技术领域
[0001] 本
发明涉及轨道交通安全监测技术领域，特别是涉及一种车轮多边形测试分析方法和系统。
背景技术
[0002] 随着科技的不断发展,轨道车辆的技术也是日新月异，从
蒸汽机车、
内燃机车、
电力机车经历了多次变革，尤其是现代，高
铁以其快速舒适正逐渐成为日常出行的首选。并且随着城市发展和进步，地铁也成为人们日常生活必不可少的出行方式，所以目前轨道车辆包含了多种形式：动车组、客车、机车、货车、地铁以及其他特种车，但是，这些轨道车辆的共同点是，轮轨间的滚动
接触摩擦,这直接影响车辆与轨道耦合动力学性能及安全。由于不同的原因,高速列车会在运行一段时间后车轮表现出不同的形式,其中车轮多边形是车轮不圆中的一种特殊形式。车轮多边形不圆顺会加剧轮轨间的响应,对
钢轨、车辆等部件造成损害,缩短部件服役寿命,甚至可能危机列车运巧安全。车轮多边形问题曾导致震惊世界的ICE列车
脱轨事故,事故造成大量的人员伤亡车轮多边形是一个很复杂的过程,与轮轨系统的特殊性和列车运行环境密切相关。这些因素造成车轮圆周方向出现多边形特征,导致车轮周期性的非圆化或是非周期性的非圆化。车轮多边形的不平顺
波长分布在140mm到整个车轮周长,包括低阶和高阶不圆,波深量级为mm。目前,对多边形的研究主要集中在低阶不圆问题上,对多边形的形成机理还没达成统一的共识。针对国内高速列车出现的多边形问题,目前只有采取镟轮的办法来减缓。但是镟轮是针对已经产生多边形形变的轮对所采取的补救办法，尤其是
现有技术对车轮多边形的测量主要有大型设备中的测量部件或者其他非接触式测量设备，前者要求设备安装空间足够大，且安装和维护成本较高；后者在不同工况下测试时，易受到周围环境干扰。以上二者阻碍了车轮多边形的低成本和高效测试。例如
申请201310556634.0(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，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。并且因为车轮在测量中，会因为接触等产生一定的震动，导致测量不准确，使测量的
精度降低。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种车轮多边形测试分析方法和系统，能够提升精度和效率、具有较好可重复性、并且综合成本低。
[0004] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种车轮多边形测试分析系统，包括：
[0006]
数据处理器：负责将设备采集到的数据进行分析，得到被测车轮的不圆度曲线。
[0007] 进一步地，所述车轮多边形测试分析系统具有存储模块，以保存采集数据。
[0008] 进一步地，所述数据采集模块和所述数据处理器进行有线或无线数据传输；
[0009] 进一步地，所述数据传输方式为WIFI或USB线传输；
[0010] 进一步地，所述车轮多边形测试分析系统，具有电源供电模块，可选的使用
电池或USB线或电源供电。
[0011] 进一步地，所述车轮多边形测试分析系统还具有显示器，可以实时显示所述不圆度曲线。
[0012] 进一步地，所述数据采集模块，包括位移传感器、光电
编码器、磁通传感器、
支撑轮。
[0013] 进一步地，所述位移传感器为机械磁栅式，
分辨率0.1μm。
[0014] 进一步地，所述支撑轮：与被测车轮接触并随之转动。
[0015] 进一步地，所述光电编码器：被测车轮旋转时，带动所述支撑轮伴随转动，使所述光电编码器生成车轮圆周向行进距离，作为数据分析时的横坐标值，单位mm。
[0016] 进一步地，所述位移传感器：被测车轮旋转时，捕捉不同
位置的车轮不圆度
信号，作为数据分析时的纵坐标值，单位μm。
[0017] 进一步地，所述磁通传感器：还对应有磁扣，负责提供系统采集开始和结束的
控制信号。
[0018] 进一步地，上述数据处理器具有滤波、
曲率处理、窄带谱、1/3倍频程、阶次谱、波长分析和波长筛选等功能模块。
[0019] 进一步地，所述磁通传感器、位移传感器、光电编码器、数据处理器配置有工作指示灯，可选的，所述工作指示灯通过
颜色提示工作状态；
[0020] 进一步地，所述被测车轮可选地整装车轮在线检测，也可用于
