗值。

实施例1

为验证本研究提出的车轮踏面磨耗检测方法的有效性及检测精度，本项目团队在广州地铁赤沙车辆段进行了现场实验，包括标准轮对实验和过车实验。踏面磨耗值为标准轮缘高和实际车轮轮缘高的差值，所以踏面磨耗检测精度等同于轮缘高的检测精度，为便于表述，实验结果均从轮缘高角度进行分析。

在标准轮对实验中，所选用标准轮对轮缘高为28mm，将标准轮对放置在轨道上，人工推动轮对慢速通过检测系统，沿同一方向共进行6次系统测量，其结果如表1所示。可见系统的测量误差为±0.2mm。

表1本发明的标准轮对实验结果

表2本发明的过车实验测量结果

在过车实验中，选用广州地铁8号线A2型列车7172车的B、C车厢8个车轮进行6次轮缘高测量实验。每次实验均进行人工测量和系统测量，将8次测量结果的均值作为该车轮的轮缘高，测量结果如表2、图5所示。

轮缘高的系统测量值和人工测量值的偏差都在0.2mm范围内，证明了所提出的方法具有很高的检测精度；8次测量得到的轮缘高的最大值和最小值如图6所示，可见对于测试的8个车轮，系统测量的最大最小值偏差均小于人工测量的最大最小偏差，证明了本发明所提方法的检测一致性优于人工测量。

Claims (3)

1.一种基于激光位移传感器的车轮踏面磨耗检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，布设传感器：在轨道外侧低于钢轨平面位置布设一组2D激光位移传感器；

步骤2，数据预处理：在由激光位移传感器采集的所有数据中，滤除与车轮数据不一致的车轮刹车片及车底装置数据；

步骤3，坐标变换：根据激光位移传感器的安装位置参数值，通过坐标旋转，将传感器自身坐标系xoy转换到踏面基准坐标系uov下；

步骤4，数据融合：将标准车轮轮廓数据与传感器测量数据进行融合，获取完整的车轮轮廓数据；

步骤5，最佳踏面选择：选取车轮轮缘高最小的数据作为最佳踏面数据，计算车轮踏面磨耗；

步骤6，计算踏面磨耗：标准车轮轮缘高和实际车轮轮缘高的差值即为踏面磨耗值；

步骤3所述的坐标变换，具体如下：

激光位移传感器的探测输出点按式(1)进行坐标旋转：

式中，(x_n,y_n)为探测点在激光位移传感器自身坐标系xoy上的坐标，θ为激光位移传感器的探测点与y轴的夹角，β为激光位移传感器的三角探测区域的中心线与钢轨铅垂线的夹角即传感器的偏转角，(u_n,v_n)为激光位移传感器的探测点在踏面基准坐标系uov内的坐标值；

步骤4所述数据融合，分为坐标系移动、基准线融合及轮缘数据融合三个步骤：

(4.1)坐标系移动：将踏面基准坐标系uov中的点(u,v)移动到融合坐标系XOY中得(X⁽¹⁾,Y⁽¹⁾)，将车轮标准轮廓坐标系pwq中的点(p,q)移动到融合坐标系XOY中得(X⁽²⁾,Y⁽²⁾)，坐标系移动如公式(2)：

式中：a、b分别为点o在融合坐标系XOY下的横纵坐标；c、d分别为点w在融合坐标系XOY下的横纵坐标；

(4.2)基准线融合：在融合坐标系XOY中，激光位移传感器探测的车轮外侧基准线横坐标X⁽¹⁾与标准车轮外侧基准线横坐标X⁽²⁾之差为ΔX，根据公式(3)将两者基准线融合：

X⁽¹⁾＝X⁽²⁾+ΔX (3)

(4.3)轮缘数据融合：取激光位移传感器探测的轮缘顶端数据，进行最小二乘多项式曲线拟合，与标准车轮轮缘顶端曲线进行差值比较，以二者误差均值来表示轮缘数据的融合效果；根据误差均值，在Y轴方向上调整传感器探测的踏面与标准车轮踏面之间的距离ΔY，当误差均值小于0.03mm时，得到ΔY的最终值；根据公式(4)进行轮缘数据融合：

Y⁽¹⁾＝Y⁽²⁾+ΔY (4)

根据踏面磨耗检测原理，对融合后的车轮轮廓数据进行分段曲线拟合，设定距离轮缘内侧基准线70mm处踏面上的点为基点a，轮缘最低点为轮缘顶点n，提取基准点a和n，结合标准轮缘高，得到车轮的踏面磨耗值；

步骤5所述最佳踏面选择，当踏面形状发生拉伸变形时，需对多组数据点进行择优选取：激光探测面经过车轮轮心时刻，系统测得的轮缘高为h，其他时刻系统所测轮缘高为h₁，所测轮缘高均发生拉伸变形，且h₁＞h；选取轮缘高最小值的数据作为最佳踏面数据，计算车轮踏面磨耗。

2.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的车轮踏面磨耗检测方法，其特征在于，步骤1所述的在轨道外侧低于钢轨平面位置布设一组2D激光位移传感器，激光位移传感器的三角探测区域的中心线与钢轨铅垂线的夹角即传感器的偏转角β为40°～55°，与钢轨水平方向的夹角即俯仰角α为40°～55°，与钢轨的相对距离L为100～300mm。

3.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的车轮踏面磨耗检测方法，其特征在于，步骤2所述数据预处理，具体为：在由激光位移传感器采集的所有数据中，通过分析输出有效值数据点个数的分布规律，将各个车轮所对应的数据进行分段，滤除与车轮数据不一致的车轮刹车片及车底装置数据。