CN109141253A - 一种便携式地铁轮对的参数检测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道工程的技术领域，公开了一种便携式地铁轮对的参数检测装置，包括与车轮踏面相隔一定距离设置的弧形轨道，设置弧形轨道上的滑块，滑块能够沿弧形轨道往复运动，其上设置有线激光光源和摄像机，线激光光源的激光平面沿一个指定角度投射在车轮踏面上，形成光条，摄像机的摄像头沿另一个指定角度对车轮踏面的光条图像进行采集；线激光光源和摄像机均为处理器相连，处理器还与触摸屏、图像处理模块、数据传输模块相连，图像处理模块用于对摄像机采集的光条图像进行处理，计算得到多个车轮踏面的参数，触摸屏用于显示摄像机采集的光条图像、以及图像处理模块计算得到的多个参数，数据传输模块用于处理器与服务器之间的数据传输。

Description

一种便携式地铁轮对的参数检测装置及系统

技术领域

本发明涉及轨道工程的技术领域，具体涉及一种便携式地铁轮对的参数检测装置及系统。

背景技术

轨道交通逐步成为大型城市的主干交通，车轮是车辆最终受力配件,它把车辆的载荷传给钢轨，并在钢轨上转动，因此车轮保持良好的状态是地铁安全运行的前提条件。我国轨道车辆相关部门都对各型车轮的磨耗限度均有明确的规定，在检修车轮时，主要通过测量轮缘踏面外形的几何参数来判断车轮的磨耗程度。这样需要检测的轮对参数多达20多个，如轮缘厚度、轮辋宽度、轮对踏面擦伤、局部凹下深度和剥离长度等，这些都是直接影响车辆运行的重要参数，必须及时、准确地加以检测。现有检测工具主要依靠机械装置或者激光测量装置进行多点测量，计算车轮各种参数，由于车轮磨损不均衡，车轮并不是绝对圆形，仅仅依靠测量几个点计算参数精度低，并且机械式测量人为操作误差大，易受主观影响。激光自动测量装置主要靠安装在车上或者地面的固定装置进行测量，不能移动使用，给检修带来不便，并且其对传感器和被测车轮的相对位置要求严格，否则容易产生测量误差。

发明内容

本发明提供了一种便携式地铁轮对的参数检测装置及系统，解决了现有机械式人工测量误差大，精度低，激光自动测量装置不能移动使用，给检修带来不便等问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种便携式地铁轮对的参数检测装置，包括与车轮踏面相隔一定距离设置的弧形轨道，设置所述弧形轨道上的滑块，所述滑块能够沿弧形轨道往复运动，其上设置有线激光光源和摄像机，所述线激光光源的激光平面沿一个指定角度投射在车轮踏面上，形成光条，所述摄像机的摄像头沿另一个指定角度对车轮踏面的光条图像进行采集；

所述线激光光源和摄像机均为处理器相连，所述处理器还与触摸屏、图像处理模块、数据传输模块相连，所述图像处理模块用于对摄像机采集的光条图像进行处理，计算得到多个车轮踏面的参数，所述触摸屏用于显示摄像机采集的光条图像、以及图像处理模块计算得到的多个参数，所述数据传输模块用于处理器与服务器之间的数据传输。

进一步，所述弧形轨道包括两条平行设置的弧形导杆，两条所述弧形导杆之间相隔一定间隙，所述线激光光源和摄像机分别设置在滑块的两端，其激光平面和摄像头穿过间隙照射到车轮踏面。

进一步，所述线激光光源垂直于滑块的上表面设置，所述摄像机与滑块的上表面呈20度到60度设置。

进一步，所述滑块包括平行设置的上支架和下支架，所述上支架和下支架分别设置在弧形轨道的上下表面上，两者之间设置有驱动机构，所述驱动机构用于带动上支架、下支架同步沿弧形轨道往复运动。

进一步，所述驱动机构包括对称设置在上支架和下支架之间的多个滚轮对，相对两个滚轮对分别接触弧形轨道的上下表面，所述滚轮对包括连接轴，所述连接轴的两端分别设置一个滚轮，其中两个连接轴上均设置有第一齿轮、与所述第一齿轮啮合的第二齿轮，所述其中两个连接轴的一个上的第二齿轮与电动机的输出轴相连，另一个上的第二齿轮与位移编码器相连，所述位移编码器用于测量滑块在弧形轨道上的移动距离，所述处理器与电动机、位移编码器相连。

