本发明属于列车车轮检测技术领域，更具体地说，涉及一种列车车轮几何参数在线动态测量的装置和方法。
背景技术
列车车轮是轨道交通列车最重要的走行部件之一，它承载了列车所有的动、静载荷。但在列车运行过程中，由于车轮与轨道之间长期摩擦，会对车轮造成不同程度的磨损，如直径磨耗、轮缘偏磨等。直径磨耗会导致同车或同架或同对轮径差超限，以及轮缘高增大，轮缘偏磨会导致轮缘厚度减小和轮缘综合值减小，这些情况的发生都会对行车安全造成很大的威胁。因此，及时、快速、准确地测量列车车轮的直径(d)、轮缘高(sh)、轮缘厚(sd)、轮缘综合值(qr)等几何参数，对于保障列车行车安全具有重大的意义。
现有检测车轮几何参数的手段主要有工人测量和静态测量。人工测量主要是利用第四种检测器和轮径尺对车轮几何参数进行粗略测量，测量优点是设备投入低，缺点是精度低、人力投入大、测量周期长。静态测量是采用镟床等专用设备进行车轮几何参数测量的一种手段，测量优点是精度高，缺点是设备投入大、成本高，需要耗费大量的人力和物力，而且测量周期长，影响列车正常使用。
由于人工测量和静态测量有种种局限性，现在越来越多的人在研究在线动态测量方法。如，申请号200610155282.8公开了一种车辆轮对直径在线检测方法及装置，该申请案利用结构光光源在轮对踏面上的投影信息和位移传感器检测到的基点位置的信息来检测车轮平均直径参数和左右车轮轮径差参数，但该方法存在受外界光影响大、响应速度慢、测量精度低等缺点。申请号201410519742.5公开了一种城轨列车轮对尺寸在线检测方法及装置，该申请案基于二维激光位移传感器技术测得不同时刻踏面轮廓线的轮缘最低点坐标，在速度已知的情况下，将不同时刻的点还原到同一时刻下的坐标值，利用三点成圆的原理拟合出车轮轮缘顶点所在的圆，再用轮缘顶点圆直径减去两倍的轮缘高得到车轮直径。该方法由于把速度当作已知，在将不同时刻轮缘最低点的值还原到同一时刻下的坐标值的过程中，由于速度的偏差，造成还原后的坐标值失真，最终导致拟合后的轮缘顶点圆直径有较大的偏差。
技术实现要素：
1.发明要解决的技术问题
本发明目的在于克服现有列车车轮几何参数在线测量存在的不足，提供了一种列车车轮几何参数在线动态测量的装置和方法。采用本发明的技术方案对列车车轮的几何参数进行在线动态测量时，可以有效提高测量结果的准确性，且测量速度快，测量范围大。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种列车车轮几何参数在线动态测量的装置，包括在轨道内侧沿列车行驶方向依次设置的测速传感器、启动开关、第一激光位移传感器、第二激光位移传感器和停止开关，其中第一激光位移传感器的探测光束垂直于轨道顶面，第二激光位移传感器的探测光束与轨道顶面之间存在倾斜夹角。
更进一步的，所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器的探测光束所在平面均垂直于车轮内辋面。
更进一步的，所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器均采用二维激光位移传感器。
更进一步的，所述第二激光位移传感器的探测光束与轨道顶面之间的夹角为30°≤α≤80°。
更进一步的，所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器的采样频率相同。
更进一步的，所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器安装于同一位移传感器支架上。
