一种基于激光传感器的城轨车辆车轮直径检测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于激光传感器的城轨车辆车轮直径检测装置。该装置包括中央处理单元和多个激光传感器，所述激光传感器均与中央处理单元连接；检测区段的钢轨向外偏移，且该检测区段的钢轨内侧设置护轨，护轨与车轮轮缘内侧相切；激光传感器设置于钢轨偏移所空出的区域与护轨之间，激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均位于车轮下方，所有激光传感器与进行直径测量的车轮圆周共面。该方法使用多个激光传感器，将其按照一定几何关系安装在车轮下方，传感器同时探测车轮得到探测点，通过最小二乘拟合得到初始直径，而后对初始直径求均值得到车轮直径。本实用新型在线非接触式测量具有速度快、精度高、测量直径范围大的优点。
【专利说明】一种基于激光传感器的城轨车辆车轮直径检测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及铁路车轮检测领域，特别是一种基于激光传感器的城轨车辆车轮直径检测装置。
【背景技术】
[0002]城轨车辆在运行的过程中会出现不同程度的磨耗，磨耗对车轮安全运行会产生影响，而其中磨耗导致的车轮直径变化尤为关键。列车正线运行中，同轴及同转向架轮径差均有限度要求，同轴轮径差过大容易导致轮对擦伤，同一轮对轮径差过大还容易导致轮缘偏磨或列车异常振动，因此对车轮直径的测量对列车安全运行有着重要意义。
[0003]常用的圆弧半径测量方法包括卡尺法和弓高弦长法，其中卡尺法适用于精度要求不高的场合，测量范围受弧长的限制，卡尺量程受横向定位架的限制；而弓高弦长法的操作比较繁琐，该两种方法通常用于对工件做静态的离线测量。中国专利CN201159640Y (铁路车轮直径测量装置，申请号:200820055350.8，申请日:2008-02-02)公开了一种弓高弦长法测量车轮半径装置，检修方法属于手工测量和离线自动测量，当车轮行驶一段时间后需定期送车间进行检修。这种静态离线测量采用专用量具或万能量具人工检测，存在检测结果误差大、准确性差、返工率高、工作效率低、劳动强度大等缺点。
[0004]非接触式的在线测量轮对直径或轮对几何参数逐渐发展起来，中国专利CN1899904A (列车轮对尺寸在线检测方法及装置，申请号:200510035961.7申请日:2005-07-20)，在每根钢轨的两侧安装一定距离的激光位移传感器，传感器从钢轨的底侧斜向上测量，从而记录车轮踏面数据，并基于列车移动的速度计算经过两个激光传感器弦长得到直径。该方法的缺点为，需要同时利用列车速度信息，不能独立完成直径的测量，且利用单个激光传感器记录踏面信息，会由于踏面的变化无法精确定位直径所在位置。中国专利CN101219672A (基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法，申请号:200810056339.8申请日:2008-01-16)采用两个激光位移传感器直接照射车轮踏面滚动面，通过安装传感器的几何位置关系测量车轮直径，该方法的缺点为探测线没有解决对准问题，而同样近似斜切法，无法精确描述车轮直径。综上，目前的非接触式车轮直径测量技术仍然存在测量精度不高、测量响应速度慢、工程实施困难等缺点。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的在于提供一种高精度的基于激光传感器的城轨车辆车轮直径检测装置，采用非接触式测量，检测速度快、测量范围大。
