一种列车车轮直径检测的方法及其系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种列车车轮直径检测的方法及其系统，通过激光发射和接收装置接收到一组列车车轮经过时的时间序列，结合现场安装的安装参数，首先计算出车轮经过时的瞬时速度，在通过速度计算出激光在车轮上划过的弦长，最后通过相应算法计算出车轮直径。本发明只需采用两个激光发射接收装置，大量节省成本；不需要额外的车速检测装置即可得到列车的瞬时速度；两个激光发射接收装置独立计算出车轮直径，并对结果求平均，可以极大的减小误差。
【专利说明】
-种列车车轮直径检测的方法及其系统
技术领域
[0001] 本发明属于轨道车辆在线监测技术领域，特别是一种列车车轮直径检测的方法及 其系统。
【背景技术】
[0002] 在城市轨道交通中，车轮是走行部中的损耗最大的部件之一。车轮的状态与列车 的安全运营密切相关，如列车运营对车轮的尺寸有着严格的要求，使用不合要求的车轮会 使列车运行中发生颠鑛甚至脱轨等安全事故。其中车轮直径作为车轮状态的重要指标之 一，对列车安全运行有很大的影响。因此，对车轮直径的检测是十分必要的。
[0003] 目前，在轮对尺寸检测方面，目前还广泛采用人工测量的方式。人工测量采用轮径 尺，在测量过程中受人工的力度、工人测量的熟练度W及现场条件有密切关系，人工测量存 在较大的误差。另一方面，由于列车车轮数目较多，采用人工测量方式耗时较大，检修效率 极低。
[0004] 近年来，随着激光及图像技术的发展，出现了一批非接触式的轮径测量装置和方 法。如中国专利CN1899904A(列车轮对尺寸在线检测方法及装置)利用四个基于PSD的激光 位移传感器，获取列车车轮端面到激光探测器的距离，然后计算出轮缘厚、轮缘高、轮径值。 运种方法所需的激光传感器价格昂贵，对安装角度较为严格，不利于大规模推广使用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种结构布设方便、计算速度快、测量结果准确的列车车 轮直径的检测方法及其系统。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为:一种列车车轮直径检测的方法及其系统，包 括W下步骤：
[0007] 步骤1，传感器布设:沿着列车前进方向，在轨道内侧安装两个激光发射装置，分别 记为S1、S2，两个激光发射装置在同一条直线上且平行于轨道延伸方向，激光发射装置发射 的激光沿轨道延伸的垂直方向由轨道内侧射向轨道外侧;在轨道外侧依次安装两个激光接 收装置，记为R1、R2,两个激光接收装置处于同一竖直面上且该竖直面平行于轨道延伸方 向，R1接收S1发出的激光，R2接收S2发出的激光；S1、S2发射的激光与垂直于轨道延伸方向 所在面的水平线夹角分别为αι、α2,激光发射装置S1、S2处于同一水平高度且激光束之间的 间距为L，激光发射装置S1、S2所在的高度低于轨道平面W保证激光发射设备和列车的安 全；
[000引步骤2,安装参数的获取:在轨道上放置一个用于标定的轮对，获得S1发射的激光 在车轮内侧面上留下的光斑到轨道上表面水平面垂直高度为出，S2发射的激光在车轮内侧 面上留下的光斑到轨道上表面水平面垂直高度为也；
[0009]步骤3,传感器数据获取：当车轮经过时，激光接收装置R1、R2会分别经历"导 通一一截止一一导通"的状态，激光接收装置记录下各状态变化的时刻，每一个车轮会得到 由四个时刻数据组成的一组时间序列；
[0010] 步骤4,车辆速度获取：当列车经过步骤1中激光传感器安装的位置时，根据激光发 射装置S1、S2的间距LW及状态变化时的时刻数据，得到车轮通过设备时的瞬时速度；
[0011] 步骤5,车轮直径获取:根据步骤4得到的列车瞬时速度，结合车轮通过时的时刻， 得到激光打在车轮上的弦长，从而计算得到车轮直径。