单体车轮离线检测。
[0021] 进一步地，所述数据处理器，具有幅度稳定分析模块以及不圆度曲线生成模块。
[0022] 进一步地，所述幅度稳定分析模块，根据车速不同，进行幅度稳定分析，计算公式如下：f＝n·v/(2π(R+ΔR))，其中v为车辆运行速度，n为车轮多边形阶数，R为车轮滚动圆半径，ΔR为位移传感器实际测量值和出厂车轮滚动圆半径R的差值平均值，计算公式如下：其中i＝1,…,n，Ri+1表示第i+1次测量值。
[0023] 进一步地，所述不圆度曲线生成模块，考虑车速导致的震动进行修正，计算公式如下：
[0024]
[0025]
[0026] θt＝θ(t-1)+ω(1/fi+1-1/fi)
[0027] 其中 为车轮多边形的轮径差，θ为车轮转动的
角度，θ0为初始
相位角，R(θ)为输出半径，θt为i阶多边形的圆周角，ω为车轮转动
角速度，fi为i阶多边形的震动
频率。
[0028] 进一步地，所述数据处理器还具有输出模块，根据所述不圆度曲线生成模块的计算值，实时输出不圆度曲线，并且可选地，通过改变多边形阶数n、初始相位角、以及转速和车轮转动角速度，可以实时查看不同状况的车轮多边形情况。
[0029] 本发明还提供了针对上述系统的车轮多边形测试分析方法，包括：
[0030] S1.将车轮多边形测试分析系统安装到轨道或检测基准面上，被测车轮牢固架起并可以自由转动，与轨道表面保持适当距离；
[0031] S2.所述系统底座上安装有支撑轮和位移传感器；
[0032] S3.将磁扣安装在车轮适当位置，磁通传感器正对安装位置。磁扣随车轮同步旋转，首次触发磁通传感器时，系统开始采集数据，当车轮旋转一周，磁扣再次触发磁通传感器时，系统停止采集。
[0033] S4.支撑轮贴紧被测车轮安装，伴随车轮同步滚动；
[0034] S5.支撑轮和光电编码器机械连接，使其生成车轮圆周向行进距离，保证此距离和车轮转动周向距离实时同步；
[0035] S6.位移传感器安装在支撑轮平行位置，采集状态不受支撑轮转动影响；传感器触头顶住被测车轮表面，轴向延伸方向连接车轮和支撑轮圆心；转动的车轮表面不圆度实时通过位移传感器触头的伸缩，转换为微米级的粗糙度数据；
[0036] S7数据处理器依据磁通传感器的控制信号和横纵坐标数值生成车轮一周的不圆度曲线，同时以直角坐标和极坐标形式显示，并进一步生成阶次谱曲线。
[0037] 进一步地，所述车轮多边形测试分析系统具有存储模块，以保存采集数据。
[0038] 进一步地，所述数据采集模块和所述数据处理器进行有线或无线数据传输；
[0039] 进一步地，所述数据传输方式为WIFI或USB线传输；
[0040] 进一步地，所述车轮多边形测试分析系统，具有电源供电模块，可选的使用电池或USB线或电源供电。
[0041] 进一步地，所述车轮多边形测试分析系统还具有显示器，可以实时显示所述不圆度曲线。
[0042] 进一步地，所述数据采集模块，包括位移传感器、光电编码器、磁通传感器、支撑轮。
[0043] 进一步地，所述位移传感器为机械磁栅式，分辨率0.1μm。
[0044] 进一步地，所述支撑轮：与被测车轮接触并随之转动。
[0045] 进一步地，所述光电编码器：被测车轮旋转时，带动所述支撑轮伴随转动，使所述光电编码器生成车轮圆周向行进距离，作为数据分析时的横坐标值，单位mm。
[0046] 进一步地，所述位移传感器：被测车轮旋转时，捕捉不同位置的车轮不圆度信号，作为数据分析时的纵坐标值，单位μm。
[0047] 进一步地，所述磁通传感器：还对应有磁扣，负责提供系统采集开始和结束的控制信号。
[0048] 进一步地，上述数据处理器具有滤波、曲率处理、窄带谱、1/3倍频程、阶次谱、波长分析和波长筛选等功能模块。
[0049] 进一步地，所述磁通传感器、位移传感器、光电编码器、数据处理器配置有工作指示灯，可选的，所述工作指示灯通过颜色提示工作状态；
[0050] 进一步地，所述被测车轮可选地整装车轮在线检测，也可用于单体车轮离线检测。
[0051] 进一步地，所述数据处理器，具有幅度稳定分析模块以及不圆度曲线生成模块。
