一种固定测量的便携式车轮踏面周向轮廓测量装置及方法与流程

本发明属于轨道交通技术领域，更具体地说，涉及一种固定测量的便携式车轮踏面周向轮廓测量装置及方法。

背景技术：

轨道交通是指运营车辆需要在特定轨道上行驶的一类交通工具或运输系统。最典型的轨道交通就是由传统火车和标准铁路所组成的铁路系统。随着火车和铁路技术的多元化发展，轨道交通呈现出越来越多的类型，不仅遍布于长距离的陆地运输，也广泛运用于中短距离的城市公共交通中。随着经济的高速发展，轨道交通要求标准及列车速度的提升，车辆走行部件的故障越来越引起人们重视。车辆在运行中，作为车辆的走行部件之一的车轮，由于受到各种因素的影响，会导致车轮产生不均匀的磨耗，最终造成车轮出现不规则磨损、失圆等情况。

然而，车轮径跳是衡量车轮失圆状态的一个重要指标，所谓车轮径跳指的是车轮踏面上圆以轴心为圆心的最大半径与最小半径的差值。当车轮径跳值超过一定的限定值时，就会引发车辆零部件故障，同时会导致车辆产生周期性振动并伴随着较大噪音的产生，从而降低乘客乘坐的舒适度；严重的情况下，甚至还会引发车辆安全事故，造成人员伤亡。目前，处理车轮径跳的方法通常是将车轮进行镟修，镟修虽然在一定程度上能够有效解决车轮径跳的问题，但是也会给车轮造成损伤，进而导致车轮的使用寿命缩短，与此同时也会影响车辆的正常运行。

经检索，中国专利申请号为：200720076529.7，申请日为：2007年11月8日，发明创造名称为：一种便携式铁路车轮不圆度及直径测量装置。该申请案的测量装置包括基座、测量机构调节定位装置、传感器和采集控制器。其中，采集控制器、旋转编码器a、旋转编码器b、测量机构调节定位装置和磁性吸铁安装在基座。该申请案中的测量装置在使用时，由于其测量定位装置不能保证瞬时测点过法线，即测量踏面圆始终在名义滚动圆位置，所测得结果与实际值相差较大，精确度相对较差。

技术实现要素：

1.要解决的问题

本发明的目的在于克服采用现有的车轮径跳测量装置进行测量时，由于难以准确定位测量位置而产生较大的误差，从而导致测量精度较低的不足，提供了一种固定测量的便携式车轮踏面周向轮廓测量装置及方法。本发明的技术方案能够保证测量点始终在车轮踏面名义滚动圆位置，通过测量得到真实的车轮径跳值，反映车轮真实磨损状态，并且能够进一步提高测量精度，避免人力资源浪费。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种固定测量的便携式车轮踏面周向轮廓测量装置，包括固定机构和测量组件，还包括调节机构、感应机构和校准机构，所述测量组件通过调节机构与固定机构相连，该调节机构用于对测量组件的安装位置进行调节；所述感应机构主体固定安装于调节机构上，所述校准机构安装于车轮上，用于对测量组件的安装进行校准。

更进一步的，所述测量组件包括安装支架、点激光、计米轮和编码器，所述点激光通过点激光安装架安装于安装支架上；所述计米轮和编码器相连，并通过计米轮支架安装于安装支架上；所述固定机构采用磁力座，且其底部加工有与铁轨相匹配的梯形凹槽，其顶部为平面。

更进一步的，所述安装支架的一竖直侧板上沿水平方向加工有腰形槽，另一竖直侧板上沿竖直方向加工有弧形槽，其底板与调节机构固定相连；所述计米轮支架下方安装有弹簧。

更进一步的，所述调节机构包括底座、滑座和调节丝杆，所述底座上固定安装有与滑座相匹配的滑块导轨，并通过轴承座安装有调节丝杆，该调节丝杆贯穿滑座内部，且与滑座内的螺纹孔相匹配。