[0012] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)只需采用两个激光发射接收装置，大量 节省成本；（2)不需要额外的车速检测装置即可得到列车的瞬时速度；（3)两个激光发射接 收装置独立计算出车轮直径，并对结果求平均，可W极大的减小误差；（4)具有在线非接触 式测量等优点，为实现车轮直径在线测量提供了一种精确度更高的解决方案。
[0013] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明车轮直径检测方法的流程图。
[0015] 图2是本发明车轮直径检测的传感器安装示意图。
[0016] 图3是本发明车轮直径检测的传感器布设图。
[0017] 图4是本发明车轮直径检测的传感器安装截面图。
[001引图5是本发明车轮时刻序列示意图。
[0019] 图6是直径计算原理说明图。
【具体实施方式】
[0020] 结合图1，本发明列车车轮直径检测的方法，包括W下步骤：
[0021 ]步骤1，传感器布设:如图2所示，沿着列车前进方向，在轨道内侧安装两个激光发 射装置，分别记为S1、S2,两个激光发射装置在同一条直线上且平行于轨道延伸方向，激光 发射装置发射的激光沿轨道延伸的垂直方向由轨道内侧射向轨道外侧;在轨道外侧依次安 装两个激光接收装置，记为R1、R2,两个激光接收装置处于同一竖直面上且该竖直面平行于 轨道延伸方向，R1接收S1发出的激光，R2接收S2发出的激光；S1、S2发射的激光与垂直于轨 道延伸方向所在面的水平线夹角分别为αι、〇2,如图3所示，激光发射装置S1、S2处于同一水 平高度且激光束之间的间距为L，激光发射装置S1、S2所在的高度低于轨道平面W保证激光 发射设备和列车的安全。
[0022] 所述激光发射装置由调制编码和激光发射器组成，激光接收装置由激光接收器、 放大检波器和调制解调器组成，调制编码器调制出一定频率的激光由激光发射器发出；当 激光接收器接收到激光时，会通过激光解调器对激光的频率进行解析，当激光频率符合时 记录下开始照射和结束照射的时刻，若激光频率不符合接收条件，说明该光线是噪声或干 扰，予W滤除。上述激光"接收一一判断一一记录"过程用时在30微秒W内W保证直径测量 的精度。
[0023] 所述激光发射装置S1、S2之间的距离L应满足:840mm<L<3140mm，目化应大于标准轮 对的直径值(840mm)，防止出现S1与S2发射的激光同时打在车轮上的情况，造成激光之间的 干扰和时间序列的混乱，且L应小于转向架的前后轴距（2300mm)与标准轮对的直径值 (840mm)的和值，使一个车轮测量期间不会有另一个车轮进入S1的检测区域。
[0024] 步骤2，安装参数的获取:如图4所示，在轨道上放置一个用于标定的轮对，获得SI 发射的激光在车轮内侧面上留下的光斑到轨道上表面水平面垂直高度为化，S2发射的激光 在车轮内侧面上留下的光斑到轨道上表面水平面垂直高度为此。激光束与水平夹角〇1、曰2应 满足:S1、S2发射的激光照射在车轮内侧，光斑高度低于车轮圆屯、、高于轨面且不会照射到 车轮的刹车片W及其他车底装置上。车轮内侧面为:与轨道的中屯、线所在的铅键面平行，向 轨道内侧平移70mm所在面。
[0025] 步骤3，传感器数据获取:如图5所示，当车轮经过时，激光接收装置R1、R2会分别经 历"导通一一截止一一导通"的状态，激光接收装置记录下各状态变化的时刻，每一个车轮 会得到由四个时刻数据组成的一组时间序列。时间序列有W下四个时刻依次构成:① R1由 "导通一截止"的时刻ti;②R1由"截止一导通"的时刻t2;③R2由"导通一截止"的时刻 t3;④R2由"截止一一导通"的时刻t4。
[0026] 步骤4,车辆速度获取：当列车经过步骤1中激光传感器安装的位置时，根据激光发 射装置S1、S2的间距LW及状态变化时的时刻数据，得到车轮通过设备时的瞬时速度。其中 车轮通过时的瞬时速度由下列步骤计算得出：
[0027] 第1步，根据步骤1获得激光发射装置S1、S2之间的距离L
[0028] 第2步，根据步骤3获取车轮开始遮挡S1的时刻ti和开始遮挡S2的时刻t3，W及S1、 S2激光束之间距离L求得一个瞬时速度值Vi;根据车轮离开S1的时刻t2和离开S2的时刻t4， W及S1、S2激光束之间距离L求得一个瞬时速度值V2,其中：
