一种车轮冲角测量系统装置及方法与流程

本发明利用激光测距传感器实现机车在行驶过程中车轮冲角的连续测量。通过测量的冲角值，监控机车运行的安全性。

背景技术：

近年来，随着社会经济的快速发展，整体工业结构的不断升级，地区与地区之间快速的人口流动，货物的运输量也日益增多，原有的交通输送能力已经难以满足不断提高的交通运输量。为了解决日益紧张的供需矛盾，国家采取了多种手段来扩大国内国际的交通运输量。其中铁路作为目前世界公认的单位运力最大的交通手段，也积极采取了多种应对方式——多次进行列车大提速，并大力发展以高速铁路为代表的快速运营手段。

高速列车运行稳定性、安全性和防止脱轨，成为了高铁列车研制的关键性问题。其中对于车辆运行的稳定性也就成为了重点研究方向。在列车的安全性研究中,机车行驶过程中车轮的冲角测量是一个非常重要的研究方向。冲角是机车在运动过程中横向作用力的结果，反映出车轮的磨损状态。冲角值的大小不仅反应出机车行驶过程中的稳定性，也是间接的判断机车行驶过程中出现脱轨和判断车轮磨损的重要参考值。冲角值越大，反映出车轮磨损的情况越严重，同时机车发生脱轨或其他安全事故可能性越大，冲角值越小或为0，显示了机车稳定安全的运行，在机车的运行过程中，根据机车车轮的冲角参数值，判断机车车轮的磨损状态，判断机车的运行的安全性，可以在一定程度上保障机车运行的安全，通过机车运行时所有车轮的冲角值的自动测量，并且通过长期的数据的积累计算得出的冲角阈值，根据设定的阈值实现提前报警，提高机车运行的安全性。同时，根据测量的冲角值，对分析车轮的磨损状态具有实际的意义。

如图1所示，两侧表示的是轨道1，中间表示的是机车车轮相对铁轨运动的轨迹示意图，当机车在轨道1上行驶，机车车轮的运动轨迹如图1所示，图1对应了两种不同运动状态，在机车正常行驶过程，车轮运动的轨迹与轨道1之间不存在夹角，对应图1中下面的状态，此时机车车轮轮缘相对于轨道1两侧的距离是相等的。此时车轮的冲角值是0，图1中上面的状态表示此时机车车轮与轨道1之间存在夹角，这个夹角就是冲角，此时冲角计算如图2所示，在直角三角形中，冲角

其中d是两个激光测距传感器之间的距离，l激光测距传感器测量出车轮轮缘与轨道1之间的偏差值。通过激光测距传感器测量出机车运行时车轮轮缘与钢轨的距离，轮缘与轨道1之间的夹角值就是车轮的冲角值，从而计算出机车车轮的冲角值。

目前已有的冲角测量系统需要在机车上安装特殊的装置检测车轮的冲角，这种典型地车辆安装式系统是安装在车辆某一组特殊的车轮上，并不能检测所有车轮的冲角，这种系统不仅成本比较高，而且检测单一的车轮冲角，从而检测不是不全面和不是很精确。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明的发明目的是基于轨道安装的方式，在铁轨中间布置单个或多个高精度的激光测距传感器测量机车所有车轮的冲角，能够准确连续多次的测量冲角，并且模块化的安装方式方便，使用和维护简单。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种车轮冲角测量系统装置，包括接近触发传感器，激光测距单元，硬件处理单元和数据处理系统等，接近触发传感器包括接近开关，激光测距单元包括激光测距传感器，硬件处理单元包括硬件控制器；接近触发传感器、激光测距单元、数据处理系统与硬件处理单元通信连接。

进一步的，接近触发传感器包括进线接近开关、离线接近开关；进线接近开关、离线接近开关与硬件控制器通信连接。

进一步的，激光测距单元包含多个，每个激光测距单元对应一个硬件控制器；激光测距单元等距离分布，连续同时测量不同车轮。

上述的车轮冲角检测系统装置，激光测距单元包括激光测距传感器、激光触发传感器和保护装置，激光触发传感器用于检测车轮的位置，激光测距传感器用于测量车轮的位置数据，用于计算冲角；激光触发传感器、硬件控制器、激光测距传感器通信连接，硬件控制器与保护设备控制连接。

该车轮冲角检测系统装置优选的包括4个激光测距单元；两侧轨道的内侧均安装激光测距传感器、激光触发传感器；安装在轨道同侧的激光触发传感器的位置在两个激光测距传感器进线方向之后。

进一步，接近触发传感器有多个，一套系统包含一对进线接近开关和一对离线接近开关。接近触发传感器传递触发信号给硬件控制器，硬件控制器获取到接近触发信号打开或关闭保护设备，激光触发传感器传递触发信号至硬件控制器，硬件控制器获取到触发信号开启内部采集程序，采集激光测距传感器的测量数据，硬件控制器把采集的车轮位置数据传递给数据处理系统。