更进一步的，所述滑座包括沿水平方向互相垂直设置的第一滑座和第二滑座，所述第一滑座上固定安装有与第二滑座相匹配的滑块导轨，并通过轴承座安装有与第二滑座相匹配的调节丝杆；所述安装支架通过螺钉与第二滑座固定相连。

更进一步的，所述感应机构包括软管和感应块，所述软管可以任意弯折定形，其一端与底座相连，另一端为自由端并安装有接近开关，所述感应块为圆柱磁铁块。

更进一步的，所述校准机构包括互相垂直分布的第一定位板和第二定位板，所述第一定位板内侧安装有方磁铁，方磁铁外侧与第一定位板内侧平齐或低于第一定位板内侧；所述第二定位板上设有定位孔。

更进一步的，所述校准机构还包括圆柱棒，所述圆柱棒紧贴并沿着第二定位板内侧两边对称分布，且其一端紧固于第一定位板内侧。

本发明的一种固定测量的便携式车轮踏面周向轮廓测量方法，包括以下步骤：

步骤一、装置安装；

步骤二、对测量组件的安装位置进行调节，保证测量精度；

步骤三、采用控制模块控制测量过程，实现对车轮踏面周向轮廓的自动化测量，得到真实的车轮径跳值。

更进一步的，步骤一中，所述固定机构吸附于铁轨上；所述校准机构的第一定位板吸附于车轮内辋面一侧，圆柱棒紧贴车轮轮缘顶点圆，且定位孔中心线正对车轮踏面名义滚动圆处；所述感应机构的感应块吸附于车轮内辋面一侧；

步骤二中，调节第一滑座和第二滑座的相对位置以及点激光和计米轮的安装角度，使点激光的光线垂直穿过定位孔并过车轮所在轴心，使计米轮贴着车轮踏面；

步骤三中，调整软管形状，使其上接近开关靠近感应块，触发接近开关，然后驱动车轮进行旋转，车轮旋转带动计米轮转动，测量得到车轮径跳值数据，车轮保持转动直至下一次触发接近开关，测量结束。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种固定测量的便携式车轮踏面周向轮廓测量装置，包括固定机构和测量组件、调节机构、感应机构和校准机构，所述固定机构安装于铁轨上，测量组件通过调节机构与固定机构相连，通过调节机构的设置，便于对测量组件的安装位置进行调节；此外，通过校准机构的设置，能够准确定位测量点，保证测量点始终在车轮踏面名义滚动圆位置，测量得到真实的车轮径跳值，反映车轮真实磨损状态，从而大大减少了测量误差，有利于提高测量精度。

(2)本发明的一种固定测量的便携式车轮踏面周向轮廓测量装置，固定机构采用磁力座，使用磁力座，可直接吸附在铁轨上，安装拆卸简单方便，可携带性强；同时，通过将磁力座的底部加工为与铁轨相匹配的梯形凹槽，有利于增大其与铁轨的吸附力，从而能够将装置整体稳定固定于铁轨上，不易脱落滑动，保证其测量精度，且该装置结构小巧，方便实现便携式测量。

(3)本发明的一种固定测量的便携式车轮踏面周向轮廓测量装置，调节机构包括底座、滑座和调节丝杆，底座上安装有与滑座滑动配合的滑块导轨，并通过调节丝杆的设置，对滑座的位置移动进行调节，方便快捷；更优化的，该调节机构包括沿水平方向互相垂直设置的第一滑座和第二滑座，且两个滑座上均设有调节丝杆，通过旋动调节丝杆的旋钮来实现两个滑座的移动，从而实现滑座安装位置的前、后、左、右四个方向上的调节，操作简单，有利于实现快速调节。

(4)本发明的一种固定测量的便携式车轮踏面周向轮廓测量装置，通过对测量组件的安装支架的具体结构进行优化设计，尤其是安装支架的一竖直侧板上沿水平方向加工有腰形槽，另一竖直侧板上沿竖直方向加工有弧形槽。其中，腰型槽的设计能够对计米轮的安装位置进行调节，从而使计米轮能够贴着车轮踏面，且计米轮支架下方还设有弹簧，用来支撑计米轮，确保计米轮在测量时始终贴着车轮踏面，不易造成脱落，进而能够有效提高测量精度；同时，弧形槽的设计便于调节点激光的仰俯角，从而快速对点激光的安装位置进行调节，准确定位测量点，有利于进一步提高测量结果的准确性。