[0031] 第3步，对速度Vi、V2求均值获得该车轮从开始遮挡S1到最后走出S2射程期间的平 均速度
[0032]
[0033] 步骤5,车轮直径获取:根据步骤4得到的列车瞬时速度，结合车轮通过时的时刻， 得到激光打在车轮上的弦长，从而计算得到车轮直径。该车轮直径的获取方法如下：
[0034] 第1步，根据步骤4得到车轮通过时的平均速度1 了;;
[00对第2步，根据步骤3获取车轮开始遮挡S1的时刻ti和离开S1的时刻t2,求得S1在车轮 上划过的一条弦长h;根据步骤3获取车轮开始遮挡S2的时刻t3和离开S2的时刻t4,求得S2 在车轮上划过的一条弦长b，其中：
[0038]第3步，设轮缘顶点圆半径为R，轮缘高已知为h，求得S1激光在车轮内侧面上划过 的轨迹距离车轮圆屯、的垂直高度为R-Hi-h，由弦长可W通过勾股定理求得轮缘顶点圆一个 半径Ri，两倍的轮缘顶点圆直径再减去两倍的轮缘高h求得车轮直径η，即通过勾股定理
[0039]
[0040] 求得车轮的一个轮缘顶点圆半径值为：
[0041]
[0042] 两倍的轮缘顶点圆直径再减去两倍的轮缘高h求得车轮直径η
[0043]
[0044] 同理，S2激光在车轮内侧面上划过的轨迹距离车轮圆屯、的垂直高度为R-此-h，由 弦长通过勾股定理求得轮缘顶点圆另一个半径R2,两倍的轮缘顶点圆直径再减去两倍的轮 缘高h可W求得车轮直径?，即通过勾股定理
[0045]
[0046] 求得车轮的另一个轮缘顶点圆半径为：
[0047]
[004引两倍的轮缘顶点圆直径再减去两倍的轮缘高h求得车轮直径η:
[0049]
[0050] 第4步，由于两次误差权重相同，故取两次测量的平均值作为车轮直径最终测量结 果。将第3步中获取的两个车轮直径值求平均减小误差，其平均值作为列车车轮直径r:
[0化1 ]
[0052] 结合图2、图3和图4,本发明列车车轮直径检测的装置，包括与中央处理单元的两 个激光发射装置和激光接收装置，沿着列车前进方向，在轨道内侧安装两个激光发射装置， 分别记为S1、S2,两个激光发射装置在同一条直线上且平行于轨道延伸方向，激光发射装置 发射的激光沿轨道延伸的垂直方向由轨道内侧射向轨道外侧;在轨道外侧依次安装两个激 光接收装置，记为R1、R2，两个激光接收装置处于同一竖直面上且该竖直面平行于轨道延伸 方向，R1接收S1发出的激光，R2接收S2发出的激光；S1、S2发射的激光与垂直于轨道延伸方 向所在面的水平线夹角分别为αι、α2,激光发射装置S1、S2处于同一水平高度且激光束之间 的间距为L，激光发射装置S1、S2所在的高度低于轨道平面W保证激光发射设备和列车的安 全；
[0053] 在轨道上放置一个用于标定的轮对，获得S1发射的激光在车轮内侧面上留下的光 斑到轨道上表面水平面垂直高度为出，S2发射的激光在车轮内侧面上留下的光斑到轨道上 表面水平面垂直高度为出；
[0054] 当车轮经过时，激光接收装置R1、R2会分别经历"导通一一截止一一导通"的状态， 激光接收装置记录下各状态变化的时刻，每一个车轮会得到由四个时刻数据组成的一组时 间序列；
[0055] 所述中央处理单元包括车辆速度获取模块和车轮直径获取模块，在车辆速度获取 模块中，当列车经过激光传感器安装的位置时，根据激光发射装置S1、S2的间距LW及状态 变化时的时刻数据，得到车轮通过设备时的瞬时速度;在车轮直径获取模块中，根据列车瞬 时速度，结合车轮通过时的时刻，得到激光打在车轮上的弦长，从而计算得到车轮直径。
[0056] 下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明
[0057] 实施例
[0058] 结合图3和图4,在轨道内侧依次安装四个激光发射装置，发射装置位置距离轨道 内侧为0.45m，角度α为36°，实测激光发射装置S1、S2的激光束之间的距离^为1.202mDSl的 光斑在内侧面的高度出=215mm，S2的光斑在内侧面的高度出=213mm，车轮的轮缘高为已 知，h = 29.3mm。
