一種基于激光傳感器的城軌車輛車輪直徑檢測裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于激光傳感器的城軌車輛車輪直徑檢測裝置。該裝置包括中央處理單元和多個(gè)激光傳感器，所述激光傳感器均與中央處理單元連接；檢測區(qū)段的鋼軌向外偏移，且該檢測區(qū)段的鋼軌內(nèi)側(cè)設(shè)置護(hù)軌，護(hù)軌與車輪輪緣內(nèi)側(cè)相切；激光傳感器設(shè)置于鋼軌偏移所空出的區(qū)域與護(hù)軌之間，激光傳感器的探頭沿鋼軌方向排列且均位于車輪下方，所有激光傳感器與進(jìn)行直徑測量的車輪圓周共面。該方法使用多個(gè)激光傳感器，將其按照一定幾何關(guān)系安裝在車輪下方，傳感器同時(shí)探測車輪得到探測點(diǎn)，通過最小二乘擬合得到初始直徑，而后對初始直徑求均值得到車輪直徑。本實(shí)用新型在線非接觸式測量具有速度快、精度高、測量直徑范圍大的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種基于激光傳感器的城軌車輛車輪直徑檢測裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及鐵路車輪檢測領(lǐng)域，特別是一種基于激光傳感器的城軌車輛車輪直徑檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]城軌車輛在運(yùn)行的過程中會出現(xiàn)不同程度的磨耗，磨耗對車輪安全運(yùn)行會產(chǎn)生影響，而其中磨耗導(dǎo)致的車輪直徑變化尤為關(guān)鍵。列車正線運(yùn)行中，同軸及同轉(zhuǎn)向架輪徑差均有限度要求，同軸輪徑差過大容易導(dǎo)致輪對擦傷，同一輪對輪徑差過大還容易導(dǎo)致輪緣偏磨或列車異常振動，因此對車輪直徑的測量對列車安全運(yùn)行有著重要意義。
[0003]常用的圓弧半徑測量方法包括卡尺法和弓高弦長法，其中卡尺法適用于精度要求不高的場合，測量范圍受弧長的限制，卡尺量程受橫向定位架的限制；而弓高弦長法的操作比較繁瑣，該兩種方法通常用于對工件做靜態(tài)的離線測量。中國專利CN201159640Y (鐵路車輪直徑測量裝置，申請?zhí)?200820055350.8，申請日:2008-02-02)公開了一種弓高弦長法測量車輪半徑裝置，檢修方法屬于手工測量和離線自動測量，當(dāng)車輪行駛一段時(shí)間后需定期送車間進(jìn)行檢修。這種靜態(tài)離線測量采用專用量具或萬能量具人工檢測，存在檢測結(jié)果誤差大、準(zhǔn)確性差、返工率高、工作效率低、勞動強(qiáng)度大等缺點(diǎn)。
[0004]非接觸式的在線測量輪對直徑或輪對幾何參數(shù)逐漸發(fā)展起來，中國專利CN1899904A (列車輪對尺寸在線檢測方法及裝置，申請?zhí)?200510035961.7申請日:2005-07-20)，在每根鋼軌的兩側(cè)安裝一定距離的激光位移傳感器，傳感器從鋼軌的底側(cè)斜向上測量，從而記錄車輪踏面數(shù)據(jù)，并基于列車移動的速度計(jì)算經(jīng)過兩個(gè)激光傳感器弦長得到直徑。該方法的缺點(diǎn)為，需要同時(shí)利用列車速度信息，不能獨(dú)立完成直徑的測量，且利用單個(gè)激光傳感器記錄踏面信息，會由于踏面的變化無法精確定位直徑所在位置。中國專利CN101219672A (基于激光的車輪直徑非接觸式動態(tài)測量方法，申請?zhí)?200810056339.8申請日:2008-01-16)采用兩個(gè)激光位移傳感器直接照射車輪踏面滾動面，通過安裝傳感器的幾何位置關(guān)系測量車輪直徑，該方法的缺點(diǎn)為探測線沒有解決對準(zhǔn)問題，而同樣近似斜切法，無法精確描述車輪直徑。綜上，目前的非接觸式車輪直徑測量技術(shù)仍然存在測量精度不高、測量響應(yīng)速度慢、工程實(shí)施困難等缺點(diǎn)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的在于提供一種高精度的基于激光傳感器的城軌車輛車輪直徑檢測裝置，采用非接觸式測量，檢測速度快、測量范圍大。
