CN106225716A - 一种落轮式车轮不圆度测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种落轮式车轮不圆度测量装置和方法，包括定位装置、端盖、传感器支架、激光位移传感器；所述定位装置上设置三个定位销以定位车轮的圆心；传感器支架呈台阶状，包括两端平行的纵梁以及垂直连接二者的横梁，一条纵梁的末端与定位装置固定连接、另一条纵梁与车轮的外端面紧贴且末端设置激光位移传感器；端盖与定位装置通过螺纹连接，激光位移传感器的激光原点距离车轮内端面的距离为L₁；定位装置的中心轴线距离激光原点的距离为L₂。车轮在外力驱动下匀速旋转一周，将车轮踏面上的滚动圆进行多项式拟合，从而确定车轮的不圆情况。本发明简单便携、成本低，可在落轮情况下对车轮进行不圆度的测量，对车轮的镟修提供技术依据。

Description

一种落轮式车轮不圆度测量装置和方法

技术领域

本发明涉及轨道交通安全监测技术领域，特别是一种落轮式车轮不圆度测量装置和方法。

背景技术

列车轮对作为列车最基础、最重要的组成部件之一，承载着整个列车的重量并保证列车在轨道上的正常运行，是安全检查中的重点检测对象。列车在运行过程中，轮对与钢轨不断摩擦，轮对踏面的状态也随之不断发生变化，当轮轨接触关系不良时，导致车轮踏面不圆，从而影响列车的正常安全运行。

目前，国内外对于车轮不圆度的检测方法分为静态检测和动态检测。目前国内静态检测通过人工观察、各类人工卡尺等对走行系的状态进行检测，该方法不仅劳动强度大，而且极易受到人为原因、作业条件等因素的影响。列车走行系动态检测是指列车在正线运行过程中对其进行实时检测，动态检测具备实时性强、检测精度高等特点，但检测难度大，对技术要求比较高。按照检测装置的安装位置又可将动态检测分为车载检测和轨旁检测两种，其中车载检测是指将用于信号采集的传感器安装于车辆上，轨旁检测是在运营线路上安装走行系的状态监测系统。按照检测方法可分为噪声检测法、图像检测法、振动加速度检测法、电信号检测法。

专利1(基于激光位移传感器的城轨车辆车轮不圆度检测装置及方法，申请号：201310556634.0申请日：2013.11.11)公开了一种基于激光位移传感器的城轨车辆车轮不圆度检测装置及方法，该方法利用多个激光位移传感器，并在检测区域的钢轨内测设置护轨，护轨与车轮轮缘内测相切，传感器安装在轨道和护轨之间，并位于车轮下方，但该方法成本高，并且需要改装轨道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、测量方便的落轮式车轮不圆度测量装置和方法，从而提高测量精度，对车轮维修提供技术依据。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种落轮式车轮不圆度测量装置，包括定位装置、端盖、传感器支架、激光位移传感器；所述定位装置上设置三个定位销，该三个定位销与轮轴端面上已有的三个定位孔位置相对应以定位车轮的圆心；传感器支架呈台阶状，包括两端平行的纵梁以及垂直连接二者的横梁，传感器支架一条纵梁的末端与定位装置固定连接、另一条纵梁与车轮的外端面紧贴且末端设置激光位移传感器；端盖与定位装置通过螺纹连接，使得传感器支架不能沿车轮的轴向移动，激光位移传感器的激光原点距离车轮内端面的距离为L₁；所述定位装置的中心轴线距离激光原点的距离为L₂。

进一步地，所述传感器支架的横梁可伸缩调节，使定位面能够和不同半径的车轮外端面紧贴。

进一步地，所述激光位移传感器的激光原点距离车轮内端面距离L₁，小于车轮内端面与外端面之间的距离。

进一步地，所述定位装置的中心轴线距离激光原点的距离L₂大于车轮半径。

进一步地，所述激光位移传感器为基恩士公司生产的LK-H055型一维激光位移传感器。

一种基于所述落轮式车轮不圆度测量装置的落轮式车轮不圆度测量方法，包括以下步骤：

第1步，以激光位移传感器的激光原点为坐标系原点，以激光光束为y轴，以平行于轮对中心线为x轴，建立坐标系xoy；

第2步，将车轮匀速旋转一周，激光位移传感器的测量的点数为n，测量频率为fs；

第3步，根据落轮式车轮不圆度测量装置的结构参数，将激光位移传感器测量的原始数据转化为车轮在不同位置的半径值；

第4步，以车轮圆心为原点建立平行于车轮端面的坐标系x’o’y’，将车轮半径值按照所对应的车轮旋转角度关系在坐标系x’o’y’中描绘出车轮滚动圆，进行多项式曲线拟合，完成车轮滚动圆的不圆度测量，并计算车轮半径的最大差值D_max，将D_max作为不圆度量化指标。

进一步地，第3步所述将激光位移传感器测量的原始数据转化为车轮在不同位置的半径值，具体如下：

激光位移传感器的输出为y_i，则y_i对应的车轮滚动圆半径r_i为：

r_i＝L₂-y_i (1)

