一种轨道交通车轮轮缘参数在线动态测量装置的制作方法

1.本实用新型属于轨道交通技术领域，更具体地说，涉及一种轨道交通车轮轮缘参数在线动态测量装置。


背景技术：

2.随着我国轨道交通的快速发展，列车在线运行的安全问题也日益显著。轮对是列车与钢轨相接触的部分。轮对保证了机车在钢轨上的运行和转向，承受来自列车的全部静、动载荷，并把它传递给钢轨，并将因线路不平顺产生的载荷传递给列车车辆各零部件。此外，列车车辆的驱动和制动也是通过轮对起作用的。因此，轮对的状况直接关系到列车的运行质量和安全，对其尺寸参数的实时监测是保障列车安全行驶的重要措施。
3.传统技术中通常是采用人工测量和静态测量方法对车轮轮缘参数进行测量，检测精度较差，且检测效率低，从而促进了在线动态检测技术的研究与发展。对于轮对尺寸的在线检测技术，早期的方法是采用基于ccd图像测量技术进行测量，但该方法的系统结构布置较为复杂，且受振动、环境影响大。随着传感器技术的发展，激光测距得到了越来越广泛的应用，很多研究者开始将激光位移传感器应用于车轮轮缘参数的在线动态检测。
4.如，申请号为201610365458.6的申请案公开了一种列车轮对尺寸在线检测方法及其系统，该方法通过激光对射光电开关得到轮缘顶点圆直径和车速，通过涡流传感器定位轮缘最低点及到地面的高度，根据内外侧1d激光位移传感器探测到的车轮上面的点，得到该车轮踏面轮廓线，从而得到轮缘高、轮缘厚和轮径，但该申请案的检测精度有待进一步提高。


技术实现要素：

5.1.实用新型要解决的技术问题
6.本实用新型的目的在于克服采用现有方法对车轮轮缘参数进行测量存在的不足，提供了一种轨道交通车轮轮缘参数在线动态测量装置。采用本实用新型的技术方案可以有效提高车轮轮缘参数的检测精度，且其检测效率较高。
7.2.技术方案
8.为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：
9.本实用新型的一种轨道交通车轮轮缘参数在线动态测量装置，包括安装于轨道外侧的外侧激光位移传感器和安装于轨道内侧的内侧激光位移传感器，其中外侧激光位移传感器用于采集车轮轮缘顶点至车轮名义滚动圆处的轮廓线，其感测头高出轨道顶面的高度为h1，距离轨顶中心的水平距离为l1，其探测光束与垂直于轨道方向的夹角为a1，与平行于轨道方向的夹角为a2；所述内侧激光位移传感器用于采集车轮内辋面至轮缘外侧的轮廓线，其感测头低于轨道顶面的高度为h2，距离轨顶中心的水平距离为l2，与垂直于轨道方向的夹角为b1。
10.更进一步的，所述外侧激光位移传感器与内侧激光位移传感器均为二维激光位移
传感器，其感测头之间沿平行于轨道方向的距离为l3；两条轨道均对称安装有所述的外侧激光位移传感器与内侧激光位移传感器。
11.更进一步的，两个激光位移传感器的安装位置满足下式：
12.tana2＝(r
‑
h1)/l313.r为待测车轮半径，当感测头高于轨顶时，h1取正，反之则取负值。
14.更进一步的，所述外侧激光位移传感器及内侧激光位移传感器均通过传感器安装机构进行安装，该传感器安装机构包括底板、内侧安装板和外侧安装板，其中底板固定安装于轨道底部，内侧安装板和外侧安装板均与底板固定相连，且内侧安装板与外侧安装板的安装角度分别与内侧激光位移传感器、外侧激光位移传感器的安装角度相对应。
15.更进一步的，所述底板上安装有支撑板，支撑板与调节板固定相连，外侧安装板安装支撑于调节板上，且支撑板的支撑面加工为与外侧激光位移传感器的安装角度相对应的二维斜面。
16.更进一步的，所述外侧安装板与调节板之间通过轴承可转动相连，并通过螺栓进行固定。
17.更进一步的，所述调节板上设有调心轴承座，外侧安装板上对应安装有与调心轴承座转动配合的调心轴承；所述外侧安装板上加工有固定孔和微调螺纹孔，其中固定孔的内径大于固定孔内固定螺栓的直径。
18.3.有益效果
19.采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
20.(1)本实用新型的一种轨道交通车轮轮缘参数在线动态测量装置，通过在轨道内侧和外侧分别安装一个激光位移传感器，并对其安装角度进行优化，从而可以对车轮的轮缘高、轮缘厚、轮缘综合值及轮对内侧距进行在线检测，且其检测精度较高，检测效率快。
