CN109696134A - 基于二维激光位置检测技术的车轮尺寸检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

基于二维激光位置检测技术的车轮尺寸检测方法和系统，涉及车轮轮对几何尺寸的自动测量领域，先向车轮发射n(n≥4)条线激光，在车轮前进的过程中，车轮切割线激光，线激光与轮缘顶点圆共计形成n(n≥4)个交点P_i，获取这些交点P_i的三维坐标(X_i，Y_i，Z_i)，再通过检测每个发射点的垂直位置变化量，修正交点P_i的三维坐标，根据修正后的交点P_i的三维坐标，求解得到顶点圆的半径R和圆心O的三维坐标。本发明可以精准测量车轮在动态运行过程中车轮轮缘尺寸及踏面的磨损量，测量精度不会收到轨道的形变量的影响，且在长期使用的过程中，可自行跟随测量车轮轮缘尺寸及踏面的磨损量，做到动态修正，具有一定的自适应能力。

Description

基于二维激光位置检测技术的车轮尺寸检测方法和系统

技术领域

本发明涉及车轮轮对几何尺寸的自动测量领域，更具体地，涉及基于二维激光位置检 测技术的车轮尺寸检测方法和系统。

背景技术

对于基于轨道运行的车轮来说，车轮的圆周面由轮缘与踏面两个曲面组成，踏面与轨 道接触实现承载运行，轮缘位于轨道的内侧，通过轮缘与轨道内侧接触，与踏面共同实现导 向功能。在车轮沿着轨道运行的过程中，车轮圆周面上与钢轨产生接触的表面部分会产生磨 耗，即踏面会产生磨损或产生划痕，轮缘与轨道内侧接触的一侧产生磨损导致轮缘厚度变薄。 一旦车轮踏面产生非正常磨耗，随着踏面的圆周磨耗，该轮的轮径变小，轮缘变薄，会产生 如下诸多危害：①车轮一旦产生圆周磨耗，则会破坏标准踏面的作用。一般来说，当车轮踏 面圆周磨耗到6.1mm时，则会呈圆柱形。由于经常处于滚动中的踏面圆周是靠近轮缘部分的， 所以当磨到8mm以上时，往往会出现靠近轮缘处凹下的情况，失去标准外形踏面的作用。 列车拐弯或通过曲线轨道时，两轮不能同时圆滑滚动通过，外轮会产生滑行，加剧了轮缘与 钢轨的磨耗。②致使轮缘变薄、变高，加剧轮缘的垂直磨耗，轮缘根部易产生裂纹。同时， 车轮非正常磨耗使得踏面凹入过深，致使列车在线路上行驶时容易切碰轨道的连接螺栓，引 起脱轨，轮缘垂直磨耗加剧后，车轮在通过岔道时容易造成脱轨或轧伤尖轨事故。③由于非 正常磨耗后，踏面形成槽状外形，其磨耗面易产生局部平面，使轮对不能圆滑滚动，增加了 列车的冲击振动。④破坏了踏面的标准外形，使踏面与轨道部分的锥度变大，车轮蛇形运动 的波长减小，频率增加，影响列车运行的平稳性。⑤车轮踏面磨耗后，特别是产生非正常磨 耗后，其与钢轨的接触面增大，车轮踏面与钢轨的接触面积增大，踏面与钢轨接触各点与车 轴中心距离的偏差增大，车辆运行阻力增加。因此，踏面与轮缘的磨耗会直接影响到车轮与 轮轨的配合和列车的行车安全，甚至引起重大列车事故。

因此，需要对车轮的踏面磨损、轮缘的厚度进行测量，及时测量其磨损程度，尽早排 查。在对车轮的多个尺寸的测量中，我们可以发现，车轮外形尺寸的多项参数是基于轮缘顶 点的，即与轮缘的顶点圆半径有关系，且踏面所在的车轮轮径与顶点圆在同一轴线上，即顶 点圆的圆心位置与车轮的圆心在同一直线上，因此，可以通过测量轮缘的顶点圆半径与圆心 位置得到车轮踏面的磨损量。但是，由于车轮的轮缘为曲面，不存在刀口(即曲面尖点)，在 动态非接触检测过程中，轮缘的顶点是难以精确定位的，从而会影响车轮尺寸检测的精度。

