本發(fā)明涉及有軌電車車輪檢測(cè)領(lǐng)域，特別是一種基于列陣激光的有軌電車車輪不圓度在線檢測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

有軌電車車輪是保障車輛行走的重要的部件，承載著有軌電車的全部靜、動(dòng)載荷。車輪在長(zhǎng)期的運(yùn)行中與軌道不斷摩擦，會(huì)產(chǎn)生不同程度的磨耗，進(jìn)而改變車輪的直徑參數(shù)。當(dāng)電車運(yùn)行時(shí)，如果車輪的同軸徑差、同架徑差、同車徑差超過(guò)一定范圍，容易造成車輪擦傷、輪緣偏磨、車體振動(dòng)異常等現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致電車車軸斷裂、側(cè)翻、脫軌等事故。因此，及時(shí)有效檢測(cè)出車輪不圓度異常情況，對(duì)保障有軌電車的安全運(yùn)行具有重要意義。

首先，由于有軌電車車輪附近存在排障器、噴砂管磁軌制動(dòng)器等遮擋物，其次有軌電車車輪在運(yùn)行中輪緣幾乎100％接地并可以承重，使得通常的直徑測(cè)量方法無(wú)法完全適用于有軌電車。列車車輪直徑檢測(cè)的方法主要可以分為靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)。目前，有軌電車的車輪直徑測(cè)量基本采用的是靜態(tài)檢測(cè)方法，該方法具有精度高的優(yōu)點(diǎn)。但需要投入大量的人力和使用專用的檢測(cè)設(shè)備，具有成本高、周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)。

目前車輪不圓度的檢測(cè)主要采用接觸式測(cè)量法和激光法，在接觸式測(cè)量方法中，較為經(jīng)典的是平行四邊形法，專利1(升降式車輪踏面插傷及不圓度在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置，申請(qǐng)?zhí)枺?00720082608.9，申請(qǐng)日：2007-12-20)和專利2(一種車輪踏面插傷和不圓度在線檢測(cè)裝置，申請(qǐng)?zhí)枺?01210307496.8，申請(qǐng)日：2012-08-27)均公開(kāi)了平行四邊形結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法及其改進(jìn)方法。該方法中位移傳感器與固定在構(gòu)成平行四邊形機(jī)構(gòu)一邊的鋼軌上的支座相連，傳感器可直接測(cè)量出車輪踏面與輪緣的相對(duì)高度的變化量，通過(guò)傳感器輸出的曲線可得出車輪的不圓度情況。但是該方法采用了接觸式測(cè)量，只是定性的分析了車輪的不圓度，沒(méi)有定量進(jìn)行分析，同時(shí)也不適合于列車高速通過(guò)的情況，精確度低，響應(yīng)速度慢。專利3(基于激光傳感器的城軌車輛車輪不圓度檢測(cè)裝置及方法，申請(qǐng)?zhí)枺?01310556634.0，申請(qǐng)日：2013.11.11)公開(kāi)了一種將一維激光位移傳感器設(shè)置在鋼軌偏移所空出的區(qū)域與護(hù)軌之間，非接觸檢測(cè)地鐵車輪不圓度的方法，該方法采用一維激光位移傳感器，檢測(cè)點(diǎn)數(shù)較少，很難完整反映車輪整體圓周，同時(shí)該方法由于設(shè)置護(hù)軌，若在穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)路線上使用該方法，需要重新設(shè)置軌道布局，幾乎很難實(shí)現(xiàn)，該方法不適用于有軌電車的車輪不圓度測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種速度快、精度高、抗干擾性強(qiáng)的基于列陣激光的有軌電車車輪不圓度在線檢測(cè)裝置及方法，從而對(duì)有軌電車的車輪不圓度進(jìn)行在線非接觸式測(cè)量。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于列陣激光的有軌電車車輪不圓度在線檢測(cè)裝置，包括槽型鋼軌、處理中心和多個(gè)激光位移傳感器，所述激光位移傳感器與處理中心連接；槽型鋼軌為只保留凹槽部分的鋼軌；在槽型鋼軌外側(cè)沿列車前進(jìn)方向的同一水平線上，依次均勻設(shè)置激光位移傳感器，各激光位移傳感器感測(cè)頭按相對(duì)于鋼軌方向傾角為90°安裝，各激光位移傳感器的感測(cè)頭沿垂直鋼軌方向向上測(cè)量，探測(cè)光束同時(shí)到達(dá)車輪且與車輪所在的圓周共面。

