CN110667643B - 轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统与方法，包括：电路连接的列车触发单元、n个激光测量单元、n个作用力敏感单元和系统控制与数据处理单元，n为正整数且为偶数；激光测量单元，分别沿纵向、垂向和横向三个方向出射激光，并分别接收返回的携带作用力信息的反射光、携带车轴位置信息的车轴散射光和携带轮对内侧面位置信息的内侧面散射光，生成作用力测量信号、轮对摇头角、侧滚角测量信号和横移量测量信号；作用力敏感单元反射纵向出射光；系统控制与数据处理单元根据计算轮轨接触横向与垂向作用力、轮对摇头角、侧滚角、车轮横移量，进而检测车轮踏面故障。本系统可以对所述参数同时快速准确测量。

Description

轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统与方法

技术领域

本发明涉及轨道交通安全检测技术领域，尤其涉及一种轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统与方法。

背景技术

列车安全运行最基本的要求是保证列车不发生脱轨事故。列车在运行过程中，由于车轮轮缘部分与钢轨内侧面发生摩擦造成轮缘磨耗、车轮踏面常因制动或空转打滑等原因产生局部擦伤或剥离等。当车轮踏面出现擦伤、剥离等损伤时，车轮在钢轨上行驶的过程中就会出现周期性的跳动，会对车轮轴承与线路造成巨大的额外冲击载荷,其附加冲击的大小随损伤的深度、长度、列车的速度、以及列车载重量的不同而达到车轮静载荷的几倍。踏面擦伤是引起轮对轴承损伤、造成轴温升高、轮轴断裂、钢轨和混凝土轨枕断裂的主要原因之一。

此外，轮缘磨耗与踏面损伤都会导致车轮外形改变，影响轮轨接触状态的主要原因。轮轨接触几何参数中，轮对中心横移量和轮对摇头角是两个独立变量；轮轨接触横向作用力与垂向作用力之比为脱轨系数，脱轨系数越大越容易脱轨。因此，在轮轨接触状态中，轮对中心横移量、轮对摇头角、轮轨接触横向作用力与垂向作用力是列车安全运行的四个重要参数。踏面损伤会引起轮轨垂向作用力的改变，通过测量轮轨垂向作用力，可以判断车轮是否存在踏面故障。

目前常用的车轮踏面故障检测方法包括：(1)应力应变法：通过在钢轨沿线的不同位置安装一系列应变计、光纤传感器和加速度计等传感器对钢轨状态进行监测，该方法可以得到列车蛇形、轮轨接触力、钢轨擦伤与磨耗等参数，进而推算故障等级，但是该方法测量结果受车速和载重影响较大；(2)电磁超声法：在车轮通过时，通过嵌入钢轨表面的电磁超声探头与车轮踏面接触，探头将会激发超声波在车轮内部传播，当车轮存在擦伤或缺陷时产生回波，分析接收到的回波信号可获得轮对踏面处信息，该方法适用于车速低于15km/h时，无需耦合剂，测量方便，但是在安装时会破坏钢轨原有结构；(3)超声测距法：在钢轨的一端安装超声发生与探测装置，超声波脉冲沿轨道表面向前传播，遇到轮对接触点时产生回波，通过超声波脉冲往返于轮轨接触点的时间不同来判断车轮接触面磨损度，该方法需要特殊的钢轨、且需要列车低速、匀速通过检测系统；(4)平行四边形法：当列车车轮通过时，车轮轮缘顶部压下平行四边形机构的上平板，使得此平板产生平动，非接触式位移传感器直接测量平板相对于钢轨的垂直位移，通过数据处理可以定量测量出踏面擦伤深度、擦伤长度及踏面磨损等，通过与标准轮对比较，可以计算得到圆度误差等，但是该方法仅适用与车速低于25km/h时的情况。另外，现有的检测技术，通过采用图像分析进行轮对中心横移量、轮对摇头角测量，该技术方案容易受环境光干扰较大，并不能达到全天候工作的状态。