其次，由于轨道处地基松弛变化、或在雨量不同的季节、或列车的载重量变化，当负 载着列车的车轮在轨道上经过时，会导致车轮轴线位置发生变化，也会影响车轮尺寸检测的 精度。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种基于二维激光位置检测技术 的车轮尺寸检测方法和系统，能精准测量车轮轮缘的顶点圆半径和圆心位置的变化，并修正 外界因素对其的影响。

本发明采取的技术方案是，一种基于二维激光位置检测技术的车轮尺寸检测方法，用 于检测在轨道上运行的单侧车轮轮缘顶点圆半径、圆心及车轮踏面半径，先向车轮发射n(n≥4) 条线激光，在车轮前进的过程中，车轮切割线激光，线激光与轮缘顶点圆共计形成n(n≥4) 个交点P_i，获取这些交点P_i的三维坐标(X_i，Y_i，Z_i)，

再通过检测每个发射点的垂直位置变化量，修正交点P_i的三维坐标，根据修正后的交点P_i的 三维坐标，求解得到顶点圆的半径R和圆心O的三维坐标。

以两个轨道之间的轨枕方向为X轴、车轮沿着轨道的前进方向为Y轴、垂直于轨道上 表面形成的枕面为Z轴建立坐标系。车轮在轨道上滑动，沿着Y轴带动列车前进，车轮踏面 与轨道产生摩擦产生损耗。在整个车轮中，轮缘顶端的圆弧是不与钢轨接触的部分，不存在 磨耗，在运行中可以一直保持稳定的几何尺寸，即轮缘的顶点圆半径R保持不变，其次，车 轮的轮对与轮缘在同一轴线上，即踏面圆r的圆心(X_r，Y_r，Z)与顶点圆R的圆心 0(X_R，Y_R，Z)在同一轴线上，且Y_r＝Y_R。根据踏面圆选取的截面位置不同，X_r与X_R的间距可 知。由于车轮始终贴着轨道前行，且顶点圆的半径R保持不变，因此顶点圆或踏面圆的圆心 Z坐标的变化量ΔZ即为车轮踏面的磨损量。因此，为了检测车轮的踏面磨损量，可以通过测 定顶点圆R的圆心O(X_R，Y_R，Z)实现，而圆心O的坐标可以通过顶点圆的轮廓形状得知。

在本技术方案中，由于车轮的轮缘始终在两条轨道之间，因此，可以从轨道外侧向内 侧发射n(n≥4)条线激光，沿着Y轴方向，所述n(n≥4)条线激光分为两组，每组从上至下共有n/2条线激光，如此设置后，在同一高度位置均包含两条线激光。当线激光在连续发射时，形成一定宽度的激光面，车轮前进经过激光面后，一部分激光被车轮挡住，另一部分未被挡住，因此，n(n≥4)条线激光会与轮缘顶点圆轮廓形成n(n≥4)个交点P_i，且在同一高度均包含两个交点P_i，由于交点P_i落在顶点圆的圆周上，因此，n(n≥4)个交点P_i会在顶点圆圆周上的不同高度上形成n/2条弦，通过任意两条弦的弦长和弦间距，可以确定顶点圆的最低点坐标，在车轮前进过程中，沿着轨道设置多组监控点，将采集的顶点圆圆心O或顶点圆最低点的三维坐标实时监控，将其与车轮在轨道初始安装后顶点圆圆心O或顶点圆最低 点坐标对应比较，可得到顶点圆圆心O或顶点圆最低点的下沉量，从而得到踏面的磨损量。