[0006]實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)解決方案為:一種基于激光傳感器的城軌車輛車輪直徑檢測裝置，包括中央處理單元和多個(gè)激光傳感器，所述激光傳感器均與中央處理單元連接；檢測區(qū)段的鋼軌向外偏移，且該檢測區(qū)段的鋼軌內(nèi)側(cè)設(shè)置護(hù)軌，護(hù)軌與車輪輪緣內(nèi)側(cè)相切；激光傳感器設(shè)置于鋼軌偏移所空出的區(qū)域與護(hù)軌之間，激光傳感器的探頭沿鋼軌方向排列且均位于車輪下方，所有激光傳感器與進(jìn)行直徑測量的車輪圓周共面。[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的顯著優(yōu)點(diǎn)在于:(1)基于激光檢測系統(tǒng)，通過最小二乘擬合的算法，實(shí)現(xiàn)對列車車輪在線非接觸測量，測量精度高；(2)由激光傳感器自動獲取車輪任意多點(diǎn)坐標(biāo)，通過相應(yīng)數(shù)據(jù)處理算法，獲得當(dāng)下所測車輪直徑，操作簡單、方便快捷；(3)具有檢測速度快、測量范圍大的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為車輪踏面運(yùn)行后的磨耗示意圖。
[0009]圖2為基于激光傳感器的城軌車輛車輪直徑檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖3為城軌車輛車輪直徑檢測裝置中鋼軌切換處的示意圖。
[0011]圖4為鋼軌偏移的距離Q與護(hù)軌的尺寸破面示意圖。
[0012]圖5為實(shí)施例1中激光傳感器圓弧法線安裝的車輪直徑檢測示意圖。
[0013]圖6為實(shí)施例1中各個(gè)激光傳感器的測量值隨時(shí)間t (ms)的關(guān)系。
[0014]圖7為實(shí)施例1中某一時(shí)刻探測序列點(diǎn)(Xi, Yi)及其擬合后的圓。
[0015]圖8為實(shí)施例1中所有有效測量數(shù)據(jù)值擬合所得到的全部直徑。
[0016]圖9為實(shí)施例1中重復(fù)測量20次直徑所得結(jié)果示意圖。
[0017]圖10為實(shí)施例2中激光傳感器圓弧垂直安裝的車輪直徑檢測示意圖。
[0018]圖11為實(shí)施例2中各個(gè)激光傳感器的測量值隨時(shí)間t (ms)的關(guān)系。
[0019]圖12為實(shí)施例2中某一時(shí)刻探測序列點(diǎn)(Xi, Yi)及其擬合后的圓。
[0020]圖13為實(shí)施例2中所有有效測量數(shù)據(jù)值擬合所得到的全部直徑。
[0021]圖14為實(shí)施例2中重復(fù)測量20次直徑所得結(jié)果示意圖。
[0022]圖15為實(shí)施例3中激光傳感器直線傾斜安裝的車輪直徑檢測示意圖。
[0023]圖16為實(shí)施例3中各個(gè)激光傳感器的測量值隨時(shí)間t (ms)的關(guān)系。
[0024]圖17為實(shí)施例3中某一時(shí)刻探測序列點(diǎn)(Xi, Yi)及其擬合后的圓。
[0025]圖18為實(shí)施例3中所有有效測量數(shù)據(jù)值擬合所得到的全部直徑。
