一种高精度轮对等效锥度在线测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及轨道车辆车轮几何形状及参数在线检测与测量技术领域，具体涉及一种高精度轮对等效锥度在线测量装置及测量方法。

背景技术

轮对的等效锥度值是影响轨道车辆轮轨接触状态的重要参数，因此准确测量轮对的等效锥度值对于保障列车安全运行是非常重要的。

测量轮对的等效锥度时，必须先获取轮对中两轮的踏面外形轮廓、两轮之间的内侧距、两轮的倾角等数值，再由这些数值经过计算机运算得出该轮对的等效锥度值。现有的测量方法主要有两种：由人工操作针对轮对各项参数的几种不同的手持式测量仪器分别对轮对的各项数值进行测量，再将各数值输入计算机进行运算，从而得出该轮对的等效锥度值；在列车进行不落轮镟修作业时，使用不落轮车床的测量装置对轮对的各项数值进行测量，并由不落轮车床自身的计算机运算，从而得出该轮对的等效锥度值。对于等效锥度的计算，参考文献：吴宁, 董孝卿, 林凤涛,等. 等效锥度的计算及验证[J]. 铁道机车车辆,2013, 33(1):49-52。

现有的测量方式主要存在以下不足：

（1）采用人工操作手持式仪器的测量方式，对操作人员的专业化程度要求较高，且因人为操作因素的影响，容易导致测量数据产生较大误差从而影响等效锥度值测量的精准度。

（2）采用人工操作手持式仪器的测量方式效率非常低，待测列车需长时间在检修场地停留，会拖慢列车检修进度导致列车运用率降低。

（3）采用不落轮车床的测量装置对轮对的各项数值进行测量的方式，虽然测量的精准度可以得到保证且检测效率较手持式仪器测量要高，但整个测量过程需在列车镟修作业时进行，列车镟修的周期比等效锥度检测周期长，会导致大量列车得不到及时检测，若将无镟修作业的列车调上不落轮车床进行测量，则会与需镟修的列车产生作业冲突导致列车检修作业计划混乱，拖慢列车检修进度。

因此，如何提供一种方便高效、测量精度高且能实现无需列车停车的在线通过式测量的轮对等效锥度测量方法，成为了本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

针对现有的轮对等效锥度测量方式的不足，本发明提供了一种高精度轮对等效锥度在线测量装置及方法，采用的技术方案是：

一种高精度轮对等效锥度在线测量装置，包括位于轨道（2）内侧面的H字状基座（3）、压块（4）、位于轨道（2）外侧面的连杆（401），连接轴（5）、左侧激光轮廓传感器（6）、右侧激光轮廓传感器（7）、触发装置，分别固定在基座（3）两侧的左前侧激光位移传感器（9）、右前侧激光位移传感器（10）、左后侧激光位移传感器（11）、右后侧激光位移传感器（12）；基座（3）通过压块（4）的下压力与轨道（2）相对固定，分别通过连接轴（5）轴对称固定连接在连杆（401）两侧的左侧激光轮廓传感器（6）和右侧激光轮廓传感器（7），触发装置固定于基座（3）一侧的中部。

上述所有传感器安装固定前均使用高精度专用量具调校。轨道（2）为轨道交通现场使用的各型钢质轨道，轨道（2）优先选取轨道交通现场直线路段的轨道。

进一步地，触发装置为车轮传感器（8），检测到车轮时，打开测量装置，列车离开时，关闭测量装置。

进一步地，左侧激光轮廓传感器（6）、右侧激光轮廓传感器（7）的激光发射平面与轨道（2）的水平面A的仰角为α，激光发射平面均偏向轨道（2）的中心线为x，左侧激光轮廓传感器（6）的偏转角度为β1、右侧激光轮廓传感器（7）的偏转角度为β2。

进一步地，左前侧激光位移传感器（9）、左后侧激光位移传感器（11）的激光发射线方向与轨道（2）的水平面A的仰角为θ1，激光发射线方向与轨道（2）中心线x垂直；右前侧激光位移传感器（10）、右后侧激光位移传感器（12）的激光发射线方向与轨道（2）的水平面A的仰角为θ2，激光发射线方向与轨道（2）中心线x垂直。