随着车轮的运行，轨道不可避免产生形变，或由于不同季节的降雨，导致线激光发射 点的位置变化，或轨道高度有些许变化，从安全运行来讲，允许的踏面磨损量不超过0.5mm， 因此，除磨损外的其他高度变化都会对实际测量的圆心O的三维坐标带了较大影响，从而影 响对踏面磨损的计算，因此，所述检测方法还通过检测每道线激光在轮缘的高度位置变化量， 从而修正每道线激光与轮缘顶点圆均形成交点P_i的三维坐标。当发射点的高度位置发生微小 变化时，所发出的线激光到达车轮处的位置也会发生变化，与初始位置相比，以发射点为顶 点形成一个三角形，因此，可以通过测量发射点处三角形夹角大小或激光在轮缘的高度位置 变化量，即可修正交点P_i的三维坐标。

进一步地，所述检测方法还用于检测车轮踏面相对于标准车轮的磨损量，通过比较顶 点圆的圆心O与标准车轮踏面的圆心坐标，顶点圆的圆心O的垂向下降量ΔZ即为车轮踏面 的磨损量。

进一步地，所述检测方法包括如下步骤：

S11：车轮以速度V先后通过两组线激光，每组线激光在高度方向发射至少两道线激光；

S12：设置每组线激光位于同一高度的两道线激光之间的安装间距为L_i0；

S13：轮缘顶点圆先后切割同一高度的两道线激光的间隔时间为dt_i；

S14：从顶点圆切割同一水平面的两道线激光后形成的交点，得到弦长为L_i＝L_i0+V·dt_i；

S15：选取任意两个弦长L₁、L₂，结合两个水平面之间的间距ΔH，通过以下公式得到顶点圆 的半径为：

S16：根据交点的三维坐标，得到顶点圆的圆心O坐标。

两个弦长之间的高度差ΔH，为弦长对应的两个不同高度线激光之间的高度差，在线激 光安装之初就可以确定，车轮的前进速度和切割线激光的时间差可以很容易测得，因此，采 用本技术方案中的步骤，容易获取数据，可以较为直接的得出顶点圆的半径R和圆心O的三 维坐标。

进一步地，所述修正步骤如下：

S21：获取线激光到达接收器的初始位置Z_i0；

S22：当车轮经过线激光的有效范围时，获取线激光到达接收器的实时位置Z_i1；

S23：通过垂直位置变化量dRh_i＝Z_i1-Z_i0，得到修正后的交点P_i的(X_i，Y_i，Z_i+dRh)。

由于车轮是动态前行的，测量每道线激光在轮缘的高度位置变化量较难实现，但是线 激光被轮缘切割后，未被遮挡的部分在接收器处的位置信息是容易获取的，因此，可以对比 初始位置与实时位置的变化，从而得到高度的变化量，用于修正交点P_i。

进一步地，由于轮缘与接收器的位置不同，因此，还需要建立接收器处垂直位置变化 量dRh_i到轮缘交点P_i处垂直位置变化量dWh_i的转换关系，根据转换关系将dRh_i转换成dWh_i。

进一步地，与初始位置相比，接收器接收到的高度位置变化后的线激光会以发射点的 顶点、接收器处为底面形成三角形，通过将接收器的接收面沿着坐标轴中YZ平面设置，此 时，接收面与轮缘顶点圆所在的平面平行，通过相似三角形原理，线激光在轮缘的变化量与 线激光在接收器处的变化量、发射点与轨道的距离、及接收面与轨道的距离有关。设定发射 点距离轨道的间距为D1，接收器距离轨道的间距为D2；所述转换关系为dWh_i＝k·dRh_i， 其中，

