CN110356431A - 一种检测列车车轮不圆度的方法 - Google Patents

Abstract

一种检测列车车轮不圆度的方法，涉及列车车轮几何尺寸的测量领域，在车轮前进路上设置m(m≥2)个测量点，每个测量点向车轮发射2条平行的线激光或点激光，在车轮前进的过程中，车轮切割2条线激光或点激光，获取每个测量点处在轮缘外圆上的顶点位置，由2条所述激光得到的2个顶点计算得到弦长2l_i，通过弦长2l_i及该弦长2l_i的弦高H_i，得到每个测量点处的轮缘半径值r_i，对比2m个测量点上获得的2m个r_i，判断任意两个半径值的差值Δr，若Δr≤0.25mm，则判定列车满足不圆度要求；若Δr>0.25mm，则判定列车不满足不圆度要求；本发明可以及时发现车轮的不圆度情况，保证列车运行品质、车辆转向架及轨道部件的质量。

Description

一种检测列车车轮不圆度的方法

技术领域

本发明涉及列车车轮几何尺寸的测量领域，更具体地，涉及一种检测列车车轮不圆度的方法。

背景技术

对于基于轨道运行的车轮来说，车轮的圆周面由轮缘与踏面两个曲面组成，踏面与轨道接触实现承载运行，轮缘位于轨道的内侧，通过轮缘与轨道内侧接触，与踏面共同实现导向功能。车轮不圆度是车辆运行过程中车轮尺寸变化的主要参数，特别是城市轨道交通线路，多条线路的应用实践已经证明：由于轮轨关系的基本确定性，车轮不圆度会周期性出现，需要定期的镟修。车轮出现不圆度会引发轮轨振动的加大，经常达到30～40g的振动加速度，如此强烈的连续轮轨振动，对于车辆运行品质、车辆转向架及轨道部件的质量产生严重威胁。

车轮不圆度是指同一车轮180°方向上的轮径差，因此为实现车轮不圆度测量，就需要在一次检测中对同一车轮的轮径进行至少两次测量，而且相邻两次测量位置的相位差为180°。但在列车运行时，利用现有技术测量轮径后在线计算不圆度是不现实的。

车轮不圆度在线技术难度较大，测量数据的稳定性和精度难以保证，主要原因有以下三点：

(1)在列车车轮不圆度的测量中，车轮直径测量精度为±0.5mm，实现车轮不圆度测量，就需要在一次检测中对同一车轮的轮径进行两次测量，经过2次测量误差的叠加，测量的不圆度最大误差为±1mm；不圆度测量时的精度要求是±0.2mm，其小于测量的不圆度最大误差为±1mm，所以仅靠测量2次轮径的测量技术，不可能满足测量时的精度要求；

(2)现有技术采用踏板式接触测量技术，在轨道旁难以实现应用目标，是因为轮缘顶点和踏板的接触会带来安全隐患，接触瞬间的冲击、检测过程轮轨关系的变化都会导致出现较大的测量误差，产生频繁误报的情况，因此，现有的测量技术不能满足要求；

(3)在列车通过检测区域时，常规的车轮尺寸测量***采用高精度摄像头等设备进行拍摄，每次只完成了一次轮径的测量，而要实现真正的不圆度检测，最少需要2次轮径的测量，在现有测量方法的基础上，想要实现不圆度的测量，需要对现有的车轮***进行复制，也就是说，所有的测量设备需要至少多准备一套，如此成本大大增加。此外，为了提高测量的精度，减少测量误差，实现不圆度检测，仅仅通过2次测量是不够的。

因此，亟需一种检测列车车轮不圆度的方法，及时发现车轮的不圆度情况。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种检测列车车轮不圆度的方法，及时发现车轮的不圆度情况，保证列车运行品质、车辆转向架及轨道部件的质量。

本发明采取的技术方案是，一种检测列车车轮不圆度的方法，在车轮前进路上设置m(m≥2)个测量点，每个测量点向车轮发射2条平行的激光，在车轮前进的过程中，车轮切割2条激光，获取每个测量点处在轮缘外圆上的顶点位置，由2条所述激光得到的2个顶点计算得到弦长2l_i，通过弦长2l_i及该弦长2l_i的弦高H_i，得到每个测量点处的轮缘半径值r_i，对比2m个测量点上获得的2m个r_i，判断任意两个半径值的差值Δr，