发明内容

本发明提供了一种轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统与方法，用于铁路与城市轨道交通轮轨接触状态与车轮踏面损伤在线检测，以解决现有技术问题中的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本实施例的一方面提供了一种轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统，包括：电路连接的列车触发单元、n个激光测量单元、n个作用力敏感单元和系统控制与数据处理单元，n为正整数且为偶数，每个激光测量单元与每个作用力敏感单元作为一组测量单元，n组测量单元以钢轨中心线对称的安装于钢轨内侧，第一个激光测量单元到最后一个所述作用力敏感单元的长度，覆盖经过的所有型号的列车车轮滚动一周的长度；

所述激光测量单元，用于分别沿纵向、垂向和横向三个方向出射激光；并分别接收返回的携带作用力信息的反射光，生成作用力测量信号，接收返回的携带车轴位置信息的车轴散射光，生成轮对摇头角、侧滚角测量信号，接收返回的携带轮对内侧面位置信息的内侧面散射光，生成轮对横移量测量信号；

所述作用力敏感单元，用于反射所述纵向出射光，形成反射光携带作用力信息返回至所述的激光测量单元；

所述的系统控制与数据处理单元，用于根据所述列车触发单元发出的来车信号控制所述激光测量单元工作，根据所述作用力测量信号计算轮轨接触横向作用力与垂向作用力，根据轮对摇头角、侧滚角测量信号计算轮对摇头角、侧滚角，根据轮对横移量测量信号计算车轮横移量，进而检测车轮踏面故障状况。

优选地，激光测量单元包括激光器、光纤出射端、准直镜、分光元件、偏光分光元件、λ/4波片、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第一窗口玻璃、第二窗口玻璃、第三窗口玻璃；所述作用力敏感单元包括光线反射单元和第四窗口玻璃；

所述激光器用于发出激光，光纤出射端用于出射所述激光，准直镜用于对出射的激光进行扩束、准直，准直后的光由分光元件反射后形成垂向出射光；准直后的光由分光元件透射、偏光分光元件反射后形成横向出射光；准直后的光由分光元件透射、偏光分光元件透射、λ/4波片透射并将偏振方向旋转45°后形成纵向出射光；

所述垂向出射光向上出射后，由车轴散射，形成车轴散射光，车轴散射光携带车轴位置信息返回至激光测量单元的第二光电探测器，生成轮对摇头角测量信号；

所述横向出射光沿指向钢轨方向出射后，由轮对内侧面散射，形成内侧面散射光，内侧面散射光携带轮对内侧面位置信息返回至所述激光测量单元的第三光电探测器，生成轮对横移量测量信号；

所述纵向出射光沿钢轨方向出射后，由所述作用力敏感单元反射，形成反射光，反射光返回至所述激光测量单元时，经过λ/4波片透射并将偏振方向旋转45°后，被偏光分光元件反射，携带作用力信息的反射光返回至所述激光测量单元的第一光电探测器，形成作用力测量信号。

优选地，第一光电探测器为四象限探测器。

优选地，第一光电探测器由会聚透镜与位置敏感探测器组成。

优选地，第二光电探测器、第三光电探测器为电荷耦合元件或位置敏感探测器。

优选地，光线反射单元为反射镜或角锥棱镜。

本发明实施例的另一方面提供了一种轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)安装检测系统：沿列车前进方向依次安装一个列车触发单元、n个激光测量单元和n个作用力敏感单元组成的n组测量单元，将系统控制与数据处理单元安装于轨道外侧，所述n个激光测量单元、n个作用力敏感单元分别以钢轨中心线对称地安装于两根钢轨的内侧，n为正整数且为偶数；

(2)标定轮轨作用力：将一个标准轮对通过所述检测系统，通过所述系统测试标准轮对提供的轮轨横向作用力与垂向作用力，标定所述反射光回到所述第一光电探测器时、光点在两个方向的位置与左右两侧轮轨横向作用力以及垂向作用力之间的关系；

(3)标定轮对内侧面：使一个标准轮对通过所述检测系统，记左右两个所述激光测量单元的第二光电探测器和第三光电探测器的测量值分别d_L2(t)、d_R2(t)、d_L3(t)、d_R3(t)，其中车轴在垂直方向的位置一系列d_L2(t)、d_R2(t)形成的曲线近似于圆弧曲线，记录下d_L2(t)、d_R2(t)最低点出现时刻t_L0、t_R0，取d_L0＝d_L3(t_L0)、d_R0＝d_R3(t_R0)为左右两侧内侧面的参考距离；