本发明还提供另一个技术方案，一种基于二维激光位置检测技术的车轮尺寸检测系统， 包括：

两个基础平台，分别设置在两条轨道的外侧；

两个发射器，分别设置在两个基础平台上；

2n(n≥4)个接收器，设置在两条轨道之间，且沿着两条所述轨道的中线两侧各设置n个；

每个所述发射器从两条轨道的外侧向两条轨道之间发射n条线激光，n个接收器分别对应接 收n条线激光；

位移传感器，设置在轨道下方，用于测量轨道的形变量；

信号处理机，用于将接收器的信号转化为数字信号；

数据采集处理工控机，用于接收数字信号，并进行分析计算得到轮缘半径和圆心；

数据管理计算机，将得到的轮缘半径和圆心通过图像形式显示。

本发明的检测系统主要应用于在运行中的列车车轮，在现有的列车运行轨道结构中， 一般是在两个轨道之间设置若干轨枕，列车在由两条轨道和设置在两条轨道之间的若干轨枕 上运行，轨道上表面形成轨面。为提高车轮运行的安全性，需要对列车两侧的车轮均进行多 种尺寸的测量，包括车轮轮缘顶点圆半径、轮缘顶点圆圆心位置、踏面磨损量。以两个轨道 之间的轨枕方向为X轴、车轮沿着轨道的前进方向为Y轴、垂直于两条轨枕上表面形成的枕 面为Z轴建立坐标系。两条轨道之间为单条轨道的内侧，其相对的另一侧为轨道外侧。在每 条轨道的外侧，通过预制的混凝土基础件和安装钢梁构成基础平台，将发射器设置在基础平 台上，使发射器的线性发射口平行于XY平面，当列车前进时，列车两侧的车轮分别前后经 过发射器，发射器发射的线激光被车轮切割，一部分被车轮遮挡，未被遮挡的线激光会被接 收器接收。在此过程中，车轮的轮缘顶点圆轮廓会与每条线激光形成一个交点，因此，n(n≥4) 条线激光会与轮缘顶点圆轮廓形成n(n≥4)个交点P_i，且在同一高度均包含两个交点P_i，由 于交点P_i落在顶点圆的圆周上，因此，n(n≥4)个交点P_i会在顶点圆圆周上的不同高度上形 成n/2条弦，通过任意两条弦的弦长和弦间距，计算得到顶点圆的半径和圆心坐标，即圆心 位置。

由于发射器、接收器均以光信号作为传导，因此，需要信号处理机将光信号转化为电 信号后传递给数据采集处理工控机，数据采集处理工控机将电信号转换成数字信息，所述电 信号包括线激光切割轮缘顶点圆后形成的交点，通过弦高法的计算得到轮缘半径。最后，数 据管理计算机结合得到的顶点圆半径与现场检测系统的安装位置、线激光的发射角度，可获 得顶点圆的轮廓，从而得到顶点圆的圆心，将该圆心的位置与标准车轮安装在列车上的初始 位置相比，圆心的高度变化量即为踏面的磨损量。

随着车轮的踏面不断磨损，车轮会随着下降，但踏面的圆心与顶点圆的圆心在同一水 平面上，因此，顶点圆的圆心的下降量即为踏面的磨损量，因此，在动态装置使用过程中， 可以动态测量踏面的磨损量，且可自行测量车轮轮缘尺寸及踏面的磨损量，做到长期可跟随。

进一步地，所述线激光以角度α斜向下发射到接收器，当车轮沿着轨道前进时，切割 线激光，其与车轮轮缘顶点圆形成的交点P必然位于顶点圆圆心位置以下，随后到达接收器 时，可将接收器的接收面设置的低于轨道的上表面，不会阻碍列车的前进，在安装检测装置 时，也不需要调整破坏已有的轨道或轨枕高度。

进一步地，所述接收器为二维光电探测器，用于检测车轮运行过程中切割线激光的位 置及线激光的高度位置变化。

所述二维光电探测器指的是可以同时测量线激光在Y轴的变化量及线激光在二维光电 探测器探测面处的高度变化量。随着车轮的运行，轨道不可避免产生形变，或由于不同季节 的降雨，导致线激光发射点的位置变化，或轨道高度有些许变化，从安全运行来讲，允许的 踏面磨损量不超过0.5mm，因此，除磨损外的其他高度变化都会对实际测量的顶点圆圆心位 置带了较大影响，从而影响对踏面磨损的计算，因此，通过二维光电探测器同时测量到达的 线激光的高度变化量，从而修正顶点圆的圆心的高度位置，提高检测的精确度。