若Δr≤0.25mm，则判定列车满足不圆度要求；

若Δr>0.25mm，则判定列车不满足不圆度要求。

在本技术方案中，由于车轮的轮缘始终在两条轨道之间，因此，可以在某个测量点处，从轨道外侧向内侧发射2条平行的激光，在每个测量点处采用高精度激光位置探测传感器，由激光发射器和光电位置探测器构成，激光发射器发射的为线激光或点激光。在设置激光发射点时，为了减少校核换算工作，便于直接测量，将2条平行的线激光发射点设置在同一高度，即位于同一水平面。当线激光在连续发射时，形成一定宽度的激光面，车轮前进经过激光面后，一部分激光被车轮挡住，另一部分未被挡住，因此，2条线激光会与轮缘轮廓圆形成2个顶点，且2个顶点在同一高度。由于2个顶点均落在轮缘轮廓的圆周上，因此，2个顶点在轮缘轮廓的圆周上构件出一条弦，定义弦长为2l_i。其次，根据轮缘轮廓的圆周或车轮塔面可以得到圆心位置，随后可以得到该弦长的弦高H_i，根据勾股定理可以得到该测量点处的轮缘半径值r_i ²＝l_i ²+H_i ²。

同理，在在车轮前进路上设置m(m≥2)个测量点，以此得到m个测量点处的m个r_i，对比任意两个r_i，其差值即为车轮的不圆变化量Δr，判断Δr超过0.25mm与否，也就是判断车轮直径的不圆变化量超过0.5mm与否，来判断列车是否满足不圆度要求。整个检测过程中，列车无需停靠，也无需采用高精度摄像头等高价设备，只需在原有测量轮缘顶点圆半径和圆心的设备上实现即可，简化检测装置，提高检测效果，确保检测精度，实现较低成本，较高效率的不圆度检测。

进一步地，为避免相邻两个测量点所测得的数据为同一车轮同一位置的轮缘半径，造成检测结果出现不真实的情况，所述m个测量点的设置满足：相邻两个测量点的路程S不等于车轮的周长L，也就是保证在相邻两个测量点处，同一车轮经过时，得到的必然是两个不同位置的轮缘半径值，确保检测的真实性。

进一步地，由于车轮不圆度是指同一车轮180°方向上的轮径差，因此，设置所述m个测量点的设置满足：相邻两个测量点的路程S与车轮的周长L的关系为：S＝L/2，通过限定相邻两个测量点的位置，尽可能的确保两个测量点的轮缘半径检测点是位于180°方向上的两个值，提高检测准确度。

进一步地，获取每个测量点弦长的步骤包括：

S11：车轮以速度V先后通过2条平行线激光；

S12：设置2条平行线激光同一高度，且2条平行线激光的安装间距为l_i0；

S13：轮缘先后切割2条平行线激光的间隔时间为t_i；

S14：从轮缘切割2条平行线激光形成的交点，得到弦长为2l_i＝l_i0+V·t_i。

为提高检测效果，且减少车轮高度通过捕捉数据时对于设备的高要求，设置车轮速度V＝1～30km/h，一般来讲，两个测量点处的位置设置以S＝L/2为最佳，因此，可以认为在路程S内，车轮是以恒速V前行的，通过获取车轮切割2条线激光的间隔时间为t_i，结合2条平行线激光的安装间距为l_i0，即可得到弦长2l_i。采用本技术方案中的步骤，容易获取数据，可以较为直接的得出弦长2l_i。

进一步地，通过公式得到r_i：l_i ²＝R²-(r_i-h)²；其中，R为车轮轮缘标准半径；h为线激光到达轮缘处与轮缘最低点之间的距离。

进一步地，通过两个测量点处的弦长2l₁、2l₂得到差值Δr如下：

进一步地，所述方法中两个测量点处车轮的不圆度采用不圆变化率k来衡量：

其中，r₀＝(r₁+r₂)/2。

进一步地，所述方法还包括收集m(m≥2)个测量点上，在任意一个测量点处，获取同一车轮在不同时刻经过该测量点处的轮缘半径值r_i，得到集合{r_j}，比对当前r_i与集合{r_j}内任一值。

列车由于始发站不同，同一车轮在不同时刻经过某个固定测量点时，所测得的轮缘半径也是分布在轮缘上的不同点，因此，获取同一车轮在不同时刻经过该测量点处的轮缘半径值r_i，得到集合{r_j}后，随着集合{r_j}的构成数据越多，该集合{r_j}也就越趋近于该车轮的所有点的半径，即该车轮的真实轮缘形状，此时，对比当前r_i与集合{r_j}内任一值，可以得到当前r_i的变化情况，提高检测精度，也能有效防止测量点集中在某一处造成检测误差。