[0052] 进一步地，所述幅度稳定分析模块，根据车速不同，进行幅度稳定分析，计算公式如下：f＝n·v/(2π(R+ΔR))，其中v为车辆运行速度，n为车轮多边形阶数，R为车轮滚动圆半径，ΔR为位移传感器实际测量值和出厂车轮滚动圆半径R的差值平均值，计算公式如下：其中i＝1,…,n，Ri+1表示第i+1次测量值。
[0053] 进一步地，所述不圆度曲线生成模块，考虑车速导致的震动进行修正，计算公式如下：
[0054]
[0055]
[0056] θt＝θ(t-1)+ω(1/fi+1-1/fi)
[0057] 其中 为车轮多边形的轮径差，θ为车轮转动的角度，θ0为初始相位角，R(θ)为输出半径，θt为i阶多边形的圆周角，ω为车轮转动角速度，fi为i阶多边形的震动频率。
[0058] 进一步地，所述数据处理器还具有输出模块，根据所述不圆度曲线生成模块的计算值，实时输出不圆度曲线，并且可选地，通过改变多边形阶数n、初始相位角、以及转速和车轮转动角速度，可以实时查看不同状况的车轮多边形情况。
[0059] 本发明的有益效果是：1.应用领域广泛：应用领域及功能涵盖：轨道车辆(动车组、客车、机车、货车、地铁以及其他特种车)的车轮多边形测量；车轮平滑度与损伤的检测与评估；车轮周向不平顺的研究等。2。系统综合成本低：该测试系统结构紧凑，体积精巧，整体为便携式测试系统，可实现快速搭建测试，快速拆卸。单人即可完成操作，测试效率高，数据重复性好。实现了轨道车辆的车轮多边形高效和精准测试，单人可快速安装和拆卸设备，测试重复性高，报告生成简单快捷；3.在曲线输出过程中，加入速度导致的震动影响，对实际测量的轮径差进行修正，并实时输出，更加精确的直观地显示车轮多边形状态，为进一步的镟修等处理提供精确的参考。
附图说明
[0060] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0061] 图1为本发明的原理结构示意图；
[0062] 图2为本发明的系统结构示意图；
[0063] 图3为本发明的多边形阶数和速度关系
实施例图；
[0065] 附图标记：1.磁通传感器，2.位移传感器，3.光电编码器，4.数据采集模块,5.存储模块，6.幅度稳定分析模块，7.不圆度曲线生成模块，8.输出模块,9.数据处理器,10.支撑轮，11.被测车轮。
具体实施方式
[0066] 下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0067] 如图1-3所示，本发明提供的一种车轮多边形测试分析方法和系统，能够提升精度和效率、具有较好可重复性、并且综合成本低。
[0068] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种车轮多边形测试分析系统，包括：
[0069] 数据采集模块：采集数据；
[0070] 数据处理器：负责将设备采集到的数据进行分析，得到被测车轮的不圆度曲线。
[0071] 具体地，所述车轮多边形测试分析系统具有存储模块，以保存采集数据。
[0072] 具体地，所述数据采集模块和所述数据处理器进行有线或无线数据传输；
[0073] 具体地，所述数据传输方式为WIFI或USB线传输；
[0074] 具体地，所述车轮多边形测试分析系统，具有电源供电模块，可选的使用电池或USB线或电源供电。
[0075] 具体地，所述车轮多边形测试分析系统还具有显示器，可以实时显示所述不圆度曲线。
[0076] 具体地，所述数据采集模块，包括位移传感器、光电编码器、磁通传感器、支撑轮。
[0077] 具体地，所述位移传感器为机械磁栅式，分辨率0.1μm。
[0078] 具体地，所述支撑轮：与被测车轮接触并随之转动。
[0079] 具体地，所述光电编码器：被测车轮旋转时，带动所述支撑轮伴随转动，使所述光电编码器生成车轮圆周向行进距离，作为数据分析时的横坐标值，单位mm。
[0080] 具体地，所述位移传感器：被测车轮旋转时，捕捉不同位置的车轮不圆度信号，作为数据分析时的纵坐标值，单位μm。
[0081] 具体地，所述磁通传感器：负责提供系统采集开始和结束的控制信号。
[0082] 具体地，上述数据处理器具有滤波、曲率处理、窄带谱、1/3倍频程、阶次谱、波长分析和波长筛选等功能模块。
[0083] 具体地，所述磁通传感器、位移传感器、光电编码器、数据处理器配置有工作指示灯，可选的，所述工作指示灯通过颜色提示工作状态；