进一步地，所述发射器上设有4个发射口，分为上下两组，每组包含两个发射口，两组发射口的对称点在同一竖直线上。如此设置的目的在于：分别位于较高处与较低处的两个 发射口发出的线激光与轮缘顶点圆轮廓的两个交点所形成的两条连线是相互平行的，在安装 发射器之初，就可知道两组发射口之间的高度差dH，因此，两条连线之间的间距也为dH， 通过两条连线在顶点圆上构成的两条弦长及弦长之间的间距dH，利用弦高与顶点圆的半径关 系就可以得出顶点圆半径，整个过程中，数据以获取，计算量小，容易实现。

进一步地，所述接收器在两条所述轨道的对称轴左右两侧各设置4个；采用对射式的 安装方式，即：

从对称轴左侧发出的线激光被对称轴右侧的4个接收器接收，

从对称轴右侧发出的线激光被对称轴左侧的4个接收器接收。

进一步地，所述位移传感器为电涡流传感器，为提高检测的精度，可选择电涡流的参 数为：测量范围：1mm～11mm，响应速度：0～10kHz。当不同载重的列车通过、或轨道由于自然条件的变化发生小量沉降时，通过测定轨道的形变量或者高度的变化量，从而调整轮缘 的顶点圆的Z坐标，减小检测系统数据的整体偏移，降低发生误报的几率。

进一步地，所述线激光从踏面向轮缘方向斜向下发射，使其与轮缘的相交处位于轴线 以下，便于接收器接收线激光信号。

进一步地，所述接收器为n台二维激光位置传感器，用于对应接收每道线激光，可对 接收器进行编号，使之与发射的线激光对应，便于现场灵活安装接收器，且便于后台监控。

与现有技术相比，本发明可以精准测量车轮在动态运行过程中车轮轮缘尺寸及踏面的 磨损量，测量精度不会收到轨道的形变量的影响，且在长期使用的过程中，可自行跟随测量 车轮轮缘尺寸及踏面的磨损量，做到动态修正，具有一定的自适应能力。

附图说明

图1为本发明测量示意图。

图2为本发明中线激光的发射点位置关系图。

图3为本发明中线激光在轮缘上的交点位置关系图。

图4为本发明中踏面磨损前后车轮位置变化图。

图5为本发明中修正前后的位置对比图。

图6为本发明的系统结构主视图。

图7为图6的俯视图。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施 例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员 来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

方法实施例

如图1所示，一种基于线激光动态检测车轮轮缘外形尺寸的检测方法，以两个轨道之 间的轨枕方向为X轴、车轮沿着轨道的前进方向为Y轴、垂直于轨道上表面形成的枕面为Z 轴建立坐标系，所述检测方法用于检测在轨道上运行的单侧车轮轮缘顶点圆半径、圆心及车 轮踏面半径，向车轮发射4道线激光，且线激光斜向下发射，在车轮前进的过程中，车轮切 割线激光，线激光与轮缘顶点圆共计形成至少3个交点P_i，获取这些交点P_i的三维坐标(X_i，Y_i，Z_i)，求解得到顶点圆的半径R和圆心O的三维坐标。

结合图2可知，4道线激光的发射点可对称分为两组，在较高处沿车轮前进方向分别 设有发射点FHK1和发射点FHK2，且二者位于同一高度；在较低处沿车轮前进方向分别设有发射点FK1和发射点FK2，且二者位于同一高度，较高处与较低处之间的高度差为dH。

如图3所示，当线激光在连续发射时，形成一定宽度的激光面，车轮前进经过激光面 后，一部分激光被车轮挡住，另一部分未被挡住，因此，顶点圆的轮廓必然与激光面形成一 个交点P_i，且该交点P_i落在顶点圆的圆周上，即发射点FHK1发射的线激光与顶点圆的交点 为PHK1，发射点FHK2发射的线激光与顶点圆的交点为PHK2，发射点FK1发射的线激光 与顶点圆的交点为PK1，发射点FK2发射的线激光与顶点圆的交点为PK2。

因此，所述检测方法的步骤如下：

S11：车轮以速度V先后通过两组线激光，每组线激光在高度方向发射两道线激光；

S12：设置发射点FHK1与发射点FHK2发射的两道线激光之间的间距为L₁₀，发射点FK1与发射点FK2发射的两道线激光之间的间距为L₂₀；

S13：获取轮缘顶点圆先后切割发射点FHK1与发射点FHK2发射的两道线激光的间隔时间 为dt₁，轮缘顶点圆先后切割发射点FK1与发射点FK2发射的两道线激光的间隔时间为dt₂；