与现有技术相比，本发明中列车无需停靠，也无需采用高精度摄像头等高价设备，只需在原有测量轮缘顶点圆半径和圆心的设备上实现即可，简化检测装置，提高检测效果，确保检测精度，实现较低成本，较高效率的不圆度检测。

附图说明

图1为本发明中线激光发射器的安装位置示意图。

图2为本发明线激光发射时的立体示意图。

图3为本发明中线激光的发射位置关系图。

图4为本发明中线激光在轮缘上的弦长示意图。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例

如图1和图2所示，一种检测列车车轮不圆度的方法，适用于在轨道13上行进的车轮1，车轮1的踏面11与轨道13接触，轮缘12位于两个轨道13之间，在两个轨道13外侧设置激光发射器2，在两个轨道13之间的轨枕14上设置激光接收器3。

在车轮前进路上设置m(m≥2)个测量点，每个测量点处由线激光发射器2向车轮发射2条平行的激光4，所述激光为线激光或点激光。在车轮前进的过程中，车轮切割2条激光，获取每个测量点处在轮缘外圆上的弦长2l_i，通过弦长2l_i及该弦长2l_i的弦高H_i，得到每个测量点处的轮缘半径值r_i，对比2m个测量点上获得的2m个r_i，判断任意两个半径值的差值Δr，

若Δr≤0.25mm，则判定列车满足不圆度要求；

若Δr>0.25mm，则判定列车不满足不圆度要求。

如图3所示，由于车轮的轮缘始终在两条轨道之间，因此，可以在某个测量点处，从轨道外侧向内侧发射2条平行的线激光，在设置激光发射点时，为了减少校核换算工作，便于直接测量，将2条平行的线激光发射点设置在同一高度，即位于同一水平面。当线激光在连续发射时，形成一定宽度的激光面，车轮前进经过激光面后，一部分激光被车轮挡住，另一部分未被挡住。

如图4所示，2条线激光会与轮缘轮廓圆形成2个交点P1、P2，且P1、P2在同一高度。由于2个交点均落在轮缘轮廓的圆周上，因此，2交点在轮缘轮廓的圆周上构件出一条弦，定义弦长为2l_i。其次，根据轮缘轮廓的圆周或车轮塔面可以得到圆心O位置，随后可以得到该弦长的弦高H_i，根据勾股定理可以得到该测量点处的轮缘半径值r_i ²＝l_i ²+H_i ²。

同理，在在车轮前进路上设置m(m≥2)个测量点，以此得到m个测量点处的m个r_i，对比任意两个r_i，其差值即为车轮的不圆变化量Δr，判断Δr超过0.25mm与否，也就是判断车轮直径的不圆变化量超过0.5mm与否，来判断车轮是否满足不圆度要求。整个检测过程中，列车无需停靠，也无需采用高精度摄像头等高价设备，只需在原有测量轮缘顶点圆半径和圆心的设备上实现即可，简化检测装置，提高检测效果，确保检测精度，实现较低成本，较高效率的不圆度检测。

进一步地，为避免相邻两个测量点所测得的数据为同一车轮同一位置的轮缘半径，造成检测结果出现不真实的情况，所述m个测量点的设置满足：相邻两个测量点的路程S不等于车轮的周长L，也就是保证在相邻两个测量点处，同一车轮经过时，得到的必然是两个不同位置的轮缘半径值，确保检测的真实性。

进一步地，由于车轮不圆度是指同一车轮180°方向上的轮径差，因此，设置所述m个测量点的设置满足：相邻两个测量点的路程S与车轮的周长L的关系为：S＝L/2，通过限定相邻两个测量点的位置，尽可能的确保两个测量点的轮缘半径检测点是位于180°方向上的两个值，提高检测准确度。

进一步地，获取每个测量点弦长的步骤包括：

S11：车轮以速度V先后通过2条平行线激光；

S12：设置2条平行线激光同一高度，且2条平行线激光的安装间距为l_i0；

S13：轮缘先后切割2条平行线激光的间隔时间为t_i；

S14：从轮缘切割2条平行线激光形成的交点，得到弦长为2l_i＝l_i0+V·t_i。

为提高检测效果，且减少车轮高度通过捕捉数据时对于设备的高要求，设置车轮速度V＝1～30km/h，一般来讲，两个测量点处的位置设置以S＝L/2为最佳，因此，可以认为在路程S内，车轮是以恒速V前行的，通过获取车轮切割2条线激光的间隔时间为t_i，结合2条平行线激光的安装间距为l_i0，即可得到弦长2l_i。采用本技术方案中的步骤，容易获取数据，可以较为直接的得出弦长2l_i。

