本发明属于列车车轮参数测量技术领域，更具体地说，涉及一种用于在线动态测量列车车轮几何参数的装置及方法。
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(dt)、轮缘高(sh)、轮缘厚(sd)、轮缘综合值(qr)等几何参数，对于保障列车的行车安全具有重大的意义。
现有车轮几何参数的检测手段主要包括人工测量和静态测量。其中，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，其缺点是设备投入大、成本高，需要耗费大量的人力和物力，而且测量周期较长，从而影响列车的正常使用。
由于人工测量和静态测量存在的种种局限性，现在越来越多的人集中于在线动态测量方法的研究。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，该方法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
本发明的目的在于克服现有列车车轮几何参数测量存在的以上问题，提供了一种用于在线动态测量列车车轮几何参数的装置及方法。采用本发明的装置和方法可以对列车车轮几何参数进行在线动态测量，且其测量精度较高、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：
本发明的一种用于在线动态测量列车车轮几何参数的装置，包括沿列车行驶方向依次设置于轨道内侧的测速传感器、启动开关、激光位移传感器i、激光位移传感器ii和停止开关，其中激光位移传感器i和激光位移传感器ii的探测光束均垂直于车轮内辋面，且激光位移传感器i的探测光束与轨道顶面之间存在倾斜夹角α，激光位移传感器ii的探测光束垂直于轨道顶面向上。
更进一步的，所述激光位移传感器i和激光位移传感器ii安装于同一支架上，且支架的上平面与轨道顶面平行并与车轮轮缘接触，并随车轮滚压进行上下活动。
更进一步的，所述轨道内侧位于启动开关和激光位移传感器i之间设有电涡流位移传感器i和电涡流位移传感器ii，且电涡流位移传感器i和电涡流位移传感器ii中心的连线与轨道顶面平行。
更进一步的，两个电涡流位移传感器的采样频率为k1，两个激光位移传感器的采样频率为k2，且k1≥k2。
更进一步的，所述测速传感器、启动开关、两个激光位移传感器、两个电涡流位移传感器及停止开关均与控制系统相连。
更进一步的，两个激光位移传感器及两个电涡流位移传感器均与数据处理系统相连。
本发明的一种用于在线动态测量列车车轮几何参数的方法，当列车车轮经过启动开关时，启动开关被触发，两个电涡流位移传感器及两个激光位移传感器同时进行数据采集，当停止开关被触发时，电涡流位移传感器及激光位移传感器均停止采集，电涡流位移传感器及激光位移传感器采集到的数据传送至数据处理系统进行处理，即得列车车轮几何参数，具体处理过程如下：
步骤1：找到两个电涡流位移传感器所测位移相等时激光位移传感器i对应测得的轮廓线条数c`，若计算结果不是整数，则c`进行四舍五入取整，计算方法为：
其中，c为两个电涡流位移传感器所测位移值相等时电涡流位移传感器所采集的数据数量，k1为电涡流位移传感器的采样频率，单位khz；k2为激光位移传感器的采样频率，单位khz；
步骤2：计算轮缘顶点圆直径，计算方法为：
式中：l1为两个电涡流位移传感器的中心距，单位为mm，l2为激光位移传感器i的感测头沿平行于轨道顶面方向至电涡流位移传感器ii中心的距离，单位mm；v为列车车轮行驶速度，单位mm/ms，通过测速传感器测量得到；d为激光位移传感器i所测第c`条轮廓线上轮缘顶点处的距离值(所测轮廓线中各点的最小距离值)，单位mm，h1为激光位移传感器i的感测头至安装支架上平面沿垂直于轨道顶面方向的距离，单位mm；
步骤3：计算激光位移传感器i所测轮廓线中经过车轮法线或最接近车轮法线的轮廓线所在条数，计算方法为：
式中：c为两电涡流位移传感器所测位移值相等时电涡流位移传感器所采集的数据数量；r为车轮轮缘顶点圆半径，单位mm；v为列车行驶速度，单位mm/ms；k1为电涡流传位移传感器采样频率，单位khz；k2为激光位移传感器采样频率，单位khz；若计算结果c”不是整数，则取最接近c”的整数值，即取最接近计算结果的轮廓线；
步骤4：计算激光位移传感器i所测第c``条轮廓线上各点距离值所对应的直径值di，计算方法为：
di＝d-2(zi-z)(i＝1,2,3,……)
式中：zi为激光位移传感器i所测第c``第轮廓上各点的距离值，单位mm；z为激光位移传感器i所测第c``条轮廓上轮缘顶点的距离值，单位mm；
步骤5：找到激光位移传感器ii所测轮廓线中与激光位移传感器i所测第c``条轮廓线相对应的轮廓线，并将该轮廓线上各点处的距离值转化为直径值，计算方法为：