21.(2)本实用新型的一种轨道交通车轮轮缘参数在线动态测量装置，通过两个激光位移传感器的安装，并对其采集数据进行提取、旋转、拼接与整合处理即可得到待测车轮的轮廓曲线，从而可以对车轮轮缘高、轮缘厚、轮缘综合值及轮对内侧距进行在线检测，其检测精度相对于现有检测方法得到有效提高。
22.(3)本实用新型的一种轨道交通车轮轮缘参数在线动态测量装置，通过对激光位移传感器的安装支架进行优化设计，从而便于对激光位移传感器的安装角度进行调整，且其调整操作简单，调整精度高。
附图说明
23.图1为本实用新型的一种轨道交通车轮轮缘参数在线动态测量装置的结构示意图；
24.图2为本实用新型的激光位移传感器的分布结构示意图；
25.图3为本实用新型的激光位移传感器的分布俯视图；
26.图4为列车车轮轮缘参数测量点示意图；
27.图5为本实用新型的外侧安装板的结构示意图；
28.图6为两激光位移传感器检测得到的曲线；
29.图7为旋转后的曲线图；
30.图8为拼接整合后的轮廓曲线。
31.图中标号说明：
32.1、底板；101、压块；102、紧固螺栓；2、底板加强筋；3、内侧安装板；4、支撑板；5、支撑板加强筋；6、调心轴承座；7、调节板；8、外侧安装板；801、调心轴承孔；802、固定孔；803、微调螺纹孔；9、外侧激光位移传感器；10、内侧激光位移传感器；11、轨道。
具体实施方式
33.为进一步了解本实用新型的内容，现结合具体实施例对本实用新型作详细描述。
34.实施例1
35.结合图2、图3，本实施例的一种轨道交通车轮轮缘参数在线动态测量装置，包括安装于轨道11外侧的外侧激光位移传感器9和安装于轨道11内侧的内侧激光位移传感器10，这两个激光位移传感器均为二维激光位移传感器，其中外侧激光位移传感器9用于采集车轮轮缘顶点至车轮名义滚动圆处的轮廓线，其感测头高出轨道11顶面的高度为h1，距离轨顶中心的水平距离为l1，其探测光束与垂直于轨道方向的夹角为a1，与平行于轨道方向的夹角为a2；所述内侧激光位移传感器10用于采集车轮内辋面至轮缘外侧的轮廓线，其感测头低于轨道11顶面的高度为h2，距离轨顶中心的水平距离为l2，与垂直于轨道方向的夹角为b1。外侧激光位移传感器9与内侧激光位移传感器10的感测头之间沿平行于轨道11方向的距离为l3。
36.具体安装时，上述两个激光位移传感器的安装位置满足以下要求：tana2＝(r
‑
h1)/l3，r为待测车轮半径，当感测头高于轨顶时，h1取正，反之则取负值。而其他参数如a1、l1、l2、b1和h2的选择则以能够满足两个激光位移传感器的测量范围要求即可(外侧激光位移传感器9用于采集车轮轮缘顶点至车轮名义滚动圆处的轮廓线，内侧激光位移传感器10用于采集车轮内辋面至轮缘外侧的轮廓线)。
37.实施例2
38.本实施例的一种轨道交通车轮轮缘参数在线动态测量装置，其结构同实施例1，更进一步的，两条轨道11均对称安装有所述的外侧激光位移传感器9与内侧激光位移传感器10，从而可以分别测量两侧车轮的轮缘参数。
39.实施例3
40.本实施例的一种轨道交通车轮轮缘参数在线动态测量装置，其结构基本同实施例2，其区别主要在于：本实施例中所述外侧激光位移传感器9及内侧激光位移传感器10均通过传感器安装机构进行安装，如图1所示，该传感器安装机构包括底板1、内侧安装板3和外侧安装板8，其中底板1固定安装于轨道11底部，内侧安装板3和外侧安装板8均与底板1固定相连，且内侧安装板3与外侧安装板8的安装角度分别与内侧激光位移传感器10、外侧激光位移传感器9的安装角度相对应。本实施例的底板1上通过紧固螺栓102安装有压块101，压块101压紧于轨道两侧的底板上，且压块101头部加工成与轨底倾斜角度相匹配的斜面，以保证底板安装的牢固性。
41.实施例4
42.本实施例的一种轨道交通车轮轮缘参数在线动态测量装置，其结构基本同实施例3，其区别主要在于：所述底板1上安装有支撑板4，支撑板4与调节板7固定相连，外侧安装板
8安装支撑于调节板7上，且支撑板4的支撑面加工为与外侧激光位移传感器9的安装角度相对应的二维斜面。通过调节板的设置便于将外侧激光位移传感器9的安装角度调节至所需位置，以满足车轮参数检测的要求。
43.实施例5