[0006]实现本实用新型目的的技术解决方案为:一种基于激光传感器的城轨车辆车轮直径检测装置，包括中央处理单元和多个激光传感器，所述激光传感器均与中央处理单元连接；检测区段的钢轨向外偏移，且该检测区段的钢轨内侧设置护轨，护轨与车轮轮缘内侧相切；激光传感器设置于钢轨偏移所空出的区域与护轨之间，激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均位于车轮下方，所有激光传感器与进行直径测量的车轮圆周共面。[0007]与现有技术相比，本实用新型的显著优点在于:(1)基于激光检测系统，通过最小二乘拟合的算法，实现对列车车轮在线非接触测量，测量精度高；(2)由激光传感器自动获取车轮任意多点坐标，通过相应数据处理算法，获得当下所测车轮直径，操作简单、方便快捷；(3)具有检测速度快、测量范围大的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为车轮踏面运行后的磨耗示意图。
[0009]图2为基于激光传感器的城轨车辆车轮直径检测装置的结构示意图。
[0010]图3为城轨车辆车轮直径检测装置中钢轨切换处的示意图。
[0011]图4为钢轨偏移的距离Q与护轨的尺寸破面示意图。
[0012]图5为实施例1中激光传感器圆弧法线安装的车轮直径检测示意图。
[0013]图6为实施例1中各个激光传感器的测量值随时间t (ms)的关系。
[0014]图7为实施例1中某一时刻探测序列点(Xi, Yi)及其拟合后的圆。
[0015]图8为实施例1中所有有效测量数据值拟合所得到的全部直径。
[0016]图9为实施例1中重复测量20次直径所得结果示意图。
[0017]图10为实施例2中激光传感器圆弧垂直安装的车轮直径检测示意图。
[0018]图11为实施例2中各个激光传感器的测量值随时间t (ms)的关系。
[0019]图12为实施例2中某一时刻探测序列点(Xi, Yi)及其拟合后的圆。
[0020]图13为实施例2中所有有效测量数据值拟合所得到的全部直径。
[0021]图14为实施例2中重复测量20次直径所得结果示意图。
[0022]图15为实施例3中激光传感器直线倾斜安装的车轮直径检测示意图。
[0023]图16为实施例3中各个激光传感器的测量值随时间t (ms)的关系。
[0024]图17为实施例3中某一时刻探测序列点(Xi, Yi)及其拟合后的圆。
[0025]图18为实施例3中所有有效测量数据值拟合所得到的全部直径。
[0026]图19为实施例3中重复测量20次直径所得结果示意图。
[0027]图20为实施例4中激光传感器直线垂直安装的车轮直径检测示意图。
[0028]图21为实施例4中各个激光传感器的测量值随时间t (ms)的关系。
[0029]图22为实施例4中某一时刻探测序列点(Xi, Yi)及其拟合后的圆。
[0030]图23为实施例4中所有有效测量数据值拟合所得到的全部直径。
[0031]图24为实施例4中重复测量20次直径所得结果示意图。
[0032]图25为实施例5中激光传感器指定安装的车轮直径检测示意图。
[0033]图26为实施例5中各个激光传感器的测量值随时间t (ms)的关系。
[0034]图27为实施例5中某一时刻探测序列点(Xi, Yi)及其拟合后的圆。
[0035]图28为实施例5中所有有效测量数据值拟合所得到的全部直径。
[0036]图29为实施例5中重复测量20次直径所得结果示意图。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。
[0038]图1中表示出了某车轮运行过后的踏面形状与刚投入运行时踏面形状，可以看出距离轮缘侧面处70mm为磨耗集中处，该处为工程中常用的衡量直径所在位置，而车轮直径往往控制在770?840mm之间，故激光传感器探测点选取为该处的车轮圆周。
[0039]本实用新型基于激光传感器的城轨车辆车轮直径检测装置，包括中央处理单元和多个激光传感器，所述激光传感器均与中央处理单元连接；检测区段的钢轨向外偏移，且该检测区段的钢轨内侧设置护轨，护轨与车轮轮缘内侧相切；激光传感器设置于钢轨偏移所空出的区域与护轨之间，激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均位于车轮下方，所有激光传感器与进行直径测量的车轮圆周共面。