进一步地，车轮传感器（8）沿轨道（2）的中心线x上与左前侧激光位移传感器（9）、左后侧激光位移传感器（11）距离相等。

一种高精度在线式轮对等效锥度测量方法，包括如下步骤：

第一步，待测列车沿着轨道（2）行驶，当待测列车轮对（1）经过车轮传感器（8）时，车轮传感器（8）发出触发信号激活整套测量装置，左侧激光轮廓传感器（6）对待测列车轮对（1）的左轮踏面外形轮廓进行高速连续采集并得到多组数据A1、右侧激光轮廓传感器（7）对右轮踏面外形轮廓进行高速连续采集并得到多组数据A2；左前侧激光位移传感器（9）测量出左前侧激光位移传感器（9）自身与待测列车轮对（1）的左轮内侧面前端的距离数据L1，右前侧激光位移传感器（10）测量出右前侧激光位移传感器（10）本身与待测列车轮对（1）的右轮内侧面前端的距离数据L2，左后侧激光位移传感器（11）测量出左后侧激光位移传感器（11）本身与待测列车轮对（1）的左轮内侧面后端的距离数据L3，右后侧激光位移传感器（12）测量出右后侧激光位移传感器（12）本身与待测列车轮对（1）的右轮内侧面后端的距离数据L4；上述采集所得L1、L2、L3、L4数据，均输入测量计算机待后续处理。

第二步，将L1、L2、L3、L4结合已知的仰角数值θ1与θ2进行坐标修正并取平均处理，可得出待测列车轮对（1）两轮之间的内侧距数值。

第三步，将L1、L2、L3、L4结合已知的仰角数值θ1与θ2进行坐标修正处理，还得出此时待测列车轮对（1）前侧相对轨道（2）中心线x的偏移量及待测列车轮对（1）后侧相对轨道（2）中心线x的偏移量，将两组偏移量数值进行比对即可算得此时待测列车轮对（1）相对轨道（2）中心线x的水平偏转角度φ。

第四步，将A1、A2进行取优去劣并取平均处理，获得、，再根据水平偏转角度φ对处理后的、进行修正处理，可得出高精度的待测列车轮对（1）的左轮踏面外形轮廓和右轮踏面外形轮廓，再结合待测列车轮对（1）两轮之间的内侧距数值。

第五步，根据轮对滚动圆半径差积分确定轮对横移幅值和横移量的对应关系，再由边界条件：即横移幅值对应的最大横移量和最小横移量对应的摇头角Ψ均为0，计算求解摇头角Ψ时的常数C， 得到常数C后积分确定摇头角Ψ与横移量y的函数，之后再进行积分，确定出轮对横移幅值对应的轮对运动波长λ，最后由公式得到轮轨等效锥度Tanγ。计算方法的具体流程参考背景技术中的文献。

第六步，当待测列车轮对（1）离开车轮传感器（8）后，车轮传感器（8）触发信号消失，各传感器暂停测量工作，当列车的下一条列车轮对（1）经过车轮传感器（8）时，测量装置重新激活并重复上述测量过程，直至列车的所有待测列车轮对（1）均经过车轮传感器（8）后测量结束，测量计算机将缓存中储存的各组轮对的等效锥度结果进行统计并形成表格以打印形式或数据上传形式输出，至此即完成所有待测列车轮对（1）的等效锥度的在线测量。

与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：

（1）测量精准度高，测量过程可自动完成，现场无需人工操作，避免了人为因素造成的误差；测量数据可直接打印查看或传输至信息化系统，简洁明了，对操作人员的专业化程度要求不高。

（2）测量高效，测量装置可安装于列车通过频次高的咽喉轨道处，整个测量过程为在线通过式，列车无需停留，即测即走，不会与列车检修或镟修作业产生冲突，大幅提高测量效率的同时也提升了列车检修运用效率。

附图说明

图1为本发明公开的一种高精度轮对等效锥度在线测量装置的结构示意图；

图2为本发明公开的一种高精度轮对等效锥度在线测量装置的另一视角结构示意图；

图3为本发明公开的一种高精度轮对等效锥度在线测量方法的测量过程示意图；

图4为本发明公开的一种高精度轮对等效锥度在线测量装置的激光发射方向空间位置及角度示意图。

附图标记：1、待测列车轮对；2、轨道；3、基座；4、压块；5、连接轴；6、左侧激光轮廓传感器；7、右侧激光轮廓传感器；8、车轮传感器；9、左前侧激光位移传感器；10、右前侧激光位移传感器；11、左后侧激光位移传感器；12、右后侧激光位移传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，一种高精度轮对等效锥度在线测量装置，包括位于轨道2内侧面的H字状基座3、压块4、位于轨道2外侧面的连杆401，连接轴5、左侧激光轮廓传感器6、右侧激光轮廓传感器7、触发装置，分别固定在基座3两侧的左前侧激光位移传感器9、右前侧激光位移传感器10、左后侧激光位移传感器11、右后侧激光位移传感器12；基座3通过压块4的下压力与轨道2相对固定，分别通过连接轴5轴对称固定连接在连杆401两侧的左侧激光轮廓传感器6和右侧激光轮廓传感器7，触发装置固定于基座3一侧的中部。