[0059] 根据步骤3的方法，规定车速为5km/h通过设备，通过设备可W得到列车的时间序 列。取其中一个序列进行计算演示:ti = 1.076s; t2 = 1.644s; t3 = 1.942s; t4= 2.508s。
[0060] 根据步骤4中方法，结合L的数值，计算得到列车的瞬时速度为：
[0061 ] V = 1.3896樹/x
[0062]根据步骤5中方法，将步骤3中测得的列车的速度带入半径计算公式，可W测得该 车轮的轮缘顶点圆直径为881.1878mm，车轮直径为822.5878mm。本次计算的车轮直径的人 工测量值为822.6mm，可见该方法能有效准确的测量车轮直径。
【主权项】
1. 一种列车车轮直径检测的方法，其特征在于包括W下步骤： 步骤1，传感器布设:沿着列车前进方向，在轨道内侧安装两个激光发射装置，分别记为 S1、S2,两个激光发射装置在同一条直线上且平行于轨道延伸方向，激光发射装置发射的激 光沿轨道延伸的垂直方向由轨道内侧射向轨道外侧;在轨道外侧依次安装两个激光接收装 置，记为R1、R2,两个激光接收装置处于同一竖直面上且该竖直面平行于轨道延伸方向，R1 接收S1发出的激光，R2接收S2发出的激光;S1、S2发射的激光与垂直于轨道延伸方向所在面 的水平线夹角分别为〇1、〇2,激光发射装置S1、S2处于同一水平高度且激光束之间的间距为 L，激光发射装置S1、S2所在的高度低于轨道平面W保证激光发射设备和列车的安全； 步骤2,安装参数的获取:在轨道上放置一个用于标定的轮对，获得S1发射的激光在车 轮内侧面上留下的光斑到轨道上表面水平面垂直高度为化，S2发射的激光在车轮内侧面上 留下的光斑到轨道上表面水平面垂直高度为出； 步骤3，传感器数据获取：当车轮经过时，激光接收装置R1、R2会分别经历"导通一一截 止一一导通"的状态，激光接收装置记录下各状态变化的时刻，每一个车轮会得到由四个时 刻数据组成的一组时间序列； 步骤4，车辆速度获取：当列车经过步骤1中激光传感器安装的位置时，根据激光发射装 置S1、S2的间距LW及状态变化时的时刻数据，得到车轮通过设备时的瞬时速度； 步骤5,车轮直径获取:根据步骤4得到的列车瞬时速度，结合车轮通过时的时刻，得到 激光打在车轮上的弦长，从而计算得到车轮直径。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1中，激光发射装置由调制编码和激光 发射器组成，激光接收装置由激光接收器、放大检波器和调制解调器组成，调制编码器调制 出一定频率的激光由激光发射器发出；当激光接收器接收到激光时，会通过激光解调器对 激光的频率进行解析，当激光频率符合时记录下开始照射和结束照射的时刻，若激光频率 不符合接收条件，说明该光线是噪声或干扰，予W滤除。上述激光"接收一一判断一一记录" 过程用时在30微秒W内W保证直径测量的精度。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1中的激光发射装置S1、S2之间的距离L 应满足:840mm<L<3140mm，目化应大于标准轮对的直径值，防止出现S1与S2发射的激光同时 打在车轮上的情况，造成激光之间的干扰和时间序列的混乱，且L应小于转向架的前后轴距 与标准轮对的直径值的和值，使一个车轮测量期间不会有另一个车轮进入S1的检测区域。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2中的激光束与水平夹角αι、α2应满足： S1、S2发射的激光照射在车轮内侧，光斑高度低于车轮圆屯、、高于轨面且不会照射到车轮的 刹车片W及其他车底装置上。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2中的车轮内侧面为：与轨道的中屯、线 所在的铅键面平行，向轨道内侧平移70mm所在面。