基于二维激光位置检测技术检测车轮外形尺寸的装置的制作方法

本实用新型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检测车轮外形尺寸的装置。

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。

技术实现要素：

本实用新型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检测车轮外形尺寸的装置，能精准测量车轮轮缘的顶点圆半径和圆心位置。

本实用新型采取的技术方案是，基于二维激光位置检测技术检测车轮外形尺寸的装置，适用于在两条轨道上运行的车轮，所述装置包括：

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且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。

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，因此，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。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，任取其中三个交点坐标，且交点落在顶点圆轮廓上，通过计算可以得到顶点圆的半径和圆心坐标，即圆心位置。

此外，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，在两条轨道之间设有若干个轨枕，两个所述发射器的两个对称点构成设备中心线，设备中心线位于两个相邻的轨枕之间，且与两个相邻的轨枕中心线的间距为 30mm～80mm；优选地，间距为30mm或30mm或50mm或60mm或70mm或80mm。

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，所述基础平台由轨道外侧的混凝土基础件和钢梁构成，所述钢梁与轨道连接，使基础平台与轨道保持一个整体，避免其滑动。

进一步地，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带来的震动，提高检测的精度。

进一步地，所述轨道底部设有位移传感器。

进一步地，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。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高度位置，减小测量系统数据的整体偏移，降低发生误报的几率。

与现有技术相比，本实用新型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为本实用新型装置的主视图。

图2为图1的俯视图。

图3为本实用新型中线激光的发射点位置关系图。

图4为本实用新型中线激光在轮缘上的交点位置关系图。

图5为本实用新型中轮缘半径计算示意图。

图6为本实用新型中踏面磨损前后车轮位置变化图。

图7为本实用新型中修正前后的位置对比图。

具体实施方式

本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。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。

实施例

如图1和图2所示，一种基于二维激光位置检测技术检测车轮外形尺寸的装置，适用于在两条轨道11上运行的车轮5，所述装置包括：

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；

8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4个。

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。

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。

所述接收器3在两条所述轨道11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。

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。

所述轨道11底部设有位移传感器；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。

结合图3可知，所述线激光4以角度α斜向下发射到接收器3，当车轮沿着轨道前进时，切割线激光4，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3时，可将接收器3的接收面设置的低于轨道11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。

此外，所述动态检测装置还包括，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)。

如图3和图4所示，以两个轨道11之间的轨枕12方向为X轴、车轮5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。每个所述发射器2上设置 4个发射口，从两条轨道11的外侧向两条轨道11之间发射4条线激光4，4个接收器3分别对应接收4条线激光；所述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。具体地，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。

如图4所示，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。

如图5所示，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6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7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dRhi到轮缘交点Pi处垂直位置变化量dWhi的转换关系，根据转换关系将dRhi转换成 dWhi。

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dWhi＝k·dRhi，其中，

以上实施例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，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型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，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。