S14：得到弦长为L₁＝L₁₀+V·dt₁；L₁＝L₂₀+V·dt₂；

S15：结合两个弦长之间的高度差ΔH，通过以下公式得到顶点圆的半径为：

S16：根据交点的三维坐标，得到顶点圆的圆心坐标。

如图4所示，左侧为标准轮的初始安装位置，右侧为踏面磨损后的车轮实时位置，由 图可知，当踏面磨损后，车轮轴线的下降量即为车轮踏面的磨损量，而车轮轴线的高度位置 与顶点圆的圆心高度位置一致，因此，可通过顶点圆圆心位置的变化量ΔZ直接得到踏面的磨 损量。

如图5所示，所述检测方法还通过检测每道线激光在轮缘的高度位置变化量，从而修 正每道线激光与轮缘顶点圆均形成交点P_i的三维坐标。当发射点的高度位置发生微小变化时， 所发出的线激光到达车轮处的位置也会发生变化，与初始位置相比，以发射点为顶点形成一 个三角形，因此，可以通过测量发射点处三角形夹角大小或激光在轮缘的高度位置变化量， 即可修正交点P_i的三维坐标。由于轮缘与接收器的位置不同，因此，还需要建立接收器处垂 直位置变化量dRh_i到轮缘交点P_i处垂直位置变化量dWh_i的转换关系，根据转换关系将dRh_i转 换成dWh_i。

通过相似三角形原理，线激光在轮缘的变化量与线激光在接收器处的变化量、发射点 与轨道的距离、及接收面与轨道的距离有关。设定发射点距离轨道的间距为D1，接收器距离 轨道的间距为D2；所述转换关系为dWh_i＝k·dRh_i，其中，

系统实施例

如图6和图7所示，一种基于线激光动态检测车轮轮缘外形尺寸的检测系统，适用于 在两条轨道11上运行的车轮5，所述动态检测装置包括：两个基础平台1、分别设置在两个 基础平台1上的两个发射器2、8个接收器3、用于将接收器3的信号转化为电信号的信号处 理机(图中未示出)、用于接收电信号并进行分析计算得到轮缘半径R和圆心O的坐标的数 据采集处理工控机(图中未示出)、将得到的轮缘半径R和圆心O通过图像形式显示的数据 管理计算机(图中未示出)。

优选地，所述基础平台1由轨道11外侧的混凝土基础件和钢梁构成，所述钢梁与轨道 11连接，使基础平台1与轨道11保持一个整体，避免其滑动。所述混凝土基础件与钢梁之间设有减震块，用于降低当列车经过基础平台1带来的震动，提高检测的精度。

发射器2从两条轨道11的外侧向两条轨道11之间发射4条线激光，被4个接收器分别对应接收。接收器3为二维光电探测器，用于检测车轮运行过程中切割线激光4的位置及线激光4的高度位置变化；所述接收器3在两条所述轨道11的中线左右两侧采用对射式的安装方式各设置4个，即：

从对称轴左侧发出的线激光4被对称轴右侧的4个接收器3接收，

从对称轴右侧发出的线激光4被对称轴左侧的4个接收器3接收。

由于每台接收器3对应接收一道线激光4，因此，可对接收器3进行编号，使之与发射的线激光4对应，便于现场灵活安装接收器3，且便于后台监控。

所述检测系统还包括设置在轨道11下方的位移传感器，用于测量轨道11的形变量。 优选地，所述位移传感器为电涡流传感器，为提高检测的精度，可选择电涡流的参数为：测 量范围：1mm～11mm，响应速度：0～10kHz。

如图7所示，两个基础平台1，分别设置在两条轨道11的外侧，在两条轨道11之间设有若干个轨枕12，两个所述发射器2的两个对称点构成设备中心线62，设备中心线位于两个相邻的轨枕12之间，且与两个相邻的轨枕12的轨枕中心线61的间距为30mm～80mm；优 选地，间距为30mm或30mm或50mm或60mm或70mm或80mm。