[0040]如图2所示，在检测区段将钢轨6外偏，空出一定区域，将激光传感器探头3安装在车轮I的测量点下方，在轮缘内侧设置护轨5以防止轮对蛇行或轴向窜动造成脱轨，激光传感器探头3通过传感器夹具4固定，并可以调整激光传感器探头3的位置和倾角，各个激光传感器探头3发出的激光光束2能够同时检测到车轮上的对应检测点。
[0041]如图3所示，钢轨向外偏移的切换处为弧形，有利于列车进入和退出探测区。图4说明了钢轨向外偏移的具体尺寸Q，针对车轮踏面和60轨，Q控制在50?65mm之间，使得轨道中心线不超出车轮的外缘。护轨高出轮缘的尺寸P，控制在30?50mm之间。进行直径测量的车轮圆周距离车轮轮缘侧面的距离为70mm。
[0042]由于待测的车轮与轨道长期接触，表面光滑粗糙度低，因此涉及到利用激光扫描测头对镜面反射很强的金属曲面进行轮廓测量，该被测对象是目前形貌测量领域的一个难点。张良等分析了现有的几种激光测头对金属表面的测量能力，得出了锥光偏振全息探头和斜射式三角探头较适合测量金属曲面(张良，费致根，郭俊杰.激光扫描测头对金属曲面测量研究，机床与液压，第39卷第9期:2011年5月)。故本实用新型涉及的激光传感器，优选锥光偏振全息探头和斜射式三角探头，激光传感器的数量为3?10且所有激光传感器的探头通过传感器夹具固定于车轮下方。
[0043]使用上述基于激光传感器的城轨车辆车轮直径检测装置进行车轮直径检测的方法，包括以下步骤:
[0044]第I步，将各激光传感器安装于钢轨偏移所空出的区域，使各个激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均位于车轮下方，所有激光传感器与进行直径测量的车轮圆周共面，激光传感器记为Pi,沿着钢轨方向i依次为1，2，...n，n为激光传感器的个数；
[0045]第2步，在进行直径测量的车轮圆周所在平面上建立二维坐标系:沿钢轨方向为X轴，经过第一个激光传感器P1且垂直于钢轨向上为Y轴，则激光传感器的坐标为(Xi，Yi)，各个激光传感器探头相对于X轴的安装倾角为9 i ；
[0046]第3步，采集所有激光传感器的输出值，并选出同时有n个传感器输出值的有效数据组{Si}，Si为第i个传感器Pi的输出值，i = l,2,...n ；
[0047]第4步，根据传感器Pi的输出值S1、坐标值(Xi，yi)、安装倾角e丨确定车轮上对应传感器Pi的测量点坐标(Xi, Yi):
[0048](Xi, Yi) = (Xi, Yi) + (Si X cos 9。Si X sin 9 J i = I, 2...n
[0049]第5步，根据车轮上n个测量点坐标(Xi, Yi)进行拟合圆，得到该测量位置的车轮直径D ;采用最小二乘法进行拟合圆，公式如下:
【权利要求】
1.一种基于激光传感器的城轨车辆车轮直径检测装置，其特征在于，包括中央处理单元和多个激光传感器，所述激光传感器均与中央处理单元连接；检测区段的钢轨向外偏移，且该检测区段的钢轨内侧设置护轨，护轨与车轮轮缘内侧相切；激光传感器设置于钢轨偏移所空出的区域与护轨之间，激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均位于车轮下方，所有激光传感器与进行直径测量的车轮圆周共面。
2.根据权利要求1所述的基于激光传感器的城轨车辆车轮直径检测装置，其特征在于，所述检测区段钢轨向外偏移50?65mm，且该钢轨向外偏移的切换处为弧形。
3.根据权利要求1所述的基于激光传感器的城轨车辆车轮直径检测装置，其特征在于，所述进行直径测量的车轮圆周距离车轮轮缘侧面的距离为70mm。
4.根据权利要求1所述的基于激光传感器的城轨车辆车轮直径检测装置，其特征在于，所述激光传感器的数量为为n且3 < n < 10。
5.根据权利要求1所述的基于激光传感器的城轨车辆车轮直径检测装置，其特征在于，所述激光传感器的探头为锥光偏振全息探头或斜射式三角探头，且所有激光传感器的探头通过传感器夹具固定于车轮下方。
【文档编号】B61K9/12GK203605916SQ201320708850
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】邢宗义, 张永, 陈岳剑 申请人:南京理工大学