(4)轮轨作用力测量：待检测列车经过时，左右两侧激光测量单元的第一光电探测器分别记录下光点在两个方向的位置变化曲线d_L1-1(t)、d_R1-1(t)、d_L1-2(t)、d_R1-2(t)，根部步骤(2)标定的光点两个方向位置改变量与轮轨横向作用力与垂向作用力之间的关系，计算出轮轨横向作用力与垂向作用力；

(5)轮对摇头角、侧滚角测量：待检测列车经过时，左右两侧激光测量单元的第二光电探测器分别记录下车轴在垂直方向的位置变化曲线d_L2(t)、d_R2(t)，记录下d_L2(t)、d_R2(t)曲线最低点出现的时刻t_L、t_R以及最低点高度d_L2(t_L)、d_R2(t_R)，根据列车通过速度v、轨距D，则得到轮对摇头角

轮对侧滚角δ＝arctan((d_L2(t_L)-d_R2(t_R))/D)；

(6)轮对中心横移量测量：待检测列车经过时，左右两侧所述激光测量单元的第三光电探测器分别记录下车轴在垂直方向的位置变化曲线d_L3(t)、d_R3(t)，左右两侧内侧面位置分别为d_L3(t_L)、d_R3(t_R)，轮对中心横移量△d＝(△d_L-△d_R)/2＝[(d_L0-d_L3(t_L))-(d_R0-d_R3(t_L))]/2；

(7)轮对踏面擦伤、剥离测量：根据步骤(4)的轮轨作用力测量，将所有的激光测量单元测得的轮轨横向作用力与垂向作用力合成轮对在测量区域滚动一周的轮轨横向作用力与垂向作用力曲线，当存在擦伤或剥离时，垂向作用力曲线会出现尖峰或尖谷，通过对垂向作用力曲线的分析，识别车轮是否存在擦伤或剥离。

由上述本发明的轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统与方法提供的技术方案可以看出，本发明可以实现对轮对中心横移量、轮对摇头角、轮对侧滚角、轮轨接触横向作用力与垂向作用力、车轮踏面擦伤与剥离的同时快速测量，同时测量可以通过冗余信息方式去除粗大误差，提高测量准确性；本发明采用非接触激光测量，响应速度快；本发明的系统结构简单、安装方便。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例一的一种轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统示意图；

图2为实施例一的激光测量单元和作用力敏感单元的结构立体图；

图3为实施例一的激光测量单元的内部结构示意图；

图4为实施例一的作用力敏感单元的内部结构示意图；

图5为实施例一的轮对横移量、轮对摇头角和轮对侧滚角的测量示意图；

图6为实施例一的轮对横移量测量光路图；

图7为实施例一的轮对作用力测量光路图；

图8为实施例一的第三光电探测器为位置敏感探测器的轮对横移量测量光路图；

图9为实施例一的第一光电探测器为透镜和PSD的结构的轮对横移量测量光路图；

图10为实施例一的第一光电探测器光电在两个方向的位置移动示意图；

图11为实施例一放入轮对车轴高度测量曲线及轮对摇头角测量示意图；

图12为实施例一的轮对中心横移量测量测量原理图；

图13为实施例一的轮对侧滚角测量示意图；

图14为实施例二的一种轮轨接触状态激光检测系统示意图。

附图标记说明：

1激光测量单元 2作用力敏感单元 3激光测量单元 4作用力敏感单元

5激光测量单元 6作用力敏感单元 7激光测量单元 8作用力敏感单元

101准直镜 102分光元件 103偏光分光元件 104λ/4波片

105第一光电探测器 106第二光电探测器 107第三光电探测器

108第一窗口玻璃 109第二窗口玻璃 110第三窗口玻璃

111外壳 112底座 201反射单元 202第四窗口玻璃 203外壳

204底座

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。本发明的轮轨接触空间坐标系中，沿着列车前进方向称为纵向，在水平面内垂直于列车前进方向称为横向，垂直于水平面方向称为垂向。

本发明所述轮轨接触状态包括轮对中心横移量、轮对摇头角、轮对侧滚角、轮轨接触横向作用力与垂向作用力，本发明所述车轮踏面损伤包括车轮踏面擦伤与剥离。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