(5)本发明的一种固定测量的便携式车轮踏面周向轮廓测量装置，感应机构包括软管和感应块，感应块采用圆柱磁铁块，可直接吸附于车轮内辋面上进行安装，软管一端设有接近开关与感应块配合使用，其结构小巧简单。同时，软管设计为可任意弯折的结构，调节方便，适用于不同安装环境下使用。所述校准机构的第一定位板内侧安装有方磁铁，通过方磁铁将整个机构安装于车轮上，且通过设置圆柱棒与车轮轮缘顶点圆紧贴，有利于准确定位测量点，剔除了因测量位置不准确而产生误差，从而进一步提高装置的测量精度。

(6)本发明的一种固定测量的便携式车轮踏面周向轮廓测量方法，通过对装置的安装方式的进行优化设计，通过调节机构调整测量组件的安装位置，并结合测量组件结构的内部微调，使得点激光器发出的激光能够垂直穿过校准机构的定位孔并过车轮所在轴心，从而能够准确迅速定位测量点，测量车轮踏面名义滚动圆处的车轮径跳，提高精度，减少人力资源。

附图说明

图1为本发明的一种固定测量的便携式车轮踏面周向轮廓测量装置的整体结构示意图；

图2为本发明的调节机构的整体结构示意图；

图3为本发明的测量组件的整体结构示意图；

图4为本发明的点激光支架的安装关系结构示意图；

图5为本发明的计米轮的安装关系结构示意图；

图6为本发明的感应机构的整体结构示意图；

图7为本发明的校准机构的整体结构示意图；

图8为采用本发明装置进行检测时的使用状态示意图。

图中：

1、固定机构；

2、调节机构：

200、底座；201、第一滑块导轨；202、第一滑座；203、第一轴承座；204、第一调节丝杆；205、第二滑块导轨；206、第二滑座；207、第二轴承座；208、第二调节丝杆；

3、测量组件：

300、点激光；301、点激光安装架；302、螺栓；303、编码器；304、计米轮；305、转轴；306、安装支架；3061、腰形槽；3062、弧形槽；307、计米轮支架；3071、弹簧；

4、感应机构：

400、软管；401、接近开关；402、感应块；

5、校准机构：

500、第一定位板；501、第二定位板；502、定位孔；503、方磁铁；504、圆柱棒；

6、车轮踏面；7、车轮内辋面；8、铁轨。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种固定测量的便携式车轮踏面周向轮廓测量装置，包括固定机构1和测量组件3、调节机构2、感应机构4和校准机构5，所述固定机构1采用磁力座，采用磁力座，使用磁力座，可直接吸附在铁轨8上，安装拆卸简单方便，可携带性强；同时，如图1及图8所示，该固定机构1的底部加工有与铁轨8相匹配的梯形凹槽，通过梯形凹槽的设计有利于增大其与铁轨8的吸附力，从而能够将装置整体稳定固定于铁轨8上，不易脱落滑动，进而保证了其测量精度，且其顶部为平面，调节机构2通过螺钉与固定机构1的顶部固定相连。

所述调节机构2包括底座200、滑座和调节丝杆，所述底座200上固定安装有与滑座相匹配的滑块导轨，并通过轴承座安装有调节丝杆，该调节丝杆贯穿滑座内部，且与滑座内的螺纹孔相匹配。具体的，如图2所示，底座200两侧对称安装有与滑座滑动配合的滑块导轨，底座200其余两侧对称固定安装有轴承座，调节丝杆支撑安装于轴承座上，通过转动调节丝杆旋钮，通过滑座与调节丝杆的螺纹配合，带动滑座在滑块导轨上进行移动，从而实现对滑座安装位置的调节，操作简便，调节快速。