进一步，所述滚轮对的两个滚轮、相背向的端面的整个边缘设置外延档边，所述外延档边与弧形轨道的侧面相接触。

进一步，所述上支架的中心设置有连接杆，所述连接杆向下延伸穿过下支架的中心的通孔，与螺母配合固定，所述螺母与下支架之间设置有弹簧，所述弹簧套装在连接杆上，所述通孔的内径大于连接杆的外径。

进一步，所述弧形轨道的两端各设置一个支撑板，所述支撑板朝向弧形轨道的圆心设置，用于支撑弧形轨道，使其与车轮踏面相隔一定距离，所述触摸屏设置在其中一个支撑板远离圆心的一端。

一种基于上文所述的便携式地铁车轮踏面的参数检测装置的参数检测方法，包括以下步骤：

步骤一、将弧形轨道放置在被测车轮上，标记弧形轨道两端在被测车轮上的位置；

步骤二、将被测车轮的模型导入触摸屏，并通过触摸屏在所述模型上标记弧形轨道两端对应的位置；

步骤三、启动驱动机构，带动滑块匀速沿弧形轨道运动，并将摄像机采集的光条图像实时传送到触摸屏上，显示出来；

步骤四、利用图像处理模块，计算出多个被测车轮踏面的参数，并将多个参数显示在触摸屏上；

步骤五、重复步骤一至四，直至完成整个被测车轮的检测。

进一步，所述步骤四中的多个参数包括轮缘宽度、轮缘高度、车轮半径、QR值、踏面磨损面积、踏面磨损深度、同一轮对轮径差，所述车轮半径利用如下方程式计算得到，

其中，R表示被测车轮的半径，r表示弧形轨道的半径，L表示弧形轨道的圆心与被测车轮的圆心之间的距离，x_θ表示被测车轮踏面的直径检测圆周上的任一点到弧形轨道的距离，θ表示以弧形轨道的圆心为端点、过所述任一点的射线与弧形轨道的交点到弧形轨道在长度上的中心点对应的角弧度。

本发明有益的技术效果在于：

利用驱动机构带动滑块上的线激光光源和摄像机沿弧形轨道往复运动，完成对部分车轮踏面的扫描，通过对不同位置的车轮踏面的扫描，建立整个车轮踏面外轮廓的三维图像，结合图像处理完成对车轮踏面的相关参数的检测，既可以避免繁琐的机械式人工测试，又无需固定安装，检修方便，测试简单，整个装置的结构简单，便于推广应用。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的装置与被测车轮的配合示意图；

图3为本发明的滑块、驱动机构与线激光光源、摄像机的配合结构示意图；

图4为本发明的滚轮对的结构示意图；

图5为本发明的车轮踏面上光条图像对应的几何形状；

图6为本发明的车轮半径计算的三角关系图；

其中，1-弧形轨道，2-滑块，21-上支架，22-下支架，23-连接杆，24-弹簧，25-滚轮对，251-连接轴，252-滚轮，2521-外延档边，26-电动机，27-位移编码器，3-线激光光源，4-摄像机，5-支撑板，6-触摸屏，7-被测车轮。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种便携式地铁轮对的参数检测装置，包括弧形轨道1，设置在该弧形轨道1上的滑块2，该滑块2能够沿弧形轨道1往复运动，其上设置有线激光光源3和摄像机4，该线激光光源3的激光平面沿一个指定角度投射在车轮踏面上，形成光条，该摄像机4的摄像头沿另一个指定角度对车轮踏面的光条图像进行采集，该线激光光源3和摄像机4均为处理器相连，处理器还与触摸屏5、图像处理模块、数据传输模块相连，该图像处理模块用于对摄像机4采集的光条图像进行处理，计算得到多个车轮踏面的参数，触摸屏5用于显示摄像机4采集的光条图像、以及图像处理模块计算得到的多个参数，数据传输模块用于处理器与服务器之间的数据传输，可选用WiFi模块或者4G通讯模块。