图1为本实施例提供的一种轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统示意图，参照图1，该系统包括：电路连接的列车触发单元、2个激光测量单元(1和5)、2个作用力敏感单元(2和6)和系统控制与数据处理单元，每个激光测量单元与每个作用力敏感单元作为一组测量单元，2组测量单元以钢轨中心线对称的安装(通过卡具固定)于钢轨内侧，所述激光测量单元到最后一个所述作用力敏感单元的长度，覆盖经过的所有型号的列车车轮滚动一周的长度。

图2为激光测量单元和作用力敏感单元的结构立体图，参照图2，激光测量单元，用于分别沿纵向、垂向和横向三个方向出射激光；并分别接收返回的携带作用力信息的反射光，生成作用力测量信号，接收返回的携带车轴位置信息的车轴散射光，生成轮对摇头角、侧滚角测量信号，接收返回的携带轮对内侧面位置信息的内侧面散射光，生成轮对横移量测量信号。

其中，三个方向出射激光分别记为纵向出射光I、垂向出射光II、横向出射光III；纵向出射光I沿钢轨方向出射后，由作用力敏感单元反射，形成反射光I′，反射光I′携带作用力信息回到激光测量单元，生成作用力测量信号；垂向出射光II垂直向上出射后，由车轴散射，形成车轴散射光II′，车轴散射光II′携带车轴位置信息回到激光测量单元，生成轮对摇头角、侧滚角测量信号；横向出射光III在水平面内垂直指向钢轨方向出射后，由轮对内侧面散射，形成内侧面散射光III′，内侧面散射光III′携带轮对内侧面位置信息回到激光测量单元，生成轮对横移量测量信号。

作用力敏感单元，用于反射所述纵向出射光，形成反射光携带作用力信息返回至所述的激光测量单元；

系统控制与数据处理单元，用于根据所述列车触发单元发出的来车信号控制所述激光测量单元工作，根据所述作用力测量信号计算轮轨接触横向作用力与垂向作用力，根据轮对摇头角、侧滚角测量信号计算轮对摇头角、侧滚角，根据轮对横移量测量信号计算车轮横移量，进而检测车轮踏面故障状况。

图3为激光测量单元的内部结构示意图，参照图3，激光测量单元包括激光器、光纤出射端、准直镜101、分光元件102、偏光分光元件103、λ/4波片104、第一光电探测器105、第二光电探测器106、第三光电探测器107、第一窗口玻璃108、第二窗口玻璃109、第三窗口玻璃110、外壳111和底座112。图4为作用力敏感单元的内部结构示意图，参照图4，作用力敏感单元包括光线反射单元201、第四窗口玻璃202外壳203和底座204。

激光器用于发出激光，光纤出射端用于出射所述激光，准直镜101用于对出射的激光进行扩束、准直，准直后的光由分光元件102反射后形成垂向出射光II；准直后的光由分光元件102透射、偏光分光元件103反射后形成横向出射光III；准直后的光由分光元件102透射、偏光分光元件103透射、λ/4波片104透射并将偏振方向旋转45°后形成纵向出射光I。

图5为本实施例的轮对横移量、轮对摇头角和轮对侧滚角的测量示意图，参照图5，垂向出射光II向上出射后，由车轴散射，形成车轴散射光II′，车轴散射光携带车轴位置信息返回至激光测量单元2的第二光电探测器106，生成轮对摇头角测量信号，根据激光三角法原理得到车轴在垂直方向的位置变化；图6为轮对横移量测量光路图，如图5和图6所示，横向出射光III沿垂直钢轨方向出射后，由轮对内侧面散射，形成内侧面散射光III′，内侧面散射光III′携带轮对内侧面位置信息返回至所述激光测量单元1的第三光电探测器107，生成轮对横移量测量信号，根据激光三角法原理得到轮对内侧面在水平方向的位置变化；图7为本实施例的轮对作用力测量光路图，参照图7，纵向出射光I沿钢轨方向出射后，由所述作用力敏感单元2的反射镜201反射，形成反射光I′，反射光I′返回至所述激光测量单元1时，经过λ/4波片104透射并将偏振方向旋转45°后，被偏光分光元件103反射，携带作用力信息的反射光返回至所述激光测量单元1的第一光电探测器105，形成作用力测量信号。