[0026]圖19為實(shí)施例3中重復(fù)測量20次直徑所得結(jié)果示意圖。
[0027]圖20為實(shí)施例4中激光傳感器直線垂直安裝的車輪直徑檢測示意圖。
[0028]圖21為實(shí)施例4中各個(gè)激光傳感器的測量值隨時(shí)間t (ms)的關(guān)系。
[0029]圖22為實(shí)施例4中某一時(shí)刻探測序列點(diǎn)(Xi, Yi)及其擬合后的圓。
[0030]圖23為實(shí)施例4中所有有效測量數(shù)據(jù)值擬合所得到的全部直徑。
[0031]圖24為實(shí)施例4中重復(fù)測量20次直徑所得結(jié)果示意圖。
[0032]圖25為實(shí)施例5中激光傳感器指定安裝的車輪直徑檢測示意圖。
[0033]圖26為實(shí)施例5中各個(gè)激光傳感器的測量值隨時(shí)間t (ms)的關(guān)系。
[0034]圖27為實(shí)施例5中某一時(shí)刻探測序列點(diǎn)(Xi, Yi)及其擬合后的圓。
[0035]圖28為實(shí)施例5中所有有效測量數(shù)據(jù)值擬合所得到的全部直徑。
[0036]圖29為實(shí)施例5中重復(fù)測量20次直徑所得結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0038]圖1中表示出了某車輪運(yùn)行過后的踏面形狀與剛投入運(yùn)行時(shí)踏面形狀，可以看出距離輪緣側(cè)面處70mm為磨耗集中處，該處為工程中常用的衡量直徑所在位置，而車輪直徑往往控制在770?840mm之間，故激光傳感器探測點(diǎn)選取為該處的車輪圓周。
[0039]本實(shí)用新型基于激光傳感器的城軌車輛車輪直徑檢測裝置，包括中央處理單元和多個(gè)激光傳感器，所述激光傳感器均與中央處理單元連接；檢測區(qū)段的鋼軌向外偏移，且該檢測區(qū)段的鋼軌內(nèi)側(cè)設(shè)置護(hù)軌，護(hù)軌與車輪輪緣內(nèi)側(cè)相切；激光傳感器設(shè)置于鋼軌偏移所空出的區(qū)域與護(hù)軌之間，激光傳感器的探頭沿鋼軌方向排列且均位于車輪下方，所有激光傳感器與進(jìn)行直徑測量的車輪圓周共面。
[0040]如圖2所示，在檢測區(qū)段將鋼軌6外偏，空出一定區(qū)域，將激光傳感器探頭3安裝在車輪I的測量點(diǎn)下方，在輪緣內(nèi)側(cè)設(shè)置護(hù)軌5以防止輪對蛇行或軸向竄動造成脫軌，激光傳感器探頭3通過傳感器夾具4固定，并可以調(diào)整激光傳感器探頭3的位置和傾角，各個(gè)激光傳感器探頭3發(fā)出的激光光束2能夠同時(shí)檢測到車輪上的對應(yīng)檢測點(diǎn)。
[0041]如圖3所示，鋼軌向外偏移的切換處為弧形，有利于列車進(jìn)入和退出探測區(qū)。圖4說明了鋼軌向外偏移的具體尺寸Q，針對車輪踏面和60軌，Q控制在50?65mm之間，使得軌道中心線不超出車輪的外緣。護(hù)軌高出輪緣的尺寸P，控制在30?50mm之間。進(jìn)行直徑測量的車輪圓周距離車輪輪緣側(cè)面的距離為70mm。
[0042]由于待測的車輪與軌道長期接觸，表面光滑粗糙度低，因此涉及到利用激光掃描測頭對鏡面反射很強(qiáng)的金屬曲面進(jìn)行輪廓測量，該被測對象是目前形貌測量領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)。張良等分析了現(xiàn)有的幾種激光測頭對金屬表面的測量能力，得出了錐光偏振全息探頭和斜射式三角探頭較適合測量金屬曲面(張良，費(fèi)致根，郭俊杰.激光掃描測頭對金屬曲面測量研究，機(jī)床與液壓，第39卷第9期:2011年5月)。故本實(shí)用新型涉及的激光傳感器，優(yōu)選錐光偏振全息探頭和斜射式三角探頭，激光傳感器的數(shù)量為3?10且所有激光傳感器的探頭通過傳感器夾具固定于車輪下方。
