本发明属于列车车轮参数检测技术领域，更具体地说，涉及一种列车车轮几何参数在线动态测量装置及测量方法。
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要的意义。
现有检测车轮几何参数的手段主要包括人工测量和静态测量。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，从而影响列车的正常使用。
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，该方法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检测存在的检测精度及检测效率相对较低的不足，提供了一种列车车轮几何参数在线动态测量装置及测量方法。采用本发明的技术方案可以对列车车轮的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设置于轨道内侧的测速传感器、车轮定位传感器、激光位移传感器i和停止开关以及设置于轨道外侧的激光位移传感器ii，其中，激光位移传感器i的探测光束垂直于车轮内辋面，且与轨道顶面存在倾斜夹角α，激光位移传感器ii的探测光束与轨道顶面存在倾斜夹角β，与车轮内辋面之间存在倾斜夹角γ。
更进一步的，所述激光位移传感器i和车轮定位传感器通过激光位移传感器支架i安装于轨道内侧，激光位移传感器支架i的上平面与轨道顶面平行并与车轮轮缘接触，且激光位移传感器支架i随车轮滚压进行上下随动，激光位移传感器i的感测头与激光位移传感器支架i的上平面之间沿垂直于轨道顶面方向的距离为h1。
更进一步的，所述激光位移传感器ii通过激光位移传感器支架ii安装于轨道外侧，激光位移传感器支架ii在车轮轮缘压上激光位移传感器支架i时随动，且在车轮轮缘未压上激光位移传感器支架i时，激光位移传感器ii的感测头与激光位移传感器支架i的上平面之间沿垂直于轨道顶面方向的距离为h2。
更进一步的，所述激光位移传感器支架i上还安装有位移传感器，该传感器用于测量激光位移传感器支架i被车轮轮缘压下时垂直于轨道顶面方向的位移w。
更进一步的，所述激光位移传感器i、激光位移传感器ii和位移传感器的采样频率k相同。
更进一步的，所述测速传感器、车轮定位传感器、激光位移传感器i、停止开关、激光位移传感器ii和位移传感器均与控制系统相连，且激光位移传感器i、激光位移传感器ii和位移传感器均与数据处理系统相连。
本发明的一种列车车轮几何参数在线动态测量的方法，采用本发明的在线动态测量装置，当车轮定位传感器被车轮触发时，两个激光位移传感器和位移传感器同时进行采集，当停止开关被车轮触发时，两个激光位移传感器和位移传感器同时停止采集，将采集到的数据传送至数据处理系统进行处理，即得列车车轮的几何参数，具体处理过程为：
步骤1：计算轮缘顶点圆直径：找到激光位移传感器i所测第一条轮廓线中的最小距离，即为所测轮缘顶点的距离值l，计算轮缘顶点圆直径d，计算公式如下：
上式中：l1为激光位移传感器i的感测头与车轮定位传感器沿平行于轨道顶面方向的距离，单位：mm；δl为车轮定位传感器被触发时车轮轮缘最低点到车轮定位传感器之间的距离，单位：mm；δt为车轮定位传感器被触发至激光位移传感器i采集第一条轮廓线时的时间间隔，即车轮定位传感器的响应时间，单位：ms；h1为激光位移传感器i的感测头与激光位移传感器支架i的上平面之间沿垂直于轨道顶面方向的距离；单位：mm；δl和δt在安装之初被标定为已知量；v为列车行驶速度，mm/ms，由测速传感器测量得到；
步骤2：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，计算结果四舍五入取整，计算公式为：
上式中，c为激光位移传感器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条数序号；r为车轮轮缘顶点圆半径，单位：mm；k为激光位移传感器i的采样频率，khz；
步骤3：计算激光位移传感器ii所测轮廓线中经过车轮法线或最接近车轮法线的轮廓线，计算结果四舍五入取整，计算公式为：
上式中，c’为激光位移传感器ii所测轮廓线中经过车轮法线或最接近车轮法线的轮廓线条数序号；l2为激光位移传感器ii的感测头与车轮定位传感器沿平行于轨道顶面方向的距离，单位：mm；h2为激光位移传感器ii的感测头与激光位移传感器支架i的上平面之间沿垂直于轨道顶面方向的距离，单位：mm；β为激光位移传感器ii的探测光束与轨道顶面的夹角；单位：mm；
步骤4：将找到的激光位移传感器ii的第c’条激光线进行旋转，得到旋转后轮廓线上各点的坐标，旋转公式为
xi＝xicosγ-yisinγ
yi＝xisinγ+yicosγ
式中：xi为激光位移传感器ii所测第c’条轮廓线上各点的横坐标，单位mm；yi为激光位移传感器ii所测第c’条轮廓线上各点的纵坐标，单位mm；xi为旋转过后轮廓线上各点的横坐标，单位mm；yi为旋转过后轮廓线上各点的纵坐标，单位mm；
步骤5：计算激光位移传感器i所测第c条轮廓线中各点处的距离值对应的直径值dj，计算公式为：
dj＝d-2(zj-z)(j＝1，2，3，……)