优选地，本实施例中的第一光电探测器105为四象限探测器(QD，QuadrantDetector)，第二光电探测器106与第三光电探测器107为电荷耦合元件(CCD，Charge-coupled Device)，所述光线反射单元201为反射镜。示意性地，光线反射单元还可以为角锥棱镜，第三光电探测器还可以为位置敏感探测器PSD(Position-Sensitive Detector)，第一光电探测器105还可以为透镜和PSD的结构，如图8和图9所示，分别为第三光电探测器为位置敏感探测器PSD，第一光电探测器为透镜和PSD的结构的轮对横移量测量光路图。

应用上述系统进行轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测方法，具体包括如下步骤：

(1)安装检测系统：沿列车前进方向依次安装一个列车触发单元、2个激光测量单元(1和5)和2个作用力敏感单元(2和6)组成的2组测量单元，将系统控制与数据处理单元安装于轨道外侧，2个激光测量单元、2个作用力敏感单元分别以钢轨中心线对称地安装于两根钢轨的内侧。其中，激光测量单元(1、5)与作用力敏感单元(2、6)前后位置与方向可以同时互换。

(2)标定轮轨作用力：将一个标准轮对通过所述检测系统，通过所述系统测试标准轮对提供的轮轨横向作用力与垂向作用力，标定所述反射光回到所述第一光电探测器时、光点在两个方向的位置与左右两侧轮轨横向作用力以及垂向作用力之间的关系。这里有两种方式可以提供的轮轨横向作用力与垂向作用力，①在标准轮对上贴上应变片，持续测量标准轮对通过所述检测系统时，轮对受到的横向作用力与垂向作用力；②在钢轨上贴一系列的应变片，持续测量标准轮对通过所述检测系统时，钢轨受到的横向作用力与垂向作用力。

由于轮轨作用力导致钢轨变形，使得纵向出射光I、反射光I′的空间位置随着轮轨横向作用力与垂向作用力发生改变，根据测力轮对或者安装在激光测量单元(1、5)附近的应变片提供的轮轨横向作用力与垂向作用力，可以标定所述反射光回到所述第一光电探测器105时、光点在两个方向的位置d_L1-1(t)、d_R1-1(t)、d_L1-2(t)、d_R1-2(t)与左右两侧轮轨横向作用力f_L1-H(t)、f_R1-H(t)以及垂向作用力f_L1-V(t)、f_R1-V(t)之间的关系。图10为第一光电探测器光电在两个方向的位置移动示意图。

(3)标定轮对内侧面：使一个标准轮对通过所述检测系统，记为左右两个所述激光测量单元(1、5)的第二光电探测器和第三光电探测器的测量值分别d_L2(t)、d_R2(t)、d_L3(t)、d_R3(t)，其中车轴在垂直方向的位置d_L2(t)、d_R2(t)形成的曲线近似于圆弧曲线(如图11所示)，记录下d_L2(t)、d_R2(t)最低点出现时刻t_L0、t_R0，取d_L0＝d_L3(t_L0)、d_R0＝d_R3(t_R0)为左右两侧内侧面的参考距离，如

图12所示。

(4)轮轨作用力测量：待检测列车经过时，左右两侧激光测量单元(1、5)的第一光电探测器105分别记录下光点在两个方向的位置变化曲线d_L1-1(t)、d_R1-1(t)、d_L1-2(t)、d_R1-2(t)，根部步骤(2)标定的光点两个方向位置改变量与轮轨横向作用力与垂向作用力之间的关系，计算出轮轨横向作用力与垂向作用力。

(5)轮对摇头角、侧滚角测量：待检测列车经过时，左右两侧激光测量单元(1、5)的第二光电探测器分别记录下车轴在垂直方向的位置变化曲线d_L2(t)、d_R2(t)，记录下d_L2(t)、d_R2(t)曲线最低点出现的时刻t_L、t_R以及最低点高度d_L2(t_L)、d_R2(t_R)，根据列车通过速度v、轨距D，则得到轮对摇头角