在弧形轨道1的两端各设置一个支撑板6，该支撑板6朝向弧形轨道1的圆心设置，用于支撑弧形轨道1，使其与车轮踏面相隔一定距离。考虑支撑板6的高度，当弧形轨道1距离车轮踏面较近时，一个摄像机4的拍摄范围有限，可能不能覆盖整个光条图像，可以增加摄像机4的个数，摄像机4之间相隔一定距离平行设置，都沿相同角度分别拍摄不同区域的光条图像，最终组合成完整的光条图像。触摸屏5设置在其中一个支撑板6远离弧形轨道1所在的圆心的一端，其下面可设置操作按钮，比如开关键等。这样，将整个检测装置放置到被测车轮7上，如图2所示，利用线激光光源3和摄像机4完成对车轮踏面的非接触检测，不需要固定安装，可根据需要随时进行检测，检修方便，并且携带方便，操作简单。线激光光源3优选635nm的红色一字线激光发射器，摄像机4优选CCD相机，考虑到列车停止时，车轮的施加状况，弧形轨道1的长度优选为1/3的圆周长至1/2的圆周长，其直径优选为被测车轮7磨损至最严重时的直径。

该弧形轨道1包括两条平行设置的弧形导杆，两条弧形导杆之间相隔一定间隙，该线激光光源3和摄像机4分别设置在滑块2上表面的两端，摄像机4与滑块2的上表面呈20度到60度设置，线激光光源3垂直于滑块2的上表面设置，其激光平面和摄像头穿过间隙照射到车轮踏面。

如图3所示，该滑块2包括平行设置的上支架21和下支架22，该上支架21和下支架22分别设置在弧形轨道1的上下表面上，两者之间设置有驱动机构，该驱动机构用于带动上支架21、下支架22同步沿弧形轨道1往复运动。在上支架21的中心设置有连接杆23，该连接杆23向下延伸穿过下支架22的中心的通孔，可以在其端部设置外螺纹，与螺母配合固定，在螺母与下支架22之间设置有弹簧24，该弹簧24套装在连接杆23上，该通孔的内径大于连接杆23的外径，这样，通过连接杆23将上支架21和下支架22连接在一起，形成一个整体，确保两者可以同步运动，并且利用弹簧24可以使下支架22紧压向上支架21，从而使设置在两者之间的驱动机构紧压在弧形滑轨1上，便于驱动机构带动整个滑块2运动。正对两条弧形导杆之间的间隙、上支架21顶面的一端设置有长条形连接板，该长条形连接板的端部开设有通孔，可供线激光光源3的发射端垂直于板面、向下设置；正对两条弧形导杆之间的间隙、上支架21顶面的另一端设置有长条形折弯板，该长条形折弯板具有向下的折弯角，其一端也开设通孔，可供摄像机4的摄像头垂直于板面、向下设置，鉴于摄像机4与滑块2的上表面需呈20度到60度，该长条形折弯板的折弯角相应的设置为110度至150度。

该驱动机构包括对称设置在上支架21和下支架22之间的多个滚轮对25，相对两个滚轮对25分别接触弧形轨道1的上下表面，该滚轮对25包括连接轴251，该连接轴251的两端分别设置一个滚轮252，其中两个连接轴251上均设置有第一齿轮，与该第一齿轮啮合的第二齿轮，其中一个第二齿轮与电动机26的输出轴相连，另一个第二齿轮与位移编码器27相连，上述处理器与位移编码器27相连，通过驱动模块与电动机26相连，通过驱动模块控制电动机26的转速和转向，为了更好的监测电动机26的转速，该位移编码器27利用脉冲个数计算滚轮252的转动角度，根据滚轮252的半径，计算滑块2移动的距离，而脉冲的频率反映的是滑块移动的速度，给装置的系统提供一个速度反馈，形成电动机26的转速的闭环控制，从而实现滑块移动的精确控制。整个驱动机构采用齿轮传动的方式，简单可靠，控制方便。

该滚轮对25的两个滚轮252、相背向的端面的整个边缘设置外延档边2521，整个滚轮252的轴截面呈凸台状，如图4所示，该外延档边2521与弧形轨道1的侧面相接触，使得滚轮252在滚动时能够包裹住弧形滑轨1两侧，在结合弹簧24的作用，设置在下支架22上的多个滚轮对25也会紧压向弧形轨道1，保证整个滑块2夹紧弧形轨道1并且只能沿着弧形轨道1的纵向滑动。