其中，i＝1,2,…n为激光位移传感器(4)所测量的原始数据标号，n为原始数据总数。

进一步地，第4步所述将车轮半径值按照所对应的车轮旋转角度关系在坐标系x’o’y’中描绘出车轮滚动圆，进行多项式曲线拟合，完成车轮滚动圆的不圆度测量，并计算车轮半径的最大差值D_max，将D_max作为不圆度量化指标，具体如下：

(4.1)相邻两个车轮半径值相对车轮圆心的间隔的角度θ为：

$\mathrm{\θ}=\frac{2\mathrm{\π}}{n}---\left(2\right)$

(4.2)每个车轮半径值在坐标系x’o’y’中对应的横纵坐标(x_i,y_i)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=(L_2-y_i)cos\left(\right(i-1\left)\mathrm{\θ}\right)\\ y_i=(L_2-y_i)sin\left(\right(i-1\left)\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right.,i=1,2...n---\left(3\right)$

(4.3)车轮半径最大差值D_max为：

D_max＝2(r_max-r_min) (4)

其中，r_max和r_min分别为车轮滚动圆半径r_i的最大值和最小值。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)结构简单，携带方便；(2)安装方便，模块化设计，可随时拆装；(3)选用高精度传感器，测量精度高；(4)结构可调，普适性强，可针对不同类型轮对进行测量。

附图说明

图1为本发明落轮式车轮不圆度测量装置的整体示意图。

图2为本发明落轮式车轮不圆度测量装置的结构图。

图3为轮轴端面中心定位孔示意图。

图4为定位装置结构图。

图5为传感器支架结构图。

图6为传感器原始数据图。

图7为车轮不同点处的半径数据图。

图8为拟合的车轮滚动圆结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1～5，本发明落轮式车轮不圆度测量装置，包括定位装置1、端盖2、传感器支架3、激光位移传感器4；所述定位装置1上设置三个定位销，该三个定位销与轮轴端面上已有的三个定位孔位置相对应以定位车轮的圆心，从而精确定位车轮的圆心；传感器支架3呈台阶状，包括两端平行的纵梁以及垂直连接二者的横梁，传感器支架3一条纵梁的末端与定位装置1固定连接、另一条纵梁与车轮的外端面紧贴且末端设置激光位移传感器4；端盖2与定位装置1通过螺纹连接，使得传感器支架3不能沿车轮的轴向移动，保证激光位移传感器4的激光原点距离车轮内端面的距离为L₁；所述定位装置1的中心轴线距离激光原点的距离为L₂，误差允许范围为±0.01mm。。

进一步地，所述传感器支架3的横梁可伸缩调节，使定位面能够和不同半径的车轮外端面紧贴，满足不同类型轮对的测量要求。

进一步地，所述激光位移传感器4的激光原点距离车轮内端面距离L₁，小于车轮内端面与外端面之间的距离。

进一步地，所述定位装置1的中心轴线距离激光原点的距离L₂大于车轮半径。

进一步地，所述激光位移传感器4为基恩士公司生产的LK-H055型一维激光位移传感器。激光位移传感器为基恩士公司生产的LK-H055型一维激光位移传感器。

本发明落轮式车轮不圆度测量方法，包括以下步骤

第1步，以激光位移传感器4的激光原点为坐标系原点，以激光光束为y轴，以平行于轮对中心线为x轴，建立坐标系xoy。

第2步，将车轮匀速旋转一周，激光位移传感器4的测量的点数为n，测量频率为fs。

第3步，根据落轮式车轮不圆度测量装置的结构参数，将激光位移传感器4测量的原始数据转化为车轮在不同位置的半径值，具体如下：

激光位移传感器4的输出为y_i，则y_i对应的车轮滚动圆半径r_i为：

r_i＝L₂-y_i (1)

其中，i＝1,2,…n为激光位移传感器4所测量的原始数据标号，n为原始数据总数。

第4步，以车轮圆心为原点建立平行于车轮端面的坐标系x’o’y’，将车轮半径值按照所对应的车轮旋转角度关系在坐标系x’o’y’中描绘出车轮滚动圆，进行多项式曲线拟合，完成车轮滚动圆的不圆度测量，并计算车轮半径的最大差值D_max，将D_max作为不圆度量化指标，具体如下：

(4.1)相邻两个车轮半径值相对车轮圆心的间隔的角度θ为：

$\mathrm{\θ}=\frac{2\mathrm{\π}}{n}---\left(2\right)$

(4.2)每个车轮半径值在坐标系x’o’y’中对应的横纵坐标(x_i,y_i)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=(L_2-y_i)cos\left(\right(i-1\left)\mathrm{\θ}\right)\\ y_i=(L_2-y_i)sin\left(\right(i-1\left)\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right.,i=1,2...n---\left(3\right)$

(4.3)车轮半径最大差值D_max为：

D_max＝2(r_max-r_min) (4)