[0043]使用上述基于激光傳感器的城軌車輛車輪直徑檢測裝置進(jìn)行車輪直徑檢測的方法，包括以下步驟:
[0044]第I步，將各激光傳感器安裝于鋼軌偏移所空出的區(qū)域，使各個(gè)激光傳感器的探頭沿鋼軌方向排列且均位于車輪下方，所有激光傳感器與進(jìn)行直徑測量的車輪圓周共面，激光傳感器記為Pi,沿著鋼軌方向i依次為1，2，...n，n為激光傳感器的個(gè)數(shù)；
[0045]第2步，在進(jìn)行直徑測量的車輪圓周所在平面上建立二維坐標(biāo)系:沿鋼軌方向?yàn)閄軸，經(jīng)過第一個(gè)激光傳感器P1且垂直于鋼軌向上為Y軸，則激光傳感器的坐標(biāo)為(Xi，Yi)，各個(gè)激光傳感器探頭相對于X軸的安裝傾角為9 i ；
[0046]第3步，采集所有激光傳感器的輸出值，并選出同時(shí)有n個(gè)傳感器輸出值的有效數(shù)據(jù)組{Si}，Si為第i個(gè)傳感器Pi的輸出值，i = l,2,...n ；
[0047]第4步，根據(jù)傳感器Pi的輸出值S1、坐標(biāo)值(Xi，yi)、安裝傾角e丨確定車輪上對應(yīng)傳感器Pi的測量點(diǎn)坐標(biāo)(Xi, Yi):
[0048](Xi, Yi) = (Xi, Yi) + (Si X cos 9。Si X sin 9 J i = I, 2...n
[0049]第5步，根據(jù)車輪上n個(gè)測量點(diǎn)坐標(biāo)(Xi, Yi)進(jìn)行擬合圓，得到該測量位置的車輪直徑D ;采用最小二乘法進(jìn)行擬合圓，公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光傳感器的城軌車輛車輪直徑檢測裝置，其特征在于，包括中央處理單元和多個(gè)激光傳感器，所述激光傳感器均與中央處理單元連接；檢測區(qū)段的鋼軌向外偏移，且該檢測區(qū)段的鋼軌內(nèi)側(cè)設(shè)置護(hù)軌，護(hù)軌與車輪輪緣內(nèi)側(cè)相切；激光傳感器設(shè)置于鋼軌偏移所空出的區(qū)域與護(hù)軌之間，激光傳感器的探頭沿鋼軌方向排列且均位于車輪下方，所有激光傳感器與進(jìn)行直徑測量的車輪圓周共面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光傳感器的城軌車輛車輪直徑檢測裝置，其特征在于，所述檢測區(qū)段鋼軌向外偏移50?65mm，且該鋼軌向外偏移的切換處為弧形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光傳感器的城軌車輛車輪直徑檢測裝置，其特征在于，所述進(jìn)行直徑測量的車輪圓周距離車輪輪緣側(cè)面的距離為70mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光傳感器的城軌車輛車輪直徑檢測裝置，其特征在于，所述激光傳感器的數(shù)量為為n且3 < n < 10。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光傳感器的城軌車輛車輪直徑檢測裝置，其特征在于，所述激光傳感器的探頭為錐光偏振全息探頭或斜射式三角探頭，且所有激光傳感器的探頭通過傳感器夾具固定于車輪下方。
【文檔編號】B61K9/12GK203605916SQ201320708850
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】邢宗義, 張永, 陳岳劍 申請人:南京理工大學(xué)