所述测量组件3包括安装支架306、点激光300、计米轮304和编码器303，其中，安装支架306的底板固定安装于调节机构2的滑座上，进而与固定机构1相连，且其可随着滑座的位置移动实现其位置调节。具体的，如图3-5所示，所述点激光300通过点激光安装架301安装于安装支架306上；所述计米轮304和编码器303相连，并通过计米轮支架307安装于转轴305上，该转轴305安装于安装支架306上。进行测量时，点激光300用于定位，计米轮304紧贴于车轮踏面6上，车轮旋转时，计米轮304可保持与车轮踏面6相同的线速度旋转，最终测量数据进行处理得到真实的车轮径跳值。

如图6所示，所述感应机构4包括软管400和感应块402，所述软管400一端与底座200相连，另一端为自由端并安装有接近开关401，且其可以任意弯折定形，从而调节方便，适用于不同安装环境下使用。所述感应块402采用圆柱磁铁块，可直接吸附于车轮内辋面7上进行安装，结构小巧简单。

所述校准机构5单独设置，并安装于车轮上，用于对测量组件3的安装进行校准。具体的，如图7所示，所述校准机构5包括互相垂直分布的第一定位板500和第二定位板501，第一定位板500和第二定位板501呈l形进行安装(也可一体加工成型)，所述第一定位板500内侧安装有方磁铁503，方磁铁503外侧与第一定位板500内侧平齐或略低于第一定位板500内侧。所述第二定位板501上设有定位孔502，且校准机构5还包括圆柱棒504，本实施例中，所述圆柱棒504的个数为两个，且两个圆柱棒504紧贴并沿着第二定位板501内侧两边对称分布，其一端均紧固于第一定位板500内侧。将整个校准机构安装于车轮上时，通过设置圆柱棒504与车轮轮缘顶点圆紧贴，从而有利于准确定位测量点，剔除了因测量位置不准确而产生误差，从而进一步提高装置的测量精度。

实施例2

本实施例的一种固定测量的便携式车轮踏面周向轮廓测量装置，其结构基本同实施例1，其主要区别在于：所述滑座包括沿水平方向互相垂直设置的第一滑座202和第二滑座206，具体的，如图2所示，所述底座200顶部两侧(即图2中底座左右两侧)均设有第一滑块导轨201，其顶部另外两侧(即图2中底座前后两侧)均设有第一轴承座203，且两个轴承座之间安装有第一调节丝杆204。相同的，所述第一滑座202顶部两侧(即图2中第一滑座前后两侧)均设有第二滑块导轨205，其顶部另外两侧(即图2中第二滑座左右两侧)均设有第二轴承座207，且两个轴承座之间安装有第二调节丝杆208。所述测量组件3的安装支架306固定安装于第二滑座206顶部，通过分别旋动第一调节丝杆204和第二调节丝杆208的调节旋纽控制两个滑座的相对移动，从而带动整个测量组件3在前、后、左、右四个方向上的移动，且操作简单，有利于快速实现测量点的精准定位，减少测量误差。

此外，所述安装支架306的一竖直侧板上沿水平方向加工有腰形槽3061，另一竖直侧板上沿竖直方向加工有弧形槽3062。具体的，如图3所示，所述安装支架306一侧板上安装有转轴305，转轴305的一端安装于腰形槽3061内，进行安装调节时，转轴305在腰形槽3061内移动到合适位置后，并采用螺钉进行紧固。如图5所示，所述计米轮支架307与转轴305相连，计米轮支架307下方设有圆柱形凸块并套装有弹簧3071，该弹簧3071一端与计米轮支架307固定相连，其另一端压在调节机构2的滑座顶部，用以支撑计米轮304，从而确保计米轮304在测量时始终贴着车轮踏面6，不易造成脱落，进而能够有效提高测量精度。如图4所示，所述点激光300安装于点激光安装架301的顶板上，其侧板前端通过螺栓302与安装支架306的侧板固定相连，其侧板后端通过螺钉安装于所述弧形槽3062内，使该螺钉沿着弧形槽3062滑动，能够对点激光300的仰俯角进行调节，从而快速定位测量点，有利于进一步提高测量结果的准确性。