其中，r_max和r_min分别为车轮滚动圆半径r_i的最大值和最小值。

实施例1

结合图1～5所示的结构，激光原点距离车轮内端面的距离L₁＝70mm，该值为定值，根据车轮滚动圆的定义而来，定位装置1的中心线距离激光原点的距离L₂＝434mm。

传感器的采样频率设为50Hz，车轮旋转一周，传感器的采样点为500个，传感器输出的原始数据y_i＝[34.302,34.170,34.478…]，如图6所示，则可计算出车轮的实际半径值，如图7所示。

r_i＝434-y_i

传感器每两个采样点之间车轮转过的角度为：

$\mathrm{\θ}=\frac{2\mathrm{\π}}{500}$

则根据几何关系，将传感器的采样点转化为坐标系x’o’y’下的横纵坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=r_i\cos \left(\right(i-1\left)\frac{2\mathrm{\π}}{500}\right)\\ y_i=r_{i}sin\left(\right(i-1\left)\frac{2\mathrm{\π}}{500}\right)\end{array}\right.,i=1,\mathrm{2...}n$

进行多项式曲线拟合，则绘制出车轮滚动圆形状，如图8所示。可计算得直径最大差值D_max＝0.957。

综上，本发明简单便携、成本低，可在落轮情况下对车轮进行高精度的不圆度测量，从而对车轮的镟修提供技术依据。

Claims (8)

1.一种落轮式车轮不圆度测量装置，其特征在于：包括定位装置(1)、端盖(2)、传感器支架(3)、激光位移传感器(4)；所述定位装置(1)上设置三个定位销，该三个定位销与轮轴端面上已有的三个定位孔位置相对应以定位车轮的圆心；传感器支架(3)呈台阶状，包括两端平行的纵梁以及垂直连接二者的横梁，传感器支架(3)一条纵梁的末端与定位装置(1)固定连接、另一条纵梁与车轮的外端面紧贴且末端设置激光位移传感器(4)；端盖(2)与定位装置(1)通过螺纹连接，使得传感器支架(3)不能沿车轮的轴向移动，激光位移传感器(4)的激光原点距离车轮内端面的距离为L₁；所述定位装置(1)的中心轴线距离激光原点的距离为L₂。

2.根据权利要求1所述的落轮式车轮不圆度测量装置，其特征在于：所述传感器支架(3)的横梁可伸缩调节，使定位面能够和不同半径的车轮外端面紧贴。

3.根据权利要求1所述的落轮式车轮不圆度测量装置，其特征在于：所述激光位移传感器(4)的激光原点距离车轮内端面距离L₁，小于车轮内端面与外端面之间的距离。

4.根据权利要求1所述的落轮式车轮不圆度测量装置，其特征在于：所述定位装置(1)的中心轴线距离激光原点的距离L₂大于车轮半径。

5.根据权利要求1所述的落轮式车轮不圆度测量装置，其特征在于：所述激光位移传感器(4)为基恩士公司生产的LK-H055型一维激光位移传感器。

6.一种基于权利要求1所述落轮式车轮不圆度测量装置的落轮式车轮不圆度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第1步，以激光位移传感器(4)的激光原点为坐标系原点，以激光光束为y轴，以平行于轮对中心线为x轴，建立坐标系xoy；

第2步，将车轮匀速旋转一周，激光位移传感器(4)的测量的点数为n，测量频率为fs；

第3步，根据落轮式车轮不圆度测量装置的结构参数，将激光位移传感器(4)测量的原始数据转化为车轮在不同位置的半径值；

第4步，以车轮圆心为原点建立平行于车轮端面的坐标系x’o’y’，将车轮半径值按照所对应的车轮旋转角度关系在坐标系x’o’y’中描绘出车轮滚动圆，进行多项式曲线拟合，完成车轮滚动圆的不圆度测量，并计算车轮半径的最大差值D_max，将D_max作为不圆度量化指标。

7.根据原理要求6所述的落轮式车轮不圆度测量方法，其特征在于，第3步所述将激光位移传感器(4)测量的原始数据转化为车轮在不同位置的半径值，具体如下：

激光位移传感器(4)的输出为y_i，则y_i对应的车轮滚动圆半径r_i为：

r_i＝L₂-y_i (1)

其中，i＝1,2,…n为激光位移传感器(4)所测量的原始数据标号，n为原始数据总数。

8.根据原理要求6所述的落轮式车轮不圆度测量方法，其特征在于，第4步所述将车轮半径值按照所对应的车轮旋转角度关系在坐标系x’o’y’中描绘出车轮滚动圆，进行多项式曲线拟合，完成车轮滚动圆的不圆度测量，并计算车轮半径的最大差值D_max，将D_max作为不圆度量化指标，具体如下：

(4.1)相邻两个车轮半径值相对车轮圆心的间隔的角度θ为：

$\mathrm{\θ}=\frac{2\mathrm{\π}}{n}---\left(2\right)$

(4.2)每个车轮半径值在坐标系x’o’y’中对应的横纵坐标(x_i,y_i)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=(L_2-y_i)cos\left(\right(i-1\left)\mathrm{\θ}\right)\\ y_i=(L_2-y_i)sin\left(\right(i-1\left)\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right.,i=1,2...n---\left(3\right)$

(4.3)车轮半径最大差值D_max为：

D_max＝2(r_max-r_min) (4)

其中，r_max和r_min分别为车轮滚动圆半径r_i的最大值和最小值。