式中：d为车轮轮缘顶点圆直径，单位：mm；z为所测第c条轮廓线中轮缘顶点的距离值，单位：mm；zj为所测第c条轮廓线中其他各点的距离值，单位：mm；
步骤6：计算激光位移传感器ii所测第c’条轮廓线经旋转后各点处的距离值对应的直径值dm，计算公式为：
dm＝d-2(zm-z)(m＝1,2,3,……)；
式中：d为车轮轮缘顶点圆直径，单位：mm；z为所测第c’条轮廓线经旋转后轮缘顶点的距离值，单位：mm；zm为所测第c’条轮廓线经旋转后其他各点的距离值，单位：mm；
步骤7：截取激光位移传感器i所测第c条轮廓线中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)}；截取激光位移传感器ii所测经旋转后第c’条轮廓线中轮缘顶点至外辋面之间的直径，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8：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xd，车轮内辋面所对应的横坐标记为x1，则轮缘厚为sd＝xd-x1。
更进一步的，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＝xd-xq。
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设置于轨道内侧的测速传感器、车轮定位传感器、激光位移传感器i和停止开关以及设置于轨道外侧的激光位移传感器ii，采用本发明的测量装置可以对列车车轮的车轮踏面直径、轮缘厚、轮缘高及轮缘综合值等几何参数进行在线动态测量，且其测量精度较高，从而有利于保证列车的行驶安全。
(2)本发明的一种列车车轮几何参数在线动态测量装置，仅使用两个激光位移传感器、一个位移传感器和一个测速传感器即可测量得到车轮直径、轮缘高、轮缘厚和轮缘综合值等参数，成本低、结构和安装简单，易于实现。
(3)本发明的一种列车车轮几何参数在线动态测量方法，当车轮定位传感器被车轮触发时，两个激光位移传感器和位移传感器同时进行采集，当停止开关被车轮触发时，两个激光位移传感器和位移传感器同时停止采集，将采集到的数据传送至数据处理系统进行处理，从而可以对列车的几何参数直接进行在线动态测量，测量方法简单，成本低，且精度较高。
(4)本发明的一种列车车轮几何参数在线动态测量方法，采用测速传感器对列车车轮速度进行实时检测并将其作为已知量，从而可以对车轮定位传感器因响应时间带来的误差进行补偿，进一步提高了测量精度。同时，本发明大大提高了列车车轮几何参数的测量效率，有利于节省人力和物力。
附图说明
图1为本发明的一种列车车轮几何参数在线动态测量的装置的主视示意图；
图2为本发明的一种列车车轮几何参数在线动态测量的装置的左视示意图；
图3为本发明的一种列车车轮几何参数在线动态测量的装置的俯视示意图；
图4为本发明的一种列车车轮的结构示意图。
示意图中的标号说明：
1-1、激光位移传感器i；1-2、激光位移传感器ii；2、测速传感器；3、车轮定位传感器；4、停止开关；5-1、激光位移传感器支架i；5-2、激光位移传感器支架ii；6、轨道；7、位移传感器。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，现结合具体实施例对本发明作详细描述。
实施例1
结合图1-图3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，包括沿列车行驶方向依次设置于轨道6内侧的测速传感器2、车轮定位传感器3、激光位移传感器i1-1和停止开关4以及设置于轨道6外侧的激光位移传感器ii1-2，测速传感器2、车轮定位传感器3、激光位移传感器i1-1、停止开关4及激光位移传感器ii1-2均与控制系统相连，且激光位移传感器i1-1及激光位移传感器ii1-2均与数据处理系统相连。上述车轮定位传感器3和激光位移传感器i1-1通过激光位移传感器支架i5-1安装于轨道内侧，其探测光束垂直于车轮内辋面，且与轨道顶面存在倾斜夹角α。激光位移传感器支架i5-1的上平面与轨道顶面平行并与车轮轮缘接触，且该激光位移传感器支架i5-1为可上下活动支架，即当车轮轮缘压上和离开该支架时可进行上下随动。具体的，当车轮轮缘压上激光位移传感器支架i5-1时该支架下移，而当车轮轮缘离开时激光位移传感器支架i5-1则可以向上移动进行自动复位。具体的，本实施例中激光位移传感器支架i5-1通过弹性元件，例如弹簧固定安装在轨道内侧，当列车离开该支架时，在弹性元件弹力的作用下激光位移传感器支架i5-1向上移动进行复位。该激光位移传感器支架i5-1上还安装有位移传感器7，该传感器用于测量激光位移传感器支架i5-1被车轮轮缘压下时垂直于轨道顶面方向的位移w。上述激光位移传感器i1-1的感测头与激光位移传感器支架i5-1的上平面之间沿垂直于轨道顶面方向的距离为h1。本实施例中激光位移传感器ii1-2通过激光位移传感器支架ii5-2安装于轨道外侧，其探测光束与轨道顶面存在倾斜夹角β，与车轮内辋面存在倾斜夹角γ，且当车轮轮缘未压上激光位移传感器支架i5-1时，激光位移传感器ii1-2的感测头与激光位移传感器支架ii5-2的上平面之间沿垂直于轨道顶面方向的距离为h2。同时，上述各部件的安装位置需保证当车轮定位传感器及停止开关被车轮触发时待测量列车车轮均在激光位移传感器i和激光位移传感器ii的测量范围内。本实施例中所述激光位移传感器i1-1、激光位移传感器ii1-2和位移传感器7的采样频率k相同。