式中：r为轮缘顶点圆半径，单位mm；d`为选取的激光位移传感器ii所测轮廓线上轮缘顶点处的距离值，单位mm；di为选取的激光位移传感器ii所测轮廓线上其他各点处的距离值，单位mm；h2为激光位移传感器ii的感测头至安装支架上平面沿垂直于轨道顶面方向的距离，单位：mm；l3为激光位移传感器ii的感测头至激光位移传感器i的感测头沿平行于轨道顶面的距离，单位：mm；
步骤6：截取激光位移传感器i所测第c``条轮廓线中车轮内辋面至轮缘顶点之间的直径，并与激光位移传感器i自身x轴坐标结合，构成坐标组{(xd，dd)}；截取所选取的激光位移传感器ii所测轮廓线中轮缘顶点至车轮外辋面之间的直径，并与激光位移传感器ii自身的x轴坐标结合，构成坐标组{(xe，de)}；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，得到从车轮内辋面至外辋面不同位置的直径坐标组{(xf，df)}；
步骤7：在坐标组{(xf，df)}中找到xf＝d或离d最接近的横坐标所对应的直径，即得车轮踏面直径dt，其中d为车轮直径测量基点与车轮内辋面之间的距离，车轮轮缘高为
更进一步的，在坐标组{(xf，df)}中找到与轮缘厚测量基点所对应的轮缘外侧的横坐标xh，车轮内辋面所对应的横坐标记为x1，则轮缘厚为sd＝xh-x1；在坐标组{(xf，df)}中找到与轮缘综合值测量基点所对应的轮缘外侧的横坐标xq，则轮缘综合值为qr＝xh-xq。
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70mm，轮缘厚测量基点对应的直径dh＝dt+20或dh＝dt+24，轮缘综合值测量基点对应的轮缘外侧直径dq＝d-4。
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)本发明的一种用于在线动态测量列车车轮几何参数的装置，通过在轨道内侧安装测速传感器、启动开关、两个电涡流位移传感器、两个激光位移传感器和停止开关，激光位移传感器i的探测光束与轨道顶面之间存在倾斜夹角α，激光位移传感器ii的探测光束垂直于轨道顶面向上，采用本发明的装置可以对列车车轮几何参数进行在线动态测量，有效提高了测量效率，不会影响列车的正常行驶，且其测量精度较高，误差小。
(2)本发明的一种用于在线动态测量列车车轮几何参数的装置，仅通过两个激光位移传感器和两个电涡流位移传感器即可以测量得到列车车轮的各几何参数，整体装置结构和安装简单，成本低，且易于实现。
(3)本发明的一种用于在线动态测量列车车轮几何参数的方法，在列车行驶过程中通过两个电涡流位移传感器和两个激光位移传感器同时对车轮进行探测和数据采集，并对电涡流位移传感器和激光位移传感器的安装位置及探测方向进行设计，从而可以对列车车轮几何参数进行在线动态测量，相对于现有测量方法有效提高了测量精度和测量效率。
(4)本发明的一种用于在线动态测量列车车轮几何参数的方法，充分利用电涡流采样频率高的优点，将速度作为已知量对激光位移传感器的计算参数进行补偿，从而进一步提高了测量精度。
附图说明
图1为本发明的一种用于在线动态测量列车车轮几何参数的装置的结构示意图；
图2为本发明的待测车轮的结构示意图。
示意图中的标号说明：
1、测速传感器；2、启动开关；3、电涡流位移传感器i；4、电涡流位移传感器ii；5、激光位移传感器i；6、激光位移传感器ii；7、支架；8、停止开关；9、轨道；10、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，本实施例的一种用于在线动态测量列车车轮几何参数的装置，包括沿列车行驶方向依次设置于轨道9内侧的测速传感器1、启动开关2、电涡流位移传感器i3、电涡流位移传感器ii4、激光位移传感器i5、激光位移传感器ii6和停止开关8，其中电涡流位移传感器i3和电涡流位移传感器ii4中心的连线与轨道顶面平行，激光位移传感器i5和激光位移传感器ii6的探测光束均垂直于车轮10内辋面，且激光位移传感器i5的探测光束与轨道顶面之间存在倾斜夹角α，激光位移传感器ii6的探测光束垂直于轨道顶面向上。上述激光位移传感器和电涡流位移传感器均安装于同一支架7上，该支架7的上平面与轨道顶面平行并与车轮10轮缘接触，且随车轮滚压进行上下活动，即本实施例中支架7只要满足可以随车轮轮缘压上和离开该支架时进行上下随动即可，即当车轮压上支架7时支架下移，而当车轮轮缘离开时支架7则可以向上移动进行自动复位。具体的，本实施例中支架7通过弹性元件，例如弹簧固定安装在轨道内侧，当列车离开活动支架时，在弹性元件弹力的作用下支架向上移动进行复位。本实施例中所述测速传感器1、启动开关2、两个激光位移传感器、两个电涡流位移传感器及停止开关8均与控制系统相连，两个激光位移传感器及两个电涡流位移传感器均与数据处理系统相连。所述两个电涡流位移传感器的采样频率为k1，两个激光位移传感器的采样频率为k2，且k1≥k2。