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3中的时间序列有W下四个时刻依次构 成:① R1由"导通一一截止"的时刻ti;②R1由"截止一一导通"的时刻t2;③R2由"导通一一截 止'的时刻t3 ;④R2由"截止一导通"的时刻t4。7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤4中的车轮通过时的瞬时速度由下列步 骤计算得出： 第1步，根据步骤1获得激光发射装置S1、S2之间的距离L 第2步，根据步骤3获取车轮开始遮挡SI的时刻ti和开始遮挡S2的时刻t3，W及SI、S2激 光束之间距离L求得一个瞬时速度值Vi;根据车轮离开S1的时刻t2和离开S2的时刻t4，W及 S1、S2激光束之间距离L求得一个瞬时速度值V2，其中：第3步，对速度Vi、V2求均值获得该车轮从开始遮挡S1到最后走出S2射程期间的平均速 度V ::8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤5中的车轮直径的获取方法如下： 第1步，根据步骤4得到车轮通过时的平均速度; 第2步，根据步骤3获取车轮开始遮挡S1的时刻ti和离开S1的时刻t2,求得S1在车轮上划 过的一条弦长h;根据步骤3获取车轮开始遮挡S2的时刻t3和离开S2的时刻t4,求得S2在车 轮上划过的一条弦长12,其中：第3步，设轮缘顶点圆半径为R，轮缘高已知为h，求得S1激光在车轮内侧面上划过的轨 迹距离车轮圆屯、的垂直高度为R-Hi-h，由弦长可W通过勾股定理求得轮缘顶点圆一个半径 Ri，两倍的轮缘顶点圆直径再减去两倍的轮缘高h求得车轮直径η，即通过勾股定理求得车轮的一个轮缘顶点圆半径值为：两倍的轮缘顶点圆直径再减去两倍的轮缘高h求得车轮直径ri同理，S2激光在车轮内侧面上划过的轨迹距离车轮圆屯、的垂直高度为R-出-h，由弦长通 过勾股定理求得轮缘顶点圆另一个半径R2,两倍的轮缘顶点圆直径再减去两倍的轮缘高h 可W求得车轮直径n，即通过勾股定理求得车轮的另一个轮缘顶点圆半径为：两倍的轮缘顶点圆直径再减去两倍的轮缘高h求得车轮直径η:第4步，将第3步中获取的两个车轮直径值求平均减小误差，其平均值作为车轮直径r:9. 一种列车车轮直径检测的系统，其特征在于包括与中央处理单元的两个激光发射装 置和激光接收装置，沿着列车前进方向，在轨道内侧安装两个激光发射装置，分别记为S1、 S2,两个激光发射装置在同一条直线上且平行于轨道延伸方向，激光发射装置发射的激光 沿轨道延伸的垂直方向由轨道内侧射向轨道外侧；在轨道外侧依次安装两个激光接收装 置，记为R1、R2,两个激光接收装置处于同一竖直面上且该竖直面平行于轨道延伸方向，R1 接收S1发出的激光，R2接收S2发出的激光;S1、S2发射的激光与垂直于轨道延伸方向所在面 的水平线夹角分别为αι、〇2,激光发射装置S1、S2处于同一水平高度且激光束之间的间距为 L，激光发射装置S1、S2所在的高度低于轨道平面W保证激光发射设备和列车的安全； 在轨道上放置一个用于标定的轮对，获得S1发射的激光在车轮内侧面上留下的光斑到 轨道上表面水平面垂直高度为出，S2发射的激光在车轮内侧面上留下的光斑到轨道上表面 水平面垂直高度为出； 当车轮经过时，激光接收装置R1、R2会分别经历"导通一一截止一一导通"的状态，激光 接收装置记录下各状态变化的时刻，每一个车轮会得到由四个时刻数据组成的一组时间序 列； 所述中央处理单元包括车辆速度获取模块和车轮直径获取模块，在车辆速度获取模块 中，当列车经过激光传感器安装的位置时，根据激光发射装置S1、S2的间距LW及状态变化 时的时刻数据，得到车轮通过设备时的瞬时速度;在车轮直径获取模块中，根据列车瞬时速 度，结合车轮通过时的时刻，得到激光打在车轮上的弦长，从而计算得到车轮直径。
【文档编号】B61K9/00GK105835901SQ201610361653
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】刘鑫荣, 王晓龙, 邢宗义
【申请人】南京理工大学, 南京睿速轨道交通科技有限公司