传感器直线垂直安装的城轨车辆车轮直径检测装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种传感器直线垂直安装的城轨车辆车轮直径检测装置及方法。该装置包括中央处理单元和与其连接的多个激光传感器；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；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布在长度固定的水平线上，各激光传感器的探测光束垂直钢轨向上，所有激光传感器位于车轮下方并且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，将其按照直线垂直关系安装在车轮下方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，对初始直径求均值得到车轮直径。本发明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】传感器直线垂直安装的城轨车辆车轮直径检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及铁路车轮检测领域，特别是一种传感器直线垂直安装的城轨车辆车轮直径检测装置及方法。
【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。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种高精度的传感器直线垂直安装的城轨车辆车轮直径检测装置及方法，采用非接触式测量，检测速度快、测量范围大。
[0006]实现本发明目的的技术解决方案为:
[0007]一种传感器直线垂直安装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布在长度固定的水平线上，各激光传感器的探测光束垂直钢轨向上，所有激光传感器与进行直径测量的车轮圆周共面。
[0008]一种传感器直线垂直安装的城轨车辆车轮直径检测方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0009]第I步，将各激光传感器安装于钢轨偏移所空出的区域，激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均布在长度为L的水平线上，各激光传感器的探测光束垂直钢轨向上，各个激光传感器分别记为Pi,沿着钢轨方向i依次为1，2，...η，η为激光传感器的个数；
[0010]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，则各个激光传感器探头相对于X轴的安装倾角Qi均为90°，激光传感器的坐标(Xi，yi)由下式确定:
【权利要求】
1.一种传感器直线垂直安装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布在长度固定的水平线上，各激光传感器的探测光束垂直钢轨向上，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所述的传感器直线垂直安装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所述的传感器直线垂直安装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所述的传感器直线垂直安装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η且3 < η < 10，激光传感器安装水平线长度为L且ηX 30mm ^ L ^ D, D为车轮直径，沿钢轨方向第一个激光传感器的安装点至轨道的垂直距离为 Iy1I 且 Iy1I ≥ 100mm。
5.根据权利要求1所述的传感器直线垂直安装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。
6.一种传感器直线垂直安装的城轨车辆车轮直径检测方法，其特征在于，包括以下步骤: 第I步，将各激光传感器安装于钢轨偏移所空出的区域，激光传感器的探头沿钢轨方向排列且均布在长度为L的水平线上，各激光传感器的探测光束垂直钢轨向上，各个激光传感器分别记为Pi,沿着钢轨方向i依次为1，2，...η，η为激光传感器的个数； 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，则各个激光传感器探头相对于X轴的安装倾角Qi均为90°，激光传感器的坐标(Xi，yi)由下式确定:
Ixl = (/ - I) X L /(// — I)
< / = 1,2 …
[V/ = 第3步，采集所有激光传感器的输出值，并选出同时有η个传感器输出值的有效数据组{SJ，Si为第i个传感器Pi的输出值，i = 1，2，...η ; 第4步，根据传感器Pi的输出值Sp坐标值(Xi，Yi)、安装倾角Θ i确定车轮上对应传感器Pi的测量点坐标(Ui):
(Xi, Yi) = (Xi, Y1) + (Si X COS Θ J, SiX sin Θ i) i = I, 2…η 第5步，根据车轮上η个测量点坐标(XpYi)进行拟合圆，得到该测量位置的车轮直径D ； 第6步，将采集到的多个有效数据组进行拟合得到一系列车轮直径，将得到的一系列车轮直径求平均值，得到该测量位置最终的车轮直径Dfinal。
7.根据权利要求6所述的传感器直线垂直安装的城轨车辆车轮直径检测方法，其特征在于，第5步所述根据车轮上η个测量点坐标(XpYi)进行拟合圆，采用最小二乘法，公式如下:
【文档编号】G01B11/08GK103587551SQ201310558085
【公开日】2014年2月19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, 王晓浩 申请人:南京理工大学