由于发射器2、接收器3均以光信号作为传到，因此，需要信号处理机将光信号转化为电信号后传递给数据采集处理工控机，数据采集处理工控机将电信号转换成数字信息，所 述电信号包括线激光4切割轮缘顶点圆52后形成的交点，通过弦高法的计算得到轮缘半径。 最后，数据管理计算机结合得到的顶点圆52半径与现场检测系统的安装位置、线激光4的发 射角度，可获得顶点圆52的轮廓，从而得到顶点圆52的圆心，将该圆心的位置与标准车轮 5安装在列车上的初始位置相比，圆心的高度变化量即为踏面51的磨损量。

如图1所示，以两个轨道11之间的轨枕方向为X轴、车轮5沿着轨道11的前进方向为Y轴、垂直于两条轨枕上表面形成的枕面为Z轴建立坐标系。两条轨道11之间为单条轨 道11的内侧，其相对的另一侧为轨道11外侧。

结合图6可知，在每条轨道11的外侧，通过预制的混凝土基础件和安装钢梁构成基础 平台1，将发射器2设置在基础平台1上，使发射器2的线性发射口平行于XY平面，更进 一步地，调整发射器2到合适位置，使得发射出的线激光4从踏面51向轮缘方向斜向下发射，使其与轮缘的相交处位于轴线以下，即线激光4到达车轮5的位置位于轴线以下。

结合图1可知，将每侧发射器2所发射的四道线激光4均分成两组，且以角度α斜向下发射到接收器3；在同一高度上均包含两道线激光4，且不同高度上的两道线激光4具有同一对称轴。

结合图3可知，沿着Y轴正向，较高处发射点FHK1和发射点FHK2，且二者位于同 一高度；在较低处设有发射点FK1和发射点FK2，且二者位于同一高度；较高处与较低处之 间的高度差为dH。

发射点FHK1发射的线激光4与顶点圆52的交点为PHK1，发射点FHK2发射的线激 光4与顶点圆52的交点为PHK2，发射点FK1发射的线激光4与顶点圆52的交点为PK1， 发射点FK2发射的线激光4与顶点圆52的交点为PK2。从检测装置安装之初，可以得到交 点PHK1与PHK2之间的间距L₂₀等于发射点FHK1和发射点FHK2之间的间距；交点PK1 与PK2之间的间距L₁₀等于发射点FK1和发射点FK2之间的间距。

通过列车的运行记录可知，车轮以速度V经过线激光4，通过接收器3获取顶点圆52切割线激光4的时间间距，因此，顶点圆52的半径R可以通过如下公式得到：

其中，L₁＝L₁₀+V·dt₁；L₁＝L₂₀+V·dt₂；

dt₁：轮缘顶点圆先后切割发射点FHK1与发射点FHK2发射的两道线激光的间隔时间；

dt₂：轮缘顶点圆先后切割发射点FK1与发射点FK2发射的两道线激光的间隔时间。

如图4所示，左侧为标准轮的初始安装位置，右侧为踏面51磨损后的车轮5实时位置， 由图可知，当踏面51磨损后，车轮5轴线的下降量即为车轮5踏面51的磨损量，而车轮5轴线的高度位置与顶点圆52的圆心高度位置一致，因此，可通过顶点圆52圆心位置的变化量ΔZ直接得到踏面51的磨损量。

如图5所示，由于轮缘与接收器的位置不同，因此，还需要建立接收器处垂直位置变 化量dRh_i到轮缘交点P_i处垂直位置变化量dWh_i的转换关系，根据转换关系将dRh_i转换成dWh_i。

通过相似三角形原理，线激光4在轮缘的变化量与线激光4在接收器3处的变化量、发射点与轨道11的距离、及接收器3的接收面与轨道11的距离有关。在本实施例中的检测装置安装之初，就可得到：发射点距离轨道11与轮缘的贴合面的间距为D1，接收器3的接 收面距离轨道11与轮缘的贴合面的间距为D2；所述转换关系为dWh_i＝k·dRh_i，其中，