通过公式得到r_i：l_i ²＝R²-(r_i-h)²；其中，R为车轮轮缘标准半径；如图4所示，h为线激光到达轮缘处与轮缘最低点之间的距离，且H_i＝r_i-h，如图3所示，h可以从线激光4的发射角度及标准轮缘的相对位置得到。

通过两条弦长得到差值Δr的过程如下：

l₁ ²＝R²-(r₁-h)²，

l₂ ²＝R²-(r₂-h)²，

二者相减得到：

所述方法中两个测量点处车轮的不圆度采用不圆变化率k来衡量：

其中，r₀＝(r₁+r₂)/2。

所述方法还包括收集m(m≥2)个测量点上，在任意一个测量点处，获取同一车轮在不同时刻经过该测量点处的轮缘半径值r_i，得到集合{r_j}，比对当前r_i与集合{r_j}内任一值。

列车由于始发站不同，同一车轮在不同时刻经过某个固定测量点时，所测得的轮缘半径也是分布在轮缘上的不同点，因此，获取同一车轮在不同时刻经过该测量点处的轮缘半径值r_i，得到集合{r_j}后，随着集合{r_j}的构成数据越多，该集合{r_j}也就越趋近于该车轮的所有点的半径，即该车轮的真实轮缘形状，此时，对比当前r_i与集合{r_j}内任一值，可以得到当前r_i的变化情况，提高检测精度，也能有效防止测量点集中在某一处造成检测误差。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种检测列车车轮不圆度的方法，其特征在于，在车轮前进路上设置m(m≥2)个测量点，每个测量点向车轮发射2条平行的激光，在车轮前进的过程中，车轮切割2条激光，获取每个测量点处在轮缘外圆上的顶点位置，由2条所述激光得到的2个顶点计算得到弦长2l_i，通过弦长2l_i及该弦长2l_i的弦高H_i，得到每个测量点处的轮缘半径值r_i，对比m个测量点上获得的m个r_i，判断任意两个半径值的差值即为车轮的不圆变化量Δr，

若Δr≤0.25mm，则判定列车满足不圆度要求；

若Δr>0.25mm，则判定列车不满足不圆度要求。

2.根据权利要求1所述的一种检测列车车轮不圆度的方法，其特征在于，所述激光为线激光或点激光。

3.根据权利要求1所述的一种检测列车车轮不圆度的方法，其特征在于，所述m个测量点的设置满足：相邻两个测量点的路程S不等于车轮的周长L。

4.根据权利要求3所述的一种检测列车车轮不圆度的方法，其特征在于，所述m个测量点的设置满足：相邻两个测量点的路程S与车轮的周长L的关系为：S＝L/2。

5.根据权利要求1所述的一种检测列车车轮不圆度的方法，其特征在于，获取每个测量点弦长的步骤包括：

S11：车轮以速度V先后通过2条平行线激光；

S12：设置2条平行线激光同一高度，且2条平行线激光的安装间距为l_i0；

S13：轮缘先后切割2条平行线激光的间隔时间为t_i；

S14：从轮缘切割2条平行线激光形成的交点，得到弦长为2l_i＝l_i0+V·t_i。

6.根据权利要求4所述的一种检测列车车轮不圆度的方法，其特征在于，通过公式得到r_i：

l_i ²＝R²-(r_i-h)²；

其中，R为车轮轮缘标准半径；h为线激光到达轮缘处与轮缘最低点之间的距离。

7.根据权利要求5所述的一种检测列车车轮不圆度的方法，其特征在于，通过两个测量点处的弦长2l₁、2l₂得到差值Δr如下：

8.根据权利要求6所述的一种检测列车车轮不圆度的方法，其特征在于，所述方法中两个测量点处车轮的不圆度采用不圆变化率k来衡量：

其中，r₀＝(r₁+r₂)/2。

9.根据权利要求1～8任一项所述的一种检测列车车轮不圆度的方法，其特征在于，所述方法还包括收集m个测量点上，在任意一个测量点处，获取同一车轮在不同时刻经过该测量点处的轮缘半径值r_i，得到集合{r_j}，比对当前r_i与集合{r_j}内任一值。