轮对侧滚角δ＝arctan((d_L2(t_L)-d_R2(t_R))/D)。参照图13为轮对侧滚角测量示意图。

(6)轮对中心横移量测量：待检测列车经过时，左右两侧所述激光测量单元(1、5)的第三光电探测器分别记录下车轴在垂直方向的位置变化曲线d_L3(t)、d_R3(t)，左右两侧内侧面位置分别为d_L3(t_L)、d_R3(t_R)，轮对中心横移量△d＝(△d_L-△d_R)/2＝[(d_L0-d_L3(t_L))-(d_R0-d_R3(t_L))]/2。

(7)轮对踏面擦伤、剥离测量：根据步骤(4)的轮轨作用力测量，将所有的激光测量单元测得的轮轨横向作用力与垂向作用力合成轮对在测量区域滚动一周的轮轨横向作用力与垂向作用力曲线，当存在擦伤或剥离时，垂向作用力曲线会出现尖峰或尖谷，通过对垂向作用力曲线的分析，识别车轮是否存在擦伤或剥离。

实施例二

图14为本实施例的一种轮轨接触状态激光检测系统示意图，参照图14，该系统主要包括列车触发单元、激光测量单元(1、3、5、7)、作用力敏感单元(2、4、6、8)、系统控制与数据处理单元。其中，每个激光测量单元与每个作用力敏感单元作为一组测量单元，4组测量单元以钢轨中心线对称的安装(通过卡具固定)于钢轨内侧，其中，激光测量单元1、3与激光测量单元5、7对称，作用力敏感单元2、4与作用力敏感单元6、8对称，列车触发单元、激光测量单元(1、3、5、7)均连接于系统控制与数据处理单元上。

其中激光测量单元(1、3、5、7)、作用力敏感单元(2、4、6、8)与实施例一中的结构相同，其检测方法也同实施例一。

本领域技术人员应能理解上述的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

在实际应用中，上述信号处理装置也可以设置在系统内部的其它位置。本发明实施例并不局限于上述信号处理装置的具体放置位置，上述信号处理装置在电子式互感器的内部中的任何放置方式都在本发明实施例的保护范围中。示意性地，交换了分光元件与偏光分光元件位置、并随之将探测器位置进行调整，也可以实现本发明的目的。改变了分光元件与偏光分光元件的位置，需要对各个光路的探测器的位置进行调整，使得返回的激光光斑能够落到探测器上

本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的各类单元的数量可能小于一个实际系统中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统，其特征在于，包括：电路连接的列车触发单元、n个激光测量单元、n个作用力敏感单元和系统控制与数据处理单元，n为正整数且为偶数，每个激光测量单元与每个作用力敏感单元作为一组测量单元，n组测量单元以钢轨中心线对称的安装于钢轨内侧，第一个激光测量单元到最后一个所述作用力敏感单元的长度，覆盖经过的所有型号的列车车轮滚动一周的长度；

所述激光测量单元，用于分别沿纵向、垂向和横向三个方向出射激光，分别形成纵向出射光、垂向出射光和横向出射光；并分别接收返回的携带作用力信息的反射光，生成作用力测量信号，接收返回的携带车轴位置信息的车轴散射光，生成轮对摇头角、侧滚角测量信号，接收返回的携带轮对内侧面位置信息的内侧面散射光，生成轮对横移量测量信号；

所述作用力敏感单元，用于反射所述纵向出射光，形成反射光携带作用力信息返回至所述的激光测量单元；

所述的系统控制与数据处理单元，用于根据所述列车触发单元发出的来车信号控制所述激光测量单元工作，根据所述作用力测量信号计算轮轨接触横向作用力与垂向作用力，根据轮对摇头角、侧滚角测量信号计算轮对摇头角、侧滚角，根据轮对横移量测量信号计算车轮横移量，进而检测车轮踏面故障状况；

所述的激光测量单元包括激光器、光纤出射端、准直镜、分光元件、偏光分光元件、λ/4波片、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第一窗口玻璃、第二窗口玻璃、第三窗口玻璃；所述作用力敏感单元包括光线反射单元和第四窗口玻璃；

所述激光器用于发出激光，光纤出射端用于出射所述激光，准直镜用于对出射的激光进行扩束、准直，准直后的光由分光元件反射后形成垂向出射光；准直后的光由分光元件透射、偏光分光元件反射后形成横向出射光；准直后的光由分光元件透射、偏光分光元件透射、λ/4波片透射并将偏振方向旋转45°后形成纵向出射光；