采用本实施例的装置对列车车轮几何参数进行测量，结合图1、图2，当列车车轮经过启动开关2时，启动开关2被触发，两个电涡流位移传感器及两个激光位移传感器同时进行数据采集，当停止开关8被触发时，电涡流位移传感器及激光位移传感器均停止采集，电涡流位移传感器及激光位移传感器采集到的数据传送至数据处理系统进行处理，即得列车车轮几何参数，具体处理过程如下：
步骤1：找到两个电涡流位移传感器所测位移相等时激光位移传感器i5对应测得的轮廓线条数c`，若计算结果不是整数，则c`进行四舍五入取整数，计算方法为：
其中，c为两个电涡流位移传感器所测位移值相等时电涡流位移传感器所采集的数据数量，k1为电涡流位移传感器的采样频率，单位khz；k2为激光位移传感器的采样频率，单位khz；
步骤2：计算轮缘顶点圆直径，计算方法为：
式中：l1为两个电涡流位移传感器的中心距，单位为mm，l2为激光位移传感器i5的感测头沿平行于轨道顶面方向至电涡流位移传感器ii4中心的距离，，单位mm；v为列车车轮行驶速度，单位mm/ms，通过测速传感器1测量得到；d为激光位移传感器i5所测第c`条轮廓线上轮缘顶点处的距离值，单位mm，h1为激光位移传感器i5的感测头至安装支架7上平面沿垂直于轨道顶面方向的距离，单位mm；
步骤3：计算激光位移传感器i5所测轮廓线中经过车轮法线或最接近车轮法线的轮廓线所在条数，计算方法为：
式中：c为两电涡流位移传感器所测位移值相等时电涡流位移传感器所采集的数据数量；r为车轮轮缘顶点圆半径，单位mm；v为列车行驶速度，单位mm/ms；k1为电涡流传位移传感器采样频率，单位khz；k2为激光位移传感器采样频率，单位khz；若计算结果c”不是整数，则取最接近c”的整数值，即取最接近计算结果的轮廓线；
步骤4：计算激光位移传感器i5所测第c``条轮廓线上各点距离值所对应的直径值di，计算方法为：
di＝d-2(zi-z)(i＝1,2,3,……)
式中：zi为激光位移传感器i5所测第c``条轮廓上各点的距离值，单位mm；z为激光位移传感器i5所测第c``第轮廓上轮缘顶点的距离值，单位mm；
步骤5：找到激光位移传感器ii6所测轮廓线中与激光位移传感器i5所测第c``条轮廓线相对应的轮廓线，并将该轮廓线上各点处的距离值转化为直径值，计算方法为：
式中：r为轮缘顶点圆半径，单位mm；d`为选取的激光位移传感器ii6所测轮廓线上轮缘顶点处的距离值，单位mm；di为选取的激光位移传感器ii6所测轮廓线上其他各点处的距离值，单位mm；h2为激光位移传感器ii6的感测头至安装支架7上平面沿垂直于轨道顶面方向的距离，单位：mm；l3为激光位移传感器ii6的感测头至激光位移传感器i5的感测头沿平行于轨道顶面的距离，单位：mm；
步骤6：截取激光位移传感器i5所测第c``条轮廓线中车轮内辋面至轮缘顶点之间的直径，并与激光位移传感器i5自身x轴坐标结合，构成坐标组{(xd，dd)}；截取所选取的激光位移传感器ii(6)所测轮廓线中轮缘顶点至车轮外辋面之间的直径，并与激光位移传感器ii(6)自身的x轴坐标结合，构成坐标组{(xe，de)}；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，得到从车轮内辋面至外辋面不同位置的直径坐标组{(xf，df)}；
步骤7：在坐标组{(xf，df)}中找到xf＝d或离d最接近的横坐标所对应的直径，即得车轮踏面直径dt，其中d为车轮直径测量基点与车轮内辋面之间的距离，车轮轮缘高为
步骤8：在坐标组{(xf，df)}中找到与轮缘厚测量基点所对应的轮缘外侧的横坐标xh，车轮内辋面所对应的横坐标记为x1，则轮缘厚为sd＝xh-x1；在坐标组{(xf，df)}中找到与轮缘综合值测量基点所对应的轮缘外侧的横坐标xq，则轮缘综合值为qr＝xh-xq。
针对现有列车车轮几何参数测量存在的测量精度低以及测量效率慢的不足，本申请的发明人通过大量试验研究，最终仅通过两个两电涡流位移传感器及两个激光位移传感器即可实现列车车轮几何参数的在线实时测量，测量效率较高，并有效提高了车轮几何参数测量的精度，进而有利于保证列车的正常和安全行驶。
实施例2
本实施例中的测量装置结构及测量方法同实施例1，其区别主要在于：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
本实施例中的测量装置结构及测量方法同实施例1，其区别主要在于：本实施例中轮缘厚测量基点对应的直径dh＝dt+20。
实施例4
本实施例中的测量装置结构及测量方法同实施例1，其区别主要在于：本实施例中轮缘厚测量基点对应的直径dh＝dt+24。
实施例5
本实施例中的测量装置结构及测量方法同实施例1，其区别主要在于：本实施例中轮缘综合值测量基点对应的轮缘外侧直径dq＝d-4。
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。