一種基于列陣激光的有軌電車車輪不圓度在線檢測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟1，將激光位移傳感器記為qi，沿著鋼軌方向i依次為1，2,3，…n，其中n為激光位移傳感器的個(gè)數(shù)；

步驟2，在進(jìn)行不圓度測(cè)量的有軌電車車輪圓周所在平面上建立二維坐標(biāo)系xioiyi：以激光位移傳感器qi為原點(diǎn)，沿鋼軌方向?yàn)閤軸，垂直于槽型鋼軌向上為y軸，激光位移傳感器感測(cè)頭相對(duì)于x軸安裝傾角為90°；

步驟3，為每個(gè)激光位移傳感器qi建立二維坐標(biāo)系xioiyi，以經(jīng)過(guò)各自激光位移傳感器qi感測(cè)頭為原點(diǎn)，沿鋼軌方向?yàn)閤軸，垂直于槽型鋼軌向上為y軸，激光位移傳感器qi建立二維坐標(biāo)系xioiyi為激光位移傳感器自身建立的坐標(biāo)系；采集所有激光位移傳感器的輸出值，并選出每個(gè)激光位移傳感器有10個(gè)及以上激光位移傳感器輸出值的時(shí)刻的有效數(shù)據(jù)組為第i個(gè)激光位移傳感器qi在時(shí)刻t返回的第j個(gè)的有效值在各自激光位移傳感器坐標(biāo)系xioiyi下坐標(biāo)；其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10，t＝1,2,…ω，ω為時(shí)刻總數(shù)；

步驟4，確定列車經(jīng)過(guò)激光位移傳感器qi時(shí)的速度vi：

vi＝s/δti

其中，s為激光位移傳感器自身的檢測(cè)的區(qū)間段水平長(zhǎng)度，δti為車輪從接觸到激光位移傳感器qi檢測(cè)區(qū)域最外側(cè)的激光線到離開(kāi)檢測(cè)區(qū)域的時(shí)間，并假定在激光位移傳感器qi的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)有軌電車勻速；

步驟5，數(shù)據(jù)時(shí)空融合：根據(jù)不同時(shí)刻激光位移傳感器qi的測(cè)量點(diǎn)在各自二維坐標(biāo)系xioiyi下坐標(biāo)列車經(jīng)過(guò)激光位移傳感器qi時(shí)的速度vi，確定車輪上對(duì)應(yīng)激光位移傳感器qi的測(cè)量點(diǎn)在融合坐標(biāo)系xioiyi下坐標(biāo)(xij,yij)：

其中，f為采樣頻率，t為采樣時(shí)刻，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10，t＝1,2,…ω；

步驟6，激光位移傳感器qi的所有有效測(cè)量點(diǎn)(xij,yij)，在空間位置上等分為μ段區(qū)域，利用最小二乘法進(jìn)行擬合圓，得到μ組激光位移傳感器qi的擬合直徑diμ；

步驟7，計(jì)算出所有激光位移傳感器的擬合直徑diμ，用所有車輪擬合直徑diμ中的最大值減去最小值，得到車輪不圓度的量化值e。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：(1)基于二維激光位移傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了有軌電車輪對(duì)非接觸式測(cè)量，具有激光位移傳感器標(biāo)記容易、有效測(cè)量點(diǎn)多、測(cè)量直徑范圍大的優(yōu)點(diǎn)；(2)采用槽型鋼軌，便于激光位移傳感器的安裝和測(cè)量；(3)具有檢測(cè)精度高，響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為有軌電車車輪踏面示意圖。

圖2為60r槽型鋼軌與經(jīng)過(guò)特殊處理的槽軌對(duì)比示意圖，其中(a)為60r槽型鋼軌結(jié)構(gòu)圖，(b)為經(jīng)過(guò)處理的槽型鋼軌結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明的有軌電車車輪直徑在線檢測(cè)的裝置整體結(jié)構(gòu)圖。

圖4為本發(fā)明的有軌電車車輪直徑在線檢測(cè)的裝置俯視圖。

圖5為本發(fā)明的有軌電車車輪直徑在線檢測(cè)的裝置主視圖。

圖6為本發(fā)明的有軌電車車輪直徑在線檢測(cè)的裝置側(cè)視圖。

圖7為本發(fā)明具體方法的整體流程圖。

圖8為實(shí)施例中隨機(jī)生成的激光位移傳感器1在多時(shí)刻有效測(cè)量點(diǎn)時(shí)空還原分布示意圖。

圖9為實(shí)施例中隨機(jī)生成的激光位移傳感器1在多時(shí)刻有效測(cè)量點(diǎn)時(shí)空還原分段區(qū)域示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