所述垂向出射光向上出射后，由车轴散射，形成车轴散射光，车轴散射光携带车轴位置信息返回至激光测量单元的第二光电探测器，生成轮对摇头角测量信号；

所述横向出射光沿指向钢轨方向出射后，由轮对内侧面散射，形成内侧面散射光，内侧面散射光携带轮对内侧面位置信息返回至所述激光测量单元的第三光电探测器，生成轮对横移量测量信号；

所述纵向出射光沿钢轨方向出射后，由所述作用力敏感单元反射，形成反射光，反射光返回至所述激光测量单元时，经过λ/4波片透射并将偏振方向旋转45°后，被偏光分光元件反射，携带作用力信息的反射光返回至所述激光测量单元的第一光电探测器，形成作用力测量信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的第一光电探测器为四象限探测器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的第一光电探测器由会聚透镜与位置敏感探测器组成。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的第二光电探测器、第三光电探测器为电荷耦合元件或位置敏感探测器。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的光线反射单元为反射镜或角锥棱镜。

6.一种应用权利要求2-5任一项所述系统的轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)安装检测系统：沿列车前进方向依次安装一个列车触发单元、n个激光测量单元和n个作用力敏感单元组成的n组测量单元，将系统控制与数据处理单元安装于轨道外侧，所述n个激光测量单元、n个作用力敏感单元分别以钢轨中心线对称地安装于两根钢轨的内侧，n为正整数且为偶数；

(2)标定轮轨作用力：将一个标准轮对通过所述检测系统，通过所述系统测试标准轮对提供的轮轨横向作用力与垂向作用力，标定所述反射光回到所述第一光电探测器时、光点在两个方向的位置与左右两侧轮轨横向作用力以及垂向作用力之间的关系；

(3)标定轮对内侧面：使一个标准轮对通过所述检测系统，记左右两个所述激光测量单元的第二光电探测器和第三光电探测器的测量值分别d_L2(t)、d_R2(t)、d_L3(t)、d_R3(t)，其中车轴在垂直方向的位置一系列d_L2(t)、d_R2(t)形成的曲线近似于圆弧曲线，记录下d_L2(t)、d_R2(t)最低点出现时刻t_L0、t_R0，取d_L0＝d_L3(t_L0)、d_R0＝d_R3(t_R0)为左右两侧内侧面的参考距离；

(4)轮轨作用力测量：待检测列车经过时，左右两侧激光测量单元的第一光电探测器分别记录下光点在两个方向的位置变化曲线d_L1-1(t)、d_R1-1(t)、d_L1-2(t)、d_R1-2(t)，根据步骤(2)标定的光点两个方向位置改变量与轮轨横向作用力与垂向作用力之间的关系，计算出轮轨横向作用力与垂向作用力；

(5)轮对摇头角、侧滚角测量：待检测列车经过时，左右两侧激光测量单元的第二光电探测器分别记录下车轴在垂直方向的位置变化曲线d_L2(t)、d_R2(t)，记录下d_L2(t)、d_R2(t)曲线最低点出现的时刻t_L、t_R以及最低点高度d_L2(t_L)、d_R2(t_R)，根据列车通过速度v、轨距D，则得到轮对摇头角φ＝arctan((t_L0-t_R0)*v/D)、轮对侧滚角δ＝arctan((d_L2(t_L)-d_R2(t_R))/D)；

(6)轮对中心横移量测量：待检测列车经过时，左右两侧所述激光测量单元的第三光电探测器分别记录下车轴在垂直方向的位置变化曲线d_L3(t)、d_R3(t)，左右两侧内侧面位置分别为d_L3(t_L)、d_R3(t_R)，轮对中心横移量△d＝(△d_L-△d_R)/2＝[(d_L0-d_L3(t_L))-(d_R0-d_R3(t_L))]/2；

(7)轮对踏面擦伤、剥离测量：根据步骤(4)的轮轨作用力测量，将所有的激光测量单元测得的轮轨横向作用力与垂向作用力合成轮对在测量区域滚动一周的轮轨横向作用力与垂向作用力曲线，当存在擦伤或剥离时，垂向作用力曲线会出现尖峰或尖谷，通过对垂向作用力曲线的分析，识别车轮是否存在擦伤或剥离。

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