本发明的一种列车车轮几何参数在线动态测量的方法，采用本发明的装置进行测量，当待测列车车轮经过启动开关时，启动开关被触发，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器同时探测车轮进行数据采集，当车轮经过停止开关时，停止开关被触发，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器同时停止探测和数据采集；第一激光位移传感器和第二激光位移传感器采集的数据传输至数据处理系统进行处理，即得列车车轮几何参数，数据处理的具体步骤如下：
(1)寻找第一激光位移传感器所测轮廓线的特征点：具体为寻找每条轮廓线中的轮缘顶点，即距离最小的点，得到数据组{aa}(a＝1，2，3，……，n；n为第一激光位移传感器所测有效轮廓线条数；aa为第一激光位移传感器所测距离值)；
(2)以a为横坐标，aa为纵坐标建立坐标组{(a，aa)}，对坐标组中的数据进行圆弧拟合，得到拟合后的坐标组{(b，bb)}(b＝1,2,3,……)；
(3)在拟合后的坐标组{(b，bb)}中找到最小值bmin，以及最小值bmin所对应的横坐标j，如果j不是整数，则取不小于j的最小整数j`；
(4)找到第二激光位移传感器所测数据中与j`对应的那条轮廓线，并找到该轮廓线中的轮缘顶点，记录轮缘顶点的最小值cmin；
(5)计算轮缘顶点圆直径d，计算公式为：
式中：d为车轮轮缘顶点圆直径，mm；v为列车行驶速度，mm/ms，由测速传感器测量得到；k为激光采样频率，khz；l为第一激光位移传感器与第二激光位移传感器的感应头沿平行于轨道顶面方向之间的距离，h为第二激光位移传感器与第一激光位移传感器的感测头沿垂直于轨道顶面方向的高度差；α为第二激光位移传感器的探测光束与轨道顶面之间的夹角；
(6)计算第二激光位移传感器所测轮廓线中经过车轮法线或离法线最近的那一条轮廓线，计算公式为：
式中：j``为第二激光位移传感器所测轮廓线中通过车轮法线或离法线最近轮廓线所处的条数(已四舍五入取整)，r为轮缘顶点圆半径，mm；
(7)截取第一激光位移传感器从车轮内辋面至轮缘顶点段的距离，并与第一激光位移传感器自身x轴坐标结合，构成坐标组{(xd，bd)}；截取第二激光位移传感器从轮缘顶点至车轮外辋面段的距离，并与第二激光位移传感器自身的x轴坐标结合，构成坐标组{(xe，ce)}；再将截取的坐标组以轮缘顶点为特征点进行拼接，拼接时去除一个重复的轮缘顶点坐标，并将x坐标进行整合，以车轮内辋面为横坐标零点向车轮外辋面为x轴；将距离坐标进行整合，使车轮轮缘顶点处的距离值相等，得到从车轮内辋面至外辋面不同位置的距离坐标组{(xf，zf)}；
(8)在坐标组{(xf，df)}中找到xf＝d或最接近d所对应的距离值zt，以及轮缘顶点处的距离值z，则轮缘高为sh＝zt-z，车轮踏面直径为dt＝d-2sh；其中d为车轮直径测量基点与车轮内辋面之间的距离。
更进一步的，在坐标组{(xf，zf)}中找到距离值为zd＝zt-dh或距离上述数值最近的值所对应的轮缘外侧的横坐标值xd，则轮缘厚为sd＝xd，其中dh为轮缘厚测量基点与踏面直径测量基点之间的高度差；在坐标组{(xf，zf)}中找到距离值为zq＝z-dr或距离该值最近的值所对应的轮缘外侧的横坐标值xq，则轮缘综合值为qr＝xd-xq，其中dr为轮缘综合值测量基点与轮缘顶点之间的高度差。
更进一步的，车轮直径测量基点与车轮内辋面之间的距离d取70，轮缘厚测量基点与踏面直径测量基点之间的高度差dh取10或12，轮缘综合值测量基点与轮缘顶点之间的高度差dr取2。
更进一步的，当第二激光位移传感器的探测头高于第一激光位移传感器的探测头时，步骤中的h取正值；当第二激光位移传感器的探测头低于第一激光位移传感器的探测头时，步骤中的h取负值；步骤(4)中cmin的确定方法同bmin。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种列车车轮几何参数在线动态测量的装置，包括沿列车行驶方向依次安装于轨道内侧的测速传感器、启动开关、第一激光位移传感器、第二激光位移传感器和停止开关，当列车经过启动开关时，触发启动开关，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器同时对列车车轮进行数据采集，对采集得到的数据进行处理即可以获得列车车轮的车轮踏面直径、车轮轮缘高、轮缘厚和轮缘综合值等几何参数，且对车轮几何参数的测量精度较高。