44.本实施例的一种轨道交通车轮轮缘参数在线动态测量装置，其结构基本同实施例4，其区别主要在于：所述外侧安装板8与调节板7之间通过轴承可转动相连，并通过螺栓进行固定。具体的，本实施例中调节板7上设有调心轴承座6，外侧安装板8上对应安装有与调心轴承座6转动配合的调心轴承(安装于外侧安装板8上的调心轴承孔内)，调心轴承插入到调心轴承座6的内圈中，从而可以随意调节外侧安装板8与调节板7之间的位置和角度。如图5所示，所述外侧安装板8上加工有固定孔802和微调螺纹孔803，其中固定孔的内径大于固定孔内固定螺栓的直径，以便进行传感器安装角度的微调。外侧安装板8的调心轴承插入到调心轴承座6之后，将微调螺栓拧入微调螺纹孔803内，当其端头穿过微调螺纹孔803顶紧调节板7时，继续拧紧微调螺栓，即可使外侧安装板8相对于调节板7发生相对转动，从而对外侧安装板8的倾斜角度进行微调，调节完成后将固定螺栓拧入固定孔802内将外侧安装板8与调节板7紧固连接，从而保证了外侧激光位移传感器9的倾斜角度的准确性。为了保证结构的稳固性，本实施例中底板与支撑板4之间设有底板加强筋2，支撑板4与调节板7之间设有支撑板加强筋5。
45.实施例6
46.本实施例的一种轨道交通车轮轮缘参数在线动态测量方法(各参数测量基点示意图如图4所示，其中qr为轮缘综合值，sh为轮缘高，sd为轮缘厚)，采用实施例5的测量装置，包括以下步骤：
47.步骤一、车轮轮廓线的采集
48.车轮经过时，控制两个2d激光位移传感器同时采集车轮踏面轮廓，其中内侧激光位移传感器10采集车轮内辋面至轮缘外侧的轮廓线，外侧激光位移传感器9采集车轮轮缘顶点至名义滚动圆处的轮廓线；采集轮廓曲线时，两个激光位移传感器以一定的频率(频率可以相同，也可以不相同)连续采集车轮经过时的所有轮廓曲线，采集得到的就是该车轮的原始轮廓曲线数据。本实施例中待测车轮的规格为直径d＝770
‑
840mm，h1＝54mm，l1＝l2＝167.5mm，b1＝53
°
，h2＝151mm，a2＝45.694
°
，l3＝340.161mm，a1＝14.979
°
。
49.步骤二、轮廓线的提取
50.若要准确测量轮缘参数，必须从众多原始轮廓曲线中选取经过车轮法线的那两条轮廓曲线。其中，内侧激光位移传感器10测得轮缘顶点处于最低点时，即可认为该条轮廓线通过车轮的法线。而外侧激光位移传感器9所测的轮廓线中很难找到通过法线的那条轮廓线，但通过理论验证，当外侧激光位移传感器9所测轮廓线偏离法线不大时，对轮缘参数的测量精度影响很小，因此允许选取的外侧激光位移传感器9所测轮廓线相对于车轮法线有一定的偏移量(如图3所示，该偏离量，即检测光束偏离于车轮圆心的距离δr小于车轮直径的5％即可)。在此基础上本实施例对两个激光位移传感器的安装参数进行设计，各安装参数在满足激光位移传感器测量范围的基础上，满足tana2＝(r
‑
h1)/l3，即可保证当内侧激光位移传感器10测得车轮法线时，不论车轮直径和轮缘高如何，外侧激光位移传感器9所测轮廓曲线均在车轮法线附近允许的偏离范围内。
51.因此，两个传感器所得轮廓线的提取方法为：选取内侧激光位移传感器10所测经过轮缘法线的那条轮廓线，即所有轮廓线中轮缘处于最低点时的那条轮廓曲线，以及同一时刻外侧激光位移传感器9对应测得的轮廓曲线。
52.步骤三、有效数据的提取
53.对选取的轮廓曲线中的无效曲线数据进行过滤，从而对有效数据进行提取。
54.如图6所示，曲线(b)为外侧激光位移传感器9所测轮廓曲线，曲线(a)为内侧激光位移传感器10所测轮廓曲线，但测试过程中会存在一些无效数据，比如，内侧激光位移传感器10所测轮廓曲线中会包含部分钢轨的轮廓，图中可以看出曲线(c)即属于明显无效的数据，对无效数据进行过滤去除。
55.步骤四、轮廓曲线的旋转
56.将处理过的两条轮廓曲线均按照以下公式沿顺时针方向进行旋转处理：
57.x＝(x1‑
x0)cosα
‑
(y1‑
y0)sinα+x0
58.y＝(x1‑
x0)sinα+(y1‑
y0)cosα+y0
59.式中：(x，y)为旋转之后曲线的坐标，(x1，y1)为旋转之前曲线的坐标，(x0，y0)是旋转中心的坐标，取(0，0)点，α是旋转角度，旋转角度根据2d激光位移传感器的布置、以及实际情况而定。
60.其中，从图6可以看出，外侧激光位移传感器9所测轮廓曲线需要顺时针旋转一定角度，该旋转角度α的大小为(a1‑
90)度。而内侧激光位移传感器10也需顺时针旋转一定角度，理论上该角度应为(b1
‑