结合图1-图4，本实施例的一种列车车轮几何参数在线动态测量的方法，采用本实施例的在线动态测量装置，当车轮定位传感器3被车轮触发时，两个激光位移传感器和位移传感器7，同时进行采集，当停止开关4被车轮触发时，两个激光位移传感器和位移传感器7同时停止采集，将采集到的数据传送至数据处理系统进行处理，即得列车车轮的几何参数，其具体处理过程为：
步骤1：计算轮缘顶点圆直径：找到激光位移传感器i1-1所测第一条轮廓线中的最小距离，即为所测轮缘顶点的距离值l，计算轮缘顶点圆直径d，计算公式如下：
上式中：l1为激光位移传感器i1-1的感测头与车轮定位传感器3沿平行于轨道顶面之间的距离，单位：mm；δl为车轮定位传感器3被触发时车轮轮缘最低点到车轮定位传感器3之间的距离，单位：mm；δt为车轮定位传感器3被触发至激光位移传感器i1-1采集第一条轮廓线时的时间间隔，即车轮定位传感器3的响应时间，单位：ms；h1为激光位移传感器i1-1的感测头与激光位移传感器支架i5-1的上平面之间沿垂直于轨道顶面方向的距离；单位：mm；δl和δt在安装之初被标定为已知量；v为列车行驶速度，mm/ms，由测速传感器2测量得到；
步骤2：计算激光位移传感器i1-1所测轮廓线中经过车轮法线或最接近车轮法线的轮廓线，计算结果四舍五入取整，计算公式为：
上式中，c为激光位移传感器i1-1所测轮廓线中经过车轮法线或最接近车轮法线的轮廓线条数序号；r为车轮轮缘顶点圆半径，单位：mm；k为激光位移传感器i1-1的采样频率，单位：khz；
步骤3：计算激光位移传感器ii1-2所测轮廓线中经过车轮法线或最接近车轮法线的轮廓线，计算结果四舍五入取整，计算公式为：
上式中，c’为激光位移传感器ii1-2所测轮廓线中经过车轮法线或最接近车轮法线的轮廓线条数序号；l2为激光位移传感器ii1-2的感测头与车轮定位传感器3沿平行于轨道顶面之间的距离，单位：mm；h2为车轮轮缘未压上激光位移传感器支架i5-1时激光位移传感器ii1-2的感测头与激光位移传感器支架i5-2的上平面之间沿垂直于轨道顶面方向的距离，单位：mm；β为激光位移传感器ii1-2的探测光束与轨道顶面的夹角；w为位移传感器7所测得的第一个位移值，单位mm；
步骤4：将找到的激光位移传感器ii1-2的第c’条激光线进行旋转，得到旋转后轮廓线上各点的坐标xi，yi，旋转公式为
xi＝xicosγ-yisinγ
yi＝xisinγ+yicosγ
式中：xi为激光位移传感器ii1-2所测第c’条轮廓线上各点的横坐标，单位：mm；yi为激光位移传感器ii1-2所测第c’条轮廓线上各点的纵坐标，单位：mm；xi为旋转过后轮廓线上各点的横坐标，单位：mm；yi为旋转过后轮廓线上各点的纵坐标，单位：mm；
步骤5：计算激光位移传感器i1-1所测第c条轮廓线中各点处的距离值对应的直径值dj，计算公式为：
dj＝d-2(zj-z)(j＝1，2，3，……)
式中：d为车轮轮缘顶点圆直径，mm；z为所测第c条轮廓线中轮缘顶点的距离值，单位：mm；zj为所测第c条轮廓线中其他各点的距离值，单位：mm；
步骤6：计算激光位移传感器ii1-2所测第c’条轮廓线经旋转后各点处的距离值对应的直径值dm，计算公式为：
dm＝d-2(zm-z)(m＝1,2,3,……)；
式中：d为车轮轮缘顶点圆直径，单位：mm；z为所测第c’条轮廓线经旋转后轮缘顶点的距离值，单位：mm；zm为所测第c’条轮廓线经旋转后其他各点的距离值，单位：mm；
步骤7：截取激光位移传感器i1-1所测第c条轮廓线中内辋面至轮缘顶点之间的直径，并与激光位移传感器i1-1自身x轴坐标结合，构成坐标组{(xd，dd)}；截取激光位移传感器ii1-2所测经旋转后第c’条轮廓线中轮缘顶点至外辋面之间的直径，并与激光位移传感器ii1-2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8：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9：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xd，车轮内辋面所对应的横坐标记为x1，则轮缘厚为sd＝xd-x1。
步骤10：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＝xd-xq。
实施例2
本实施例的列车车轮几何参数在线动态测量装置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
本实施例的列车车轮几何参数在线动态测量装置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
本实施例的列车车轮几何参数在线动态测量装置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
本实施例的列车车轮几何参数在线动态测量装置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。