(2)本发明的一种列车车轮几何参数在线动态测量的装置，仅采用两个激光位移传感器和一个测速传感器即可测量得到列车车轮的所有几何参数，测量装置结构和安装简单，成本低、易于实现，推广应用价值较高。此外，采用本发明的装置可以实现列车车轮几何参数的非接触法测量，从而避免了对车轮的磨损。
(3)本发明的一种列车车轮几何参数在线动态测量的方法，采用本发明的测量装置，通过第一激光位移传感器和第二激光位移传感器同时对列车车轮进行探测和数据采集，然后直接对采集得到的数据进行处理即可获得车轮几何参数，其测量精度相对较高，从而有利于保证列车的行车安全。
(4)本发明的一种列车车轮几何参数在线动态测量的方法，采用测速传感器对列车的行车速度进行实时测量，并将测得的速度作为已知量，对第一激光位移传感器连续两次采集未能恰好采集到车轮轮缘最低点进行补偿，从而大大提高了测量精度。采用本发明的方法可实现列车的在线动态测量，大大提高了测量效率，同时有利于节省人力和物力。
附图说明
图1为本发明的测量装置的结构示意图；
图2为本发明的车轮的结构示意图；
附图中的标号说明：1-1、第一激光位移传感器；1-2、第二激光位移传感器；2、测速传感器；3、启动开关；4、停止开关；5、位移传感器支架；6、轨道；7、车轮。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，现结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种列车车轮几何参数在线动态测量的装置，包括在轨道6内侧沿列车行驶方向依次设置的测速传感器2、启动开关3、第一激光位移传感器1-1、第二激光位移传感器1-2和停止开关4，其中第一激光位移传感器1-1的探测光束垂直于轨道6顶面，第二激光位移传感器1-2的探测光束与轨道6顶面之间存在倾斜夹角，且第一激光位移传感器1-1和第二激光位移传感器1-2的探测光束所在平面均垂直于车轮7内辋面。本实施例中第一激光位移传感器1-1和第二激光位移传感器1-2均采用二维激光位移传感器，第二激光位移传感器1-2的探测光束与轨道6顶面之间的夹角可根据情况设置为30°≤α≤80°，且第一激光位移传感器1-1和第二激光位移传感器1-2的采样频率相同，测速传感器2、启动开关3、第一激光位移传感器1-1、第二激光位移传感器1-2及停止开关4均与控制系统相连，且第一激光位移传感器1-1及第二激光位移传感器1-2均与数据处理系统相连。
结合图1、图2，本实施例的一种列车车轮几何参数在线动态测量的方法，采用本实施例的装置进行测量，当待测列车车轮7经过启动开关3时，启动开关3被触发，第一激光位移传感器1-1和第二激光位移传感器1-2同时探测车轮进行数据采集，当车轮经过停止开关4时，停止开关4被触发，第一激光位移传感器1-1和第二激光位移传感器1-2同时停止探测和数据采集；第一激光位移传感器1-1和第二激光位移传感器1-2采集的数据传输至数据处理系统进行处理，即得列车车轮几何参数，数据处理的具体步骤如下：
(1)寻找第一激光位移传感器1-1所测轮廓线的特征点：具体为寻找每条轮廓线中的轮缘顶点，即距离最小的点，得到数据组{aa}(a＝1，2，3，……，n；n为第一激光位移传感器1-1所测有效轮廓线条数；aa为第一激光位移传感器1-1所测距离值)；