实施例3

本实施例的一种固定测量的便携式车轮踏面周向轮廓测量方法，采用实施例2中的测量装置，其具体操作步骤如下：

步骤一、装置安装；

分别将测量组件3、调节机构2和感应机构4安装好以后，固定在固定机构1上，再吸附于铁轨8上。同时，将校准机构5的第一定位板500吸附于车轮内辋面7一侧，使圆柱棒504紧贴车轮轮缘顶点圆，并保证定位孔502的中心线正对车轮踏面名义滚动圆处。所述感应机构4的感应块402吸附于车轮内辋面7另一侧，调整软管400形状，使其上接近开关401靠近感应块402。

步骤二、对测量组件的安装位置进行调节，保证测量精度；

调节第一滑座202和第二滑座206的相对位置，使滑座及滑座上固定安装的测量组件3整体向车轮靠近，然后微调计米轮304的安装位置，使计米轮304贴着车轮踏面6，再旋转调节丝杆旋钮，观察点激光300的光线是否无遮挡的穿过定位孔502后出现在车轮踏面6上，垂直穿过并过车轮所在轴心。若点激光300的光线倾斜，调节点激光安装架301上螺钉沿弧形槽3062移动，使点激光300光线垂直照射在定位孔502里，反复调节调节机构2的第一滑座202和第二滑座206前后左右移动、点激光300的俯仰角和校准机构5的位置，直至点激光300光线垂直顺利穿过定位孔502，照射在车轮踏面6上，准备工作完成。采用本发明的装置，调节操作简便，能够迅速准确定位测量点，从而减少了测量误差，大大提高了测量精度。

步骤三、转动车轮对车轮踏面周向轮廓进行测量，对所测数据进行处理后得到真实的车轮径跳值；

进行测量时，感应块402粘贴或吸附(磁铁)于车轮内辋面7其中一侧，当车轮旋转时，接近开关401第一次被感应块402触发时开始记录数据，直到接近开关401再次被感应块402触发时采集结束。并且在测量时计米轮304紧贴车轮踏面6，车轮旋转时，计米轮304可保持与车轮踏面6相同的线速度旋转。计米轮304旋转使得编码器303产生脉冲信号，每隔一定的脉冲数量n记录一个点激光300的位移值，直到车轮旋转一周，当所测最后一个点脉冲数量小于n时，同样会记录一个位移值。这样便可以得到一个数据组，即x坐标是脉冲数量，它从0开始，每隔n个脉冲记录一个y坐标(位移值)，直到最后一个脉冲n(n不一定是n的整数倍)。然后对所测数据进行如下处理：

(1)计算车轮直径

已知计米轮304周长为c，计米轮304带动编码器303旋转一周产生的脉冲数量是m，车轮旋转一周产生的总脉冲数量是n，则车轮旋转一周时，计米轮304旋转了n/m周，车轮的周长为nc/m，因此，车轮的直径为：

(2)计算车轮踏面各点处的半径

本方案测量得到的位移值可转化为车轮踏面6各点处的半径，假设采集的原始数据为(xi，yi)，其中xi为每一个测量点对应的脉冲序号，取值为0，n，2n，3n……n，yi为每一个测量点的位移值，采集的数据数量为k。在本测量方案中，位移值越大，说明该测量点对应的半径越小。测量车轮一周平均位移值为：

把每一个测量点处的位移值转化为车轮半径，同时将每一个测量点处的脉冲序号转化为车轮周长坐标：

(3)计算车轮径向跳动

所求得的车轮踏面6各点处的半径，从中找到出大半径和最小半径，二者的差值即为径向跳动。

(4)求偏心量

利用计算得到的(x'i，y'i)进行圆拟合，求得拟合圆的圆心坐标(a，b)，则偏心量为

(5)求椭圆度

利用计算得到的(x'i，y'i)进行椭圆拟合，求得椭圆的长轴和短轴，长轴与短轴的差即为椭圆度。