圖1中表示出了有軌電車車輪踏面示意圖，可以看出距離輪緣內(nèi)測(cè)基準(zhǔn)面57mm處踏面上的點(diǎn)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520-600mm之間，故激光位移傳感器進(jìn)行探測(cè)時(shí)選取該處的圓周來(lái)計(jì)算車輪不圓度。

本發(fā)明基于列陣激光的有軌電車車輪不圓度在線檢測(cè)裝置，包括槽型鋼軌、處理中心和多個(gè)激光位移傳感器，所述激光位移傳感器與處理中心連接；槽型鋼軌為只保留凹槽部分的鋼軌；在槽型鋼軌外側(cè)沿列車前進(jìn)方向的同一水平線上，依次均勻設(shè)置激光位移傳感器，各激光位移傳感器感測(cè)頭按相對(duì)于鋼軌方向傾角為90°安裝，各激光位移傳感器的感測(cè)頭沿垂直鋼軌方向向上測(cè)量，探測(cè)光束同時(shí)到達(dá)車輪且與車輪所在的圓周共面。

如圖2所示，所述槽型鋼軌的型號(hào)為60r，只保留凹槽部分，其中圖2(a)為60r槽型鋼軌結(jié)構(gòu)圖，圖2(b)為經(jīng)過(guò)處理的槽型鋼軌結(jié)構(gòu)圖。

進(jìn)行不圓度測(cè)量的車輪圓周距離車輪輪緣內(nèi)側(cè)基準(zhǔn)面的距離為57mm。如圖3～6所示，所述激光位移傳感器為二維激光位移傳感器，激光位移傳感器的數(shù)量為n，且8≤n≤25；檢測(cè)區(qū)間段的水平線長(zhǎng)度為l，且1900mm≤l≤2500mm。激光位移傳感器安裝在槽型鋼軌外側(cè)，并均勻排列在同一水平線上，激光位移傳感器安裝點(diǎn)距離槽型鋼軌上沿平面的垂直距離為h，且160mm≤h≤290mm。所述激光位移傳感器感測(cè)頭發(fā)出的探測(cè)光束與車輪直徑所在圓周，即距輪緣內(nèi)測(cè)基準(zhǔn)面57mm處踏面上的點(diǎn)所在的圓周共面，且所有激光位移傳感器的感測(cè)頭均通過(guò)激光位移傳感器夾具固定在車輪下方。

結(jié)合圖7，本發(fā)明基于列陣激光的有軌電車車輪不圓度在線檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，將激光位移傳感器記為qi，沿著鋼軌方向i依次為1，2,3，…n，其中n為激光位移傳感器的個(gè)數(shù)；

步驟2，在進(jìn)行不圓度測(cè)量的有軌電車車輪圓周所在平面上建立二維坐標(biāo)系xioiyi：以激光位移傳感器qi為原點(diǎn)，沿鋼軌方向?yàn)閤軸，垂直于槽型鋼軌向上為y軸，激光位移傳感器感測(cè)頭相對(duì)于x軸安裝傾角為90°；

步驟3，為每個(gè)激光位移傳感器qi建立二維坐標(biāo)系xioiyi，以經(jīng)過(guò)各自激光位移傳感器qi感測(cè)頭為原點(diǎn)，沿鋼軌方向?yàn)閤軸，垂直于槽型鋼軌向上為y軸，激光位移傳感器qi建立二維坐標(biāo)系xioiyi為激光位移傳感器自身建立的坐標(biāo)系；采集所有激光位移傳感器的輸出值，并選出每個(gè)激光位移傳感器有10個(gè)及以上激光位移傳感器輸出值的時(shí)刻的有效數(shù)據(jù)組為第i個(gè)激光位移傳感器qi在時(shí)刻t返回的第j個(gè)的有效值在各自激光位移傳感器坐標(biāo)系xioiyi下坐標(biāo)；其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10，t＝1,2,…ω，ω為時(shí)刻總數(shù)；