上述所有传感器安装固定前均使用高精度专用量具调校。轨道2为轨道交通现场使用的各型钢质轨道，轨道2优先选取轨道交通现场直线路段的轨道。

进一步地，触发装置为车轮传感器8，检测到车轮时，打开测量装置，列车离开时，关闭测量装置。

进一步地，左侧激光轮廓传感器6、右侧激光轮廓传感器7的激光发射平面与轨道2的水平面A的仰角为α，激光发射平面均偏向轨道2的中心线为x，左侧激光轮廓传感器6的偏转角度为β1、右侧激光轮廓传感器7的偏转角度为β2。

进一步地，左前侧激光位移传感器9、左后侧激光位移传感器11的激光发射线方向与轨道2的水平面A的仰角为θ1，激光发射线方向与轨道2中心线x垂直；右前侧激光位移传感器10、右后侧激光位移传感器12的激光发射线方向与轨道2的水平面A的仰角为θ2，激光发射线方向与轨道2中心线x垂直。

进一步地，车轮传感器8沿轨道2的中心线x上与左前侧激光位移传感器9、左后侧激光位移传感器11距离相等。

一种高精度在线式轮对等效锥度测量方法，包括如下步骤：

第一步，待测列车沿着轨道2行驶，当待测列车轮对1经过车轮传感器8时，车轮传感器8发出触发信号激活整套测量装置，左侧激光轮廓传感器6对待测列车轮对1的左轮踏面外形轮廓进行高速连续采集并得到多组数据A1、右侧激光轮廓传感器7对右轮踏面外形轮廓进行高速连续采集并得到多组数据A2；左前侧激光位移传感器9测量出左前侧激光位移传感器9自身与待测列车轮对1的左轮内侧面前端的距离数据L1，右前侧激光位移传感器10测量出右前侧激光位移传感器10本身与待测列车轮对1的右轮内侧面前端的距离数据L2，左后侧激光位移传感器11测量出左后侧激光位移传感器11本身与待测列车轮对1的左轮内侧面后端的距离数据L3，右后侧激光位移传感器12测量出右后侧激光位移传感器12本身与待测列车轮对1的右轮内侧面后端的距离数据L4；上述采集所得L1、L2、L3、L4数据，均输入测量计算机待后续处理。

第二步，将L1、L2、L3、L4结合已知的仰角数值θ1与θ2进行坐标修正并取平均处理，可得出待测列车轮对1两轮之间的内侧距数值。

第三步，将L1、L2、L3、L4结合已知的仰角数值θ1与θ2进行坐标修正处理，还得出此时待测列车轮对1前侧相对轨道2中心线x的偏移量及待测列车轮对1后侧相对轨道2中心线x的偏移量，将两组偏移量数值进行比对即可算得此时待测列车轮对1相对轨道2中心线x的水平偏转角度φ。

第四步，将A1、A2进行取优去劣并取平均处理，获得、，再根据水平偏转角度φ对处理后的、进行修正处理，可得出高精度的待测列车轮对1的左轮踏面外形轮廓和右轮踏面外形轮廓，再结合待测列车轮对1两轮之间的内侧距数值，通过特定的等效锥度算法程序，即可高精准度的运算出待测列车轮对1的等效锥度数值。

第五步，根据轮对滚动圆半径差积分确定轮对横移幅值和横移量的对应关系，再由边界条件：即横移幅值对应的最大横移量和最小横移量对应的摇头角Ψ均为0，计算求解摇头角Ψ时的常数C， 得到常数C后积分确定摇头角Ψ与横移量y的函数，之后再进行积分，确定出轮对横移幅值对应的轮对运动波长λ，最后由公式得到轮轨等效锥度Tanγ。计算方法的具体流程参考背景技术中的文献。

第六步，当待测列车轮对1离开车轮传感器8后，车轮传感器8触发信号消失，各传感器暂停测量工作，当列车的下一条列车轮对1经过车轮传感器8时，测量装置重新激活并重复上述测量过程，直至列车的所有待测列车轮对1均经过车轮传感器8后测量结束，测量计算机将缓存中储存的各组轮对的等效锥度结果进行统计并形成表格以打印形式或数据上传形式输出，至此即完成所有待测列车轮对1的等效锥度的在线测量。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。