本发明还提供了一种基于上文所述的便携式地铁车轮踏面的参数检测装置的参数检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、将弧形轨道1放置在被测车轮7上，标记弧形轨道1两端在被测车轮7上的位置；

步骤二、将被测车轮7的模型导入触摸屏，并通过触摸屏在该模型上标记弧形轨道1两端对应的位置；

步骤三、启动驱动机构，带动滑块匀速沿弧形轨道运动，并将摄像机采集的光条图像实时传送到触摸屏上，显示出来；

步骤四、利用图像处理模块，计算出多个被测车轮踏面的参数，并将多个参数显示在触摸屏上；

步骤五、重复步骤一至四，直至完成整个被测车轮的检测。

上述步骤四中的多个参数包括轮缘宽度、轮缘高度、车轮半径、QR值、踏面磨损面积、踏面磨损深度、同一轮对轮径差，其中轮缘宽度、轮缘高度和QR值利用图像处理模块提取踏面的几何形状，如图5所示，通过计算该几何形状上不同位置的像素点个数得到；踏面磨损面积和踏面磨损深度通过图像处理模块提取踏面的几何形状，利用三角测量法，能够得到几何形状上每个点到线激光光源3的距离，当车辆踏面有磨损导致的凹陷时，提取得的几何形状中也会出现凹陷形状，并且利用三角测量法可以计算凹陷点和线激光光源3的距离，从而得到凹陷深度，随着滑块在弧形轨道1上运动，可以扫描得到整个磨损部位，从而得到多条几何形状的对应的凹陷，利用图形处理模块即可测得整个凹陷区域的面积。

车轮半径可利用如下方程式计算得到，如图6所示，

其中，R表示被测车轮的半径，r表示弧形轨道的半径，L表示弧形轨道的圆心与被测车轮的圆心之间的距离，x_θ表示被测车轮踏面的直径检测圆周上的任一点到弧形轨道的距离，可利用三角测量法计算得到，同时，要注意如果线激光光源的端面与弧形轨道的下底面不平行时，计算时要加上或者减去端面凸出或凹下去的距离，θ表示以弧形轨道的圆心为端点、过所述任一点的射线与弧形轨道的交点到弧形轨道在长度上的中心点对应的角弧度，可根据位移编码器测到滑块的移动距离，进而可以计算得到角弧度。该方程式中有两个未知量R、L，通过选取两个不同位置的x_θ，θ，即可计算得到车轮半径R。

使用本发明的装置进行检测时，列车需要停下来，车轮的两侧暴露在外，可以检测到，而其顶部和底部不能被检测到，需要下一次再进行检测，列车每次入库，车轮停的位置都不同，检测的位置也不同，而一次检测时，除了踏面磨损面积和踏面磨损深度，其他参数都可以测得，由于踏面磨损变化比较慢，两周一次的测量频率，能够保证大部分位置都被测量到。

本发明利用驱动机构带动滑块上的线激光光源和摄像机沿弧形轨道往复运动，完成对部分车轮踏面的扫描，通过对不同位置的车轮踏面的扫描，建立整个车轮踏面外轮廓的三维图像，利用图像处理模块完成对车轮踏面的相关参数的检测，既可以避免繁琐的机械式人工测试，又无需固定安装，检修方便，测试简单，便于推广应用，同时，检测时无需拆卸车轮，列车入库停放即可测量，测量数据直接同步到云端服务器，无需人工记录，推动无纸化检修工作，更方便对轮对数据的后续分析应用，比如可以根据历史测量的数值，自动提醒是否需要测量哪一列车的车轮数据，而不是固定的检测周期，若发现过去三个月那个车轮的踏面磨损快，可以把检测周期缩短，若某些车轮的踏面没有什么问题，可以把检测周期延长。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种便携式地铁轮对的参数检测装置，其特征在于：包括与车轮踏面相隔一定距离设置的弧形轨道，设置所述弧形轨道上的滑块，所述滑块能够沿弧形轨道往复运动，其上设置有线激光光源和一个或多个摄像机，所述线激光光源的激光平面沿一个指定角度投射在车轮踏面上，形成光条，所述摄像机的摄像头沿另一个指定角度对车轮踏面的光条图像进行采集；