(2)以a为横坐标，aa为纵坐标建立坐标组{(a，aa)}，对坐标组中的数据进行圆弧拟合，得到拟合后的坐标组{(b，bb)}(b＝1,2,3,……)；
(3)在拟合后的坐标组{(b，bb)}中找到最小值bmin，以及最小值bmin所对应的横坐标j，如果j不是整数，则取不小于j的最小整数j`；由于本实施例中对第一激光位移传感器连续两次采集未能恰好采集到车轮轮缘最低点进行补偿，从而大大提高了测量精度。
(4)找到第二激光位移传感器1-2所测数据中与j`对应的那条轮廓线，并找到该轮廓线中的轮缘顶点，记录轮缘顶点的最小值cmin，cmin的确定方法同bmin；
(5)计算轮缘顶点圆直径d，计算公式为：
式中：d为车轮轮缘顶点圆直径，mm；v为列车行驶速度，mm/ms，由测速传感器2测量得到；k为激光采样频率，khz；l为第一激光位移传感器1-1与第二激光位移传感器1-2的感应头沿平行于轨道顶面方向之间的距离，h为第二激光位移传感器1-2与第一激光位移传感器1-1的感测头沿垂直于轨道顶面方向的高度差，当第二激光位移传感器1-2的探测头高于第一激光位移传感器1-1的探测头时，步骤5中的h取正值；当第二激光位移传感器1-2的探测头低于第一激光位移传感器1-1的探测头时，步骤5中的h取负值；α为第二激光位移传感器1-2的探测光束与轨道6顶面之间的夹角；
(6)计算第二激光位移传感器1-2所测轮廓线中经过车轮法线或离法线最近的那一条轮廓线，计算公式为：
式中：j``为第二激光位移传感器1-2所测轮廓线中通过车轮法线或离法线最近轮廓线所处的条数(已四舍五入取整)，r为轮缘顶点圆半径，mm；
(7)截取第一激光位移传感器1-1从车轮内辋面至轮缘顶点段的距离，并与第一激光位移传感器1-1自身x轴坐标结合，构成坐标组{(xd，bd)}；截取第二激光位移传感器1-2从轮缘顶点至车轮外辋面段的距离，并与第二激光位移传感器1-2自身的x轴坐标结合，构成坐标组{(xe，ce)}；再将截取的坐标组以轮缘顶点为特征点进行拼接，拼接时去除一个重复的轮缘顶点坐标，并将x坐标进行整合，以车轮内辋面为横坐标零点向车轮外辋面为x轴；将距离坐标进行整合，使车轮轮缘顶点处的距离值相等，得到从车轮内辋面至外辋面不同位置的距离坐标组{(xf，zf)}；
(8)在坐标组{(xf，df)}中找到xf＝d或最接近d所对应的距离值zt，以及轮缘顶点处的距离值z，则轮缘高为sh＝zt-z，车轮踏面直径为dt＝d-2sh；其中d为车轮直径测量基点与车轮内辋面之间的距离(结合图2所示)。
在坐标组{(xf，zf)}中找到距离值为zd＝zt-dh或距离上述数值最近的值所对应的轮缘外侧的横坐标值xd，则轮缘厚为sd＝xd，其中dh为轮缘厚测量基点与踏面直径测量基点之间的高度差；在坐标组{(xf，zf)}中找到距离值为zq＝z-dr或距离该值最近的值所对应的轮缘外侧的横坐标值xq，则轮缘综合值为qr＝xd-xq，其中dr为轮缘综合值测量基点与轮缘顶点之间的高度差。
实施例2
采用实施例1的一种列车车轮几何参数在线动态测量的装置，其测量方法同实施例1，具体的，本实施例中车轮直径测量基点与车轮内辋面之间的距离d取70mm。
实施例3
采用实施例1的一种列车车轮几何参数在线动态测量的装置，其测量方法同实施例1，具体的，本实施例中轮缘厚测量基点与踏面直径测量基点之间的高度差dh取10或12mm。
实施例4
采用实施例1的一种列车车轮几何参数在线动态测量的装置，其测量方法同实施例1，具体的，本实施例中轮缘综合值测量基点与轮缘顶点之间的高度差dr取2mm。
实施例5
本实施例的一种列车车轮几何参数在线动态测量的装置，其结构基本同实施例1，其区别主要在于：本实施例中第一激光位移传感器1-1和第二激光位移传感器1-2安装于同一位移传感器支架5上。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。