步驟4，確定列車經(jīng)過(guò)激光位移傳感器qi時(shí)的速度vi：

vi＝s/δti

其中，s為激光位移傳感器自身的檢測(cè)的區(qū)間段水平長(zhǎng)度，δti為車輪從接觸到激光位移傳感器qi檢測(cè)區(qū)域最外側(cè)的激光線到離開(kāi)檢測(cè)區(qū)域的時(shí)間，并假定在激光位移傳感器qi的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)有軌電車勻速；

步驟5，數(shù)據(jù)時(shí)空融合：根據(jù)不同時(shí)刻激光位移傳感器qi的測(cè)量點(diǎn)在各自二維坐標(biāo)系xioiyi下坐標(biāo)列車經(jīng)過(guò)激光位移傳感器qi時(shí)的速度vi，確定車輪上對(duì)應(yīng)激光位移傳感器qi的測(cè)量點(diǎn)在融合坐標(biāo)系xioiyi下坐標(biāo)(xij,yij)：

其中，f為采樣頻率，t為采樣時(shí)刻，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10，t＝1,2,…ω；在較短時(shí)間間隔內(nèi)，車輪前進(jìn)走過(guò)的弧長(zhǎng)，近似等于弦長(zhǎng)；

步驟6，激光位移傳感器qi的所有有效測(cè)量點(diǎn)(xij,yij)，在空間位置上等分為μ段區(qū)域，利用最小二乘法進(jìn)行擬合圓，得到μ組激光位移傳感器qi的擬合直徑diμ；

所述利用最小二乘法進(jìn)行擬合圓，公式如下：

其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10，a為擬合后的圓心橫坐標(biāo)xa的-2倍即a＝-2xa，b為擬合后的圓心縱坐標(biāo)yb的-2倍即b＝-2yb，并且

其中c、d、e、g、h為中間參數(shù)，分別如下：

d＝λ∑xijyij-∑xij∑yij

其中，λ為所有激光位移傳感器有效測(cè)量點(diǎn)的個(gè)數(shù)，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10。

步驟7，計(jì)算出所有激光位移傳感器的擬合直徑diμ，用所有車輪擬合直徑diμ中的最大值減去最小值，得到車輪不圓度的量化值e。

下面結(jié)合具體實(shí)施例，介紹基于列陣激光的有軌電車車輪不圓度在線檢測(cè)的裝置及方法，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例

本實(shí)施例為一種基于列陣激光的有軌電車車輪不圓度在線檢測(cè)裝置及方法。

如圖3～6所示，n個(gè)激光位移傳感器的感測(cè)頭沿鋼軌方向排列且均布在水平線上，激光位移傳感器的安裝參數(shù)滿足以下條件：各個(gè)激光位移傳感器感測(cè)頭相對(duì)于x軸按一定傾斜角度安裝。本例中，安裝傾角為α均為90°，激光位移傳感器的個(gè)數(shù)n為8，相鄰激光位移傳感器間隔250mm，激光位移傳感器的安裝點(diǎn)至鋼軌的垂直距離為h為200mm。從而得到各激光位移傳感器的坐標(biāo)(xi,yi)(單位：mm)：

xi＝200*(i-1)i＝1,2,…8；

yi＝0i＝1,2,3…8；

其中i表示第i個(gè)激光位移傳感器；

設(shè)激光位移傳感器的采樣周期為0.5khz，由計(jì)算機(jī)模擬隨機(jī)產(chǎn)生直徑為560的被測(cè)車輪測(cè)量數(shù)據(jù)(xij,yij)。以激光位移傳感器q1為例，將其多個(gè)時(shí)刻測(cè)量點(diǎn)經(jīng)過(guò)時(shí)空還原到同一坐標(biāo)系中。

如圖8所示，激光位移傳感器q1在時(shí)刻1～6測(cè)量點(diǎn)在融合坐標(biāo)系x1o1y1下坐標(biāo)如下：

激光位移傳感器q1的時(shí)刻1測(cè)量點(diǎn)在融合坐標(biāo)系x1o1y1下坐標(biāo)如下：橫坐標(biāo)矩陣：x1＝[206.5783194.9877181.0333168.0856156.2222144.0566131.6859120.0033110.476797.9349188.9811779.3126368.6265860.871751.5899544.7931337.59423]；縱坐標(biāo)矩陣：y1＝[208.7713212.6791217.5993222.2207228.8709234.462242.0627248.767257.1194265.9182275.5444285.1082295.1761305.6184316.3389327.6765339.7944]。