以上两个实施例，均可以精准测量车轮在动态运行过程中车轮轮缘尺寸及踏面的磨损 量，测量精度不会收到轨道的形变量的影响，且在长期使用的过程中，可自行跟随测量车轮 轮缘尺寸及踏面的磨损量，做到动态修正，具有一定的自适应能力。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非 是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修 改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于二维激光位置检测技术的车轮尺寸检测方法，用于检测在轨道上运行的单侧车轮轮缘顶点圆半径、圆心及车轮踏面半径，其特征在于：

向车轮发射n(n≥4)条线激光，在车轮前进的过程中，车轮切割线激光，线激光与轮缘顶点圆共计形成n(n≥4)个交点P_i，获取这些交点P_i的三维坐标(X_i，Y_i，Z_i)，

通过检测每个发射点的垂直位置变化量，修正交点P_i的三维坐标，根据修正后的交点P_i的三维坐标，求解得到顶点圆的半径R和圆心O的三维坐标。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述检测方法还用于检测车轮踏面相对于标准车轮的磨损量，通过比较顶点圆的圆心O与标准车轮踏面的圆心坐标，顶点圆的圆心O的垂向下降量ΔZ即为车轮踏面的磨损量。

3.根据权利要求1或2所述的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S11：车轮以速度V先后通过两组线激光，每组线激光在高度方向发射至少两道线激光；

S12：设置每组线激光位于同一高度的两道线激光之间的安装间距为L_i0；

S13：轮缘顶点圆先后切割同一高度的两道线激光的间隔时间为dt_i；

S14：从顶点圆切割同一水平面的两道线激光后形成的交点，得到弦长为L_i＝L_i0+V·dt_i；

S15：选取任意两个弦长L₁、L₂，结合两个水平面之间的间距ΔH，通过以下公式得到顶点圆的半径为：

S16：根据交点的三维坐标，得到顶点圆的圆心O坐标。

4.根据权利要求1至3任一项所述的检测方法，其特征在于，所述修正步骤如下：

S21：获取线激光到达接收器的初始位置Z_i0；

S22：当车轮经过线激光的有效范围时，获取线激光到达接收器的实时位置Z_i1；

S23：通过垂直位置变化量dRh_i＝Z_i1-Z_i0，得到修正后的交点P_i的(X_i，Y_i，Z_i+dRh)。

5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，建立接收器处垂直位置变化量dRh_i到轮缘交点P_i处垂直位置变化量dWh_i的转换关系，根据转换关系将dRh_i转换成dWh_i。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，设定发射点距离轨道的间距为D1，接收器距离轨道的间距为D2；所述转换关系为dWh_i＝k·dRh_i，其中，

7.一种如权利要求1中所述检测方法的检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：

两个基础平台(1)，分别设置在两条轨道(11)的外侧；

两个发射器(2)，分别设置在两个基础平台(1)上；

2n(n≥4)个接收器(3)，设置在两条轨道(11)之间，且沿着两条所述轨道(11)的中线两侧各设置n个；

每个所述发射器(2)从两条轨道(11)的外侧向两条轨道(11)之间发射n条线激光(4)，n个接收器(3)分别对应接收n条线激光；

位移传感器，设置在轨道下方，用于测量轨道的形变量；

信号处理机，用于将接收器的信号转化为数字信号；

数据采集处理工控机，用于接收数字信号，并进行分析计算得到轮缘半径和圆心；

数据管理计算机，将得到的轮缘半径和圆心通过图像形式显示。

8.根据权利要求7所述的检测系统，其特征在于，所述线激光(4)以角度α斜向下发射到接收器(3)。

9.根据权利要求7所述的检测系统，其特征在于，所述接收器(3)为二维光电探测器，用于检测车轮运行过程中切割线激光(4)的位置及线激光(4)的高度位置变化。

10.根据权利要求7或9所述的检测系统，其特征在于，所述位移传感器为电涡流传感器，其测量范围为1mm～11mm，响应速度：0～10kHz。