激光测距单元有多个，且一一对应，每个激光测距单元包含四个激光测距传感器和两个激光触发传感器。

激光测距单元设有4个，每个激光测距单元之间的最佳距离为600-1200mm，其中600mm最佳，1200mm次之。

同时，本发明还公开了一种车轮冲角测量方法，步骤包括：

步骤一、当机车通过检测区域，接近触发传感器被触发并控制硬件处理单元打开保护设备；

步骤二、当激光测距单元被触发，其控制硬件处理单元采集激光测距单元的采集数据，并将数据发送给数据处理系统；

步骤三、接近触发传感器被触发并控制硬件处理单元关闭保护设备；

步骤四、数据处理系统获取硬件处理单元传递的数据并处理数据。

步骤一中进一步包括：硬件处理单元包括多个独立工作的硬件控制器，接近触发传感器的进线接近开关被触发并控制硬件处理单元的硬件控制器打开对应的激光测距单元的保护设备。

步骤二进一步包括：硬件处理单元的硬件控制器采集车轮位置数据，并对通过的车轮编号，不同车轮触发不同激光测距单元中的激光触发传感器，对应不同硬件控制器开启内部采集程序，测量对应激光测距单元的激光测距传感器的数值。

硬件控制器内部计数进线车轮车轮的个数，当机车继续向前运动，机车第一个车轮触发第一套激光测距单元的激光触发传感器，第一个激光测距单元的硬件控制器获取到该单元的激光触发信号后开启该单元硬件控制器内部采集程序，接着不同车轮触发不同所述激光测距单元中的激光触发传感器，对应不同硬件控制器开启内部采集程序，测量本激光测距单元的激光测距传感器的数值。

步骤三进一步包括：当列车触发接近触发传感器的离线接近开关，硬件控制器分别判断离线车轮的个数，当离线车轮的个数与进线车轮的个数相等时，不同激光控制单元的硬件控制器关闭保护设备，并把采集的多车轮数据发送到数据处理系统。

步骤四进一步包括：

第4.1步：数据处理系统计算每个车轮的冲角值；数据处理系统首先获取硬件控制器的状态和硬件控制器发送的采集数据，数据处理系统根据冲角计算公式：

计算出的车轮冲角值；

第4.2步：数据处理系统根据计算出不同车轮的冲角值与系统设定的阈值比较，如果其中有车轮的冲角值大于设定的阈值，自动报警提示该车轮问题；

第4.3步：数据处理系统生成检测报告，检测报告中包含所有车轮的冲角值。

有益效果：本发明的车轮冲角检测系统通过安装在轨道中间的高精度激光测距传感器和激光触发传感器，当机车通过检测区域触发接近触发传感器，硬件控制单元获取接近触发传感器的信号开启保护设备，当激光触发器传感器被触发，硬件控制器获取激光触发传感器的信号开启内部采集程序，开始采集激光测距传感器的数据并通过有线传输的方式实时传递给上位机软件，上位机软件对接收到硬件控制单元发送数据进行处理和分析，计算出机车车轮的冲角值，测量全面、精确度高。在终端设备上显示并根据设置的冲角阈值对比，实现自动报警，提高铁路运行的安全性。

附图说明

图1为车轮运动轨迹示意图。

图2为冲角计算模型。

图3为本发明实施例的激光测距单元示意图。

图4为本发明实施例的数据处理系统处理流程图。

图5本本发明实施例的车轮冲角测量系统装置安装示意图。

图中，1为轨道，2为激光测距传感器，3为激光触发传感器，4为激光测距单元，5为进线接近开关。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例的冲角检测系统，包括接近触发传感器，激光测距单元4，硬件处理单元，和数据处理系统，如图3所示，激光测距单元4包括四个激光测距传感器2和两个激光触发传感器3对称设置，在轨道1中间，等间距的固定安装4个激光测距单元，机车车轮的周长约等于4000mm，相邻的激光测距单元距离为1000mm，每个激光测距单元4连接一个独立的硬件控制器，这样对于多个车轮通过检测区域，触发不同的激光测距单元4中的激光触发传感器3，不同激光测距单元4中超声测距传感器的测量互不影响，当机车通过检测区域，接近触发传感器被触发，硬件控制器获取到接近触发传感器的信号打开激光测距单元4保护设备，当机车行驶到激光测距单元4，对应激光测距单元4中的激光触发传感器3都被触发以后，此硬件控制器获取到触发信号，此时硬件控制器开启内部采集程序，根据触发信号的不同，对应的采集激光测距传感器2的数值，硬件控制器通过有线传输的方式将数据传输给数据处理系统，数据处理系统计算车轮的冲角，这样可以实现机车车轮冲角的连续测量。

如图5所示，当机车车轮通过检测区域，首先进线接近开关5被触发，此时各自硬件控制器获取到进线接近开关5触发信号后打开四个激光测距单元4的保护设备，硬件控制器内部计数进线车轮的个数，当机车继续向前运动，机车第一个车轮触发第一套激光测距单元4的激光触发传感器3，第一个激光测距单元4的控制器获取到该单元的激光触发信号后开启该单元硬件控制器内部采集程序，接着不同车轮触发不同激光测距单元4中的激光触发传感器3，对应不同控制器开启内部采集程序，测量本激光单元的激光测距传感器2的数值，当列车触发离线接近开关，控制器分别判断离线车轮的个数，当离线车轮的个数与进线车轮的个数相等时，不同激光单元的硬件控制器关闭保护设备，并把本单元的采集多车轮数据发送到数据处理系统。

数据处理系统流程图如图4所示，数据处理系统首先获取硬件控制器的状态和硬件控制器发送的采集数据，每个车轮包含两个有效数据：两个激光测距传感器至同一车轮的距离l1和l2，数据处理系统根据冲角计算公式：

计算出的车轮冲角并与系统设定的冲角阈值比较，如果计算出的冲角大于设定的阈值，则自动报警，因此可采取预防措施，比如降低机车运行的速度或修理车轮，保证机车运行的安全。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更改或修饰为等同变化的等效例，则仍属于本发明技术方案的保护范围内。