所述线激光光源和摄像机均为处理器相连，所述处理器还与触摸屏、图像处理模块、数据传输模块相连，所述图像处理模块用于对摄像机采集的光条图像进行处理，计算得到多个车轮踏面的参数，所述触摸屏用于显示摄像机采集的光条图像、以及图像处理模块计算得到的多个参数，所述数据传输模块用于处理器与服务器之间的数据传输。

2.根据权利要求1所述的便携式地铁车轮踏面的参数检测装置，其特征在于：所述弧形轨道包括两条平行设置的弧形导杆，两条所述弧形导杆之间相隔一定间隙，所述线激光光源和摄像机分别设置在滑块的两端，其激光平面和摄像头穿过间隙照射到车轮踏面。

3.根据权利要求2所述的便携式地铁车轮踏面的参数检测装置，其特征在于：所述线激光光源垂直于滑块的上表面设置，所述摄像机与滑块的上表面呈20度到60度设置。

4.根据权利要求1所述的便携式地铁车轮踏面的参数检测装置，其特征在于：所述滑块包括平行设置的上支架和下支架，所述上支架和下支架分别设置在弧形轨道的上下表面上，两者之间设置有驱动机构，所述驱动机构用于带动上支架、下支架同步沿弧形轨道往复运动。

5.根据权利要求4所述的便携式地铁车轮踏面的参数检测装置，其特征在于：所述驱动机构包括对称设置在上支架和下支架之间的多个滚轮对，相对两个滚轮对分别接触弧形轨道的上下表面，所述滚轮对包括连接轴，所述连接轴的两端分别设置一个滚轮，其中两个连接轴上均设置有第一齿轮、与所述第一齿轮啮合的第二齿轮，所述其中两个连接轴的一个上的第二齿轮与电动机的输出轴相连，另一个上的第二齿轮与位移编码器相连，所述位移编码器用于测量滑块在弧形轨道上的移动距离，所述处理器与电动机、位移编码器相连。

6.根据权利要求5所述的便携式地铁车轮踏面的参数检测装置，其特征在于：所述滚轮对的两个滚轮、相背向的端面的整个边缘设置外延档边，所述外延档边与弧形轨道的侧面相接触。

7.根据权利要求4所述的便携式地铁车轮踏面的参数检测装置，其特征在于：所述上支架的中心设置有连接杆，所述连接杆向下延伸穿过下支架的中心的通孔，与螺母配合固定，所述螺母与下支架之间设置有弹簧，所述弹簧套装在连接杆上，所述通孔的内径大于连接杆的外径。

8.根据权利要求1所述的便携式地铁车轮踏面的参数检测装置，其特征在于：所述弧形轨道的两端各设置一个支撑板，所述支撑板朝向弧形轨道的圆心设置，用于支撑弧形轨道，使其与车轮踏面相隔一定距离，所述触摸屏设置在其中一个支撑板远离圆心的一端。

9.一种基于权利要求1所述的便携式地铁车轮踏面的参数检测装置的参数检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、将弧形轨道放置在被测车轮上，标记弧形轨道两端在被测车轮上的位置；

步骤二、将被测车轮的模型导入触摸屏，并通过触摸屏在所述模型上标记弧形轨道两端对应的位置；

步骤三、启动驱动机构，带动滑块匀速沿弧形轨道运动，并将摄像机采集的光条图像实时传送到触摸屏上，显示出来；

步骤四、利用图像处理模块，计算出多个被测车轮踏面的参数，并将多个参数显示在触摸屏上；

步骤五、重复步骤一至四，直至完成整个被测车轮的检测。

10.根据权利要求9所述的便携式地铁车轮踏面的参数检测方法，其特征在于：所述步骤四中的多个参数包括轮缘宽度、轮缘高度、车轮半径、QR值、踏面磨损面积、踏面磨损深度、同一轮对轮径差，所述车轮半径利用如下方程式计算得到，

其中，R表示被测车轮的半径，r表示弧形轨道的半径，L表示弧形轨道的圆心与被测车轮的圆心之间的距离，x_θ表示被测车轮踏面的直径检测圆周上的任一点到弧形轨道的距离，θ表示以弧形轨道的圆心为端点、过所述任一点的射线与弧形轨道的交点到弧形轨道在长度上的中心点对应的角弧度。