90)度，然而由于两侧钢轨铺设时并非完全水平，导致同一轮对的两个车轮并非处于同水平面上，再加上车轮和车轴承载了列车所有的重量，导致车轴弯曲变形。以上因素会导致车轮内辋面并非与水平面垂直，而是呈某一角度倾斜，因此内侧激光位移传感器10所测轮廓曲线的旋转角度就不再是(b1
‑
90)度，实际旋转角度会随不同车轮而不同。但内侧激光位移传感器10所测轮廓曲线中内辋面段仍为直线(图6中曲线(a)中的直线段)，因此本实施例先根据直线方程计算出旋转角度α。
61.内侧激光位移传感器10所测轮廓曲线中车轮内辋面的直线段相对于水平方向的倾斜角度b(将内辋面的直线段旋转为水平的旋转角度)可采用如下方法计算得到：取曲线(a)上与内辋面段相对应的倾斜直线上的任意两点(比如该倾斜直线上的两个端点(x1，y1)和(xn，yn))，即可计算其倾斜角度：
[0062][0063]
多次取点进行计算，得到一系列的角度正切值tanb1，tanb2，tanb3，
……
，tanbk，再对这些正切值取平均值，得到：
[0064]
tan b＝(tan b1+tan b2+tan b3+......+tan bk)/k
[0065]
因此，将内辋面段直线旋转为垂直时的旋转角度α取(b
‑
90)度，则旋转公式中：
[0066][0067]
[0068]
将图6中经过滤无效数据后的曲线按照上述旋转角度分别进行旋转后的两条曲线如图7所示，曲线(a)为内侧激光位移传感器10所测旋转后的曲线，曲线(b)为外侧激光位移传感器9所测旋转后的曲线。
[0069]
步骤五、曲线拼接与整合
[0070]
以内侧激光位移传感器10所测轮廓曲线的端点作为特征点，将两个传感器所测旋转后的曲线进行拼接，该端点处的斜率相对较大，对轮缘参数的测量影响较小。拼接后再对两条曲线的x坐标和y坐标重新进行整合，整合时由于实际测量的内辋面上各点的x坐标均不一致，所以取内辋面x坐标的平均值，再将该平均值整合为0，整合后得到的轮廓曲线如图8所示。
[0071]
上述曲线拼接的方法具体为：先获取内侧激光位移传感器10所测轮廓线旋转后曲线的最大值a1以及端点值a2，再获取外侧激光位移传感器9所测轮廓线旋转后曲线的最大值b1，并在外侧激光位移传感器9所测轮廓线旋转后曲线中找到b2＝b1‑
(a1‑
a2)的点，由于所测曲线为断续的点，因此若曲线中没有刚好与b2对应的点，则找到b2左右两点的坐标(x1，y1)和(x2，y2)(y坐标刚好大于b2和刚好小于b2的两点的坐标)，并用以下公式计算b2处的x坐标：
[0072][0073]
以(x
b2
，b2)点进行拼接即得到拼接后的轮廓线。
[0074]
步骤六、轮缘参数的计算
[0075]
得到轮廓曲线后，以《tb/t449
‑
2003机车车辆车轮轮缘踏面外形》中规定的测量基准计算轮缘高、轮缘厚和轮缘综合值三个参数。若某个轮缘参数的测量点处无测量值，采用下面的公式近似计算：
[0076][0077][0078]
其中，若知道某测量点的y坐标，求该点的x坐标时，用公式(1)进行近似计算，其中y1和y2分别为大于及小于上述y坐标，且与该y坐标最接近的两个点的y坐标值，(x1，y1)、(x2，y2)即为对应两点的坐标。若知道某测量点的x坐标，求该点的y坐标时，用公式(2)进行近似计算，其中x1和x2分别为大于及小于上述x坐标，且与该x坐标最接近的两个点的x坐标值，(x1，y1)、(x2，y2)即为对应两点的坐标。
[0079]
另外，将内侧激光位移传感器10所测轮廓曲线按角度b进行旋转，旋转中心为(0，0)点，得到内辋水平的轮廓曲线，进一步得到内侧激光位移传感器10到车轮内辋面的距离l1；同理，可以得到另一侧钢轨的内侧激光位移传感器10到车轮内辋面的距离l2；若两激光位移传感器之间的安装距离为l，则轮对内侧距为d＝l+l1+l2。
[0080]
以上示意性的对本实用新型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实用新型的实施方式之一，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，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，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，均应属于本实用新型的保护范围。