激光位移傳感器q1的時(shí)刻2測(cè)量點(diǎn)在融合坐標(biāo)系x1o1y1下坐標(biāo)如下：橫坐標(biāo)矩陣：x1＝[280.5339263.554248.9758233.1141218.6232201.8885187.6237172.6668158.8433144.261130.5154118.9566104.80794.3207882.43429]；縱坐標(biāo)矩陣：y1＝[199.3029199.7845201.0503203.3346206.2382210.4601215.0685220.4254227.269234.7483242.2772251.1192260.1964271.2202281.6179]。

激光位移傳感器q1的時(shí)刻3測(cè)量點(diǎn)在融合坐標(biāo)系x1o1y1下坐標(biāo)如下：橫坐標(biāo)矩陣：x1＝[353.0898340.2517327.6059314.4261300.6171288.3346274.7865262.2154250.4251236.3349223.7996211.1537198.7539187.7232174.0182162.3552151.3488140.7547]；縱坐標(biāo)矩陣：y1＝[209.0656206.402203.2701201.4479200.3333199.3972199.2775199.8302200.9618203.0646204.6843207.7908211.1943215.2997220.0779224.8378230.758237.214]。

激光位移傳感器q1的時(shí)刻4測(cè)量點(diǎn)在融合坐標(biāo)系x1o1y1下坐標(biāo)如下：橫坐標(biāo)矩陣：x1＝[419.1902407.2448393.8888380.2132366.6765351.9828338.9131324.6659309.303294.8513280.8158265.7314251.323236.1872221.4489206.6736]；縱坐標(biāo)矩陣：y1＝[237.0422230.3397223.5168218.2573213.4843209.2359205.9409202.7153200.7344200.0203199.6671199.8458200.7554202.9973205.3238209.0172]。

激光位移傳感器q1的時(shí)刻5測(cè)量點(diǎn)在融合坐標(biāo)系x1o1y1下坐標(biāo)如下：橫坐標(biāo)矩陣：x1＝[477.9724467.3674458.0994445.8428435.3079424.3103412.5991398.74387.9452374.2455360.909348.1387334.3635321.8683306.599294.2479280.4504]；縱坐標(biāo)矩陣：y1＝[281.1547272.026263.5051254.4185246.9072239.7355232.7075226.3752220.7868215.8208211.4338207.7927205.0897202.5601201.1051199.9434199.4701]。

激光位移傳感器q1的時(shí)刻6測(cè)量點(diǎn)在融合坐標(biāo)系x1o1y1下坐標(biāo)如下：橫坐標(biāo)矩陣：x1＝[523.2568516.5244508.0178500.5786493.6177484.0617475.4925465.4249455.554445.6937434.874423.1768413.0352400.2503388.3382377.3561364.3989351.9996]；縱坐標(biāo)矩陣：y1＝[339.3903328.5563317.9801307.3821296.9204287.4719278.2412269.2977261.0901253.7939246.0361238.7115233.2464226.8722221.8904216.6901212.1834208.6251]。

如圖9所示，將上述數(shù)據(jù)坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)，按空間位置以相同點(diǎn)數(shù)均分為8段，其中分段區(qū)域5的數(shù)據(jù)為：橫坐標(biāo)矩陣：x5′＝[252.9984268.7323281.6569296.5137309.6853323.2355324.594336.2589337.8762]；縱坐標(biāo)矩陣：y5′＝[199.9881199.2307199.9274199.9999201.8624204.3707203.6643206.2479207.276]。

使用最小二乘法對(duì)分段區(qū)域5的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到直徑為560.084，同理得到其他分段區(qū)域的測(cè)量點(diǎn)擬合得到圓周直徑。該時(shí)刻的多組直徑值如下：

dt＝[560.324560.218560.189560.010560.084560.267560.289560.478]

最后得到所有激光位移傳感器的多個(gè)時(shí)刻下車輪擬合圓周直徑，其中最大直徑dmin＝560.010、dmax＝560.628，用最大直徑減去最小直徑，得到車輪不圓度的量化值e＝0.618。

綜上所述，一種基于陣列激光的有軌電車車輪不圓度的在線檢測(cè)裝置及方法，通過(guò)最小二乘擬合的算法，單個(gè)激光位移傳感器在多個(gè)時(shí)刻下測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行時(shí)空還原得到部分圓周，以計(jì)算車輪直徑，具有速度快、精度高、測(cè)量直徑范圍大、在線非接觸式測(cè)量、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。