[0084] 具体地，所述被测车轮可选地整装车轮在线检测，也可用于单体车轮离线检测。
[0085] 具体地，所述数据处理器，具有幅度稳定分析模块以及不圆度曲线生成模块。
[0086] 具体地，所述幅度稳定分析模块，根据车速不同，进行幅度稳定分析，计算公式如下：f＝n·v/(2π(R+ΔR))，其中v为车辆运行速度，n为车轮多边形阶数，R为车轮滚动圆半径，ΔR为位移传感器实际测量值和出厂车轮滚动圆半径R的差值平均值，计算公式如下：其中i＝1,…,n，Ri+1表示第i+1次测量值。
[0087] 具体地，所述不圆度曲线生成模块，考虑车速导致的震动进行修正，计算公式如下：
[0088]
[0089]
[0090] θt＝θ(t-1)+ω(1/fi+1-1/fi)
[0091] 其中 为车轮多边形的轮径差，θ为车轮转动的角度，θ0为初始相位角，R(θ)为输出半径，θt为i阶多边形的圆周角，ω为车轮转动角速度，fi为i阶多边形的震动频率。
[0092] 具体地，所述数据处理器还具有输出模块，根据所述不圆度曲线生成模块的计算值，实时输出不圆度曲线，并且可选地，通过改变多边形阶数n、初始相位角、以及转速和车轮转动角速度，可以实时查看不同状况的车轮多边形情况。
[0093] 本发明还提供了针对上述系统的车轮多边形测试分析方法，包括：
[0094] S1.将车轮多边形测试分析系统安装到轨道或检测基准面上，被测车轮牢固架起并可以自由转动，与轨道表面保持适当距离；
[0095] S2.所述系统底座上安装有支撑轮和位移传感器；根据不同测试的位置要求，二者可相对于底座进行位置调整；
[0096] S3.将磁扣安装在车轮适当位置，磁通传感器正对安装位置。磁扣随车轮同步旋转，首次触发磁通传感器时，系统开始采集数据，当车轮旋转一周，磁扣再次触发磁通传感器时，系统停止采集。
[0097] S4.支撑轮贴紧被测车轮安装，伴随车轮同步滚动；
[0098] S5.支撑轮和光电编码器机械连接，使其生成车轮圆周向行进距离，保证此距离和车轮转动周向距离实时同步；
[0099] S6.位移传感器安装在支撑轮平行位置，采集状态不受支撑轮转动影响；传感器触头顶住被测车轮表面，轴向延伸方向连接车轮和支撑轮圆心；转动的车轮表面不圆度实时通过位移传感器触头的伸缩，转换为微米级的粗糙度数据；
[0100] S7.数据处理器依据磁通传感器的控制信号和横纵坐标数值生成车轮一周的不圆度曲线，同时以直角坐标和极坐标形式显示，并具体生成阶次谱曲线。
[0101] 具体地，所述车轮多边形测试分析系统具有存储模块，以保存采集数据。
[0102] 具体地，所述数据采集模块和所述数据处理器进行有线或无线数据传输；
[0103] 具体地，所述数据传输方式为WIFI或USB线传输；
[0104] 具体地，所述车轮多边形测试分析系统，具有电源供电模块，可选的使用电池或USB线或电源供电。
[0105] 具体地，所述车轮多边形测试分析系统还具有显示器，可以实时显示所述不圆度曲线。
[0106] 具体地，所述数据采集模块，包括位移传感器、光电编码器、磁通传感器、支撑轮。
[0107] 具体地，所述位移传感器为机械磁栅式，分辨率0.1μm。
[0108] 具体地，所述支撑轮：与被测车轮接触并随之转动。
[0109] 具体地，所述光电编码器：被测车轮旋转时，带动所述支撑轮伴随转动，使所述光电编码器生成车轮圆周向行进距离，作为数据分析时的横坐标值，单位mm。
[0110] 具体地，所述位移传感器：被测车轮旋转时，捕捉不同位置的车轮不圆度信号，作为数据分析时的纵坐标值，单位μm。
[0111] 具体地，所述磁通传感器：还对应有磁扣，负责提供系统采集开始和结束的控制信号。
[0112] 具体地，上述数据处理器具有滤波、曲率处理、窄带谱、1/3倍频程、阶次谱、波长分析和波长筛选等功能。
[0113] 具体地，所述磁通传感器、位移传感器、光电编码器、数据处理器配置有工作指示灯，可选的，所述工作指示灯通过颜色提示工作状态；
[0114] 具体地，所述被测车轮可选地整装车轮在线检测，也可用于单体车轮离线检测。
[0115] 具体地，所述数据处理器，具有幅度稳定分析模块以及不圆度曲线生成模块。
[0116] 具体地，所述幅度稳定分析模块，根据车速不同，进行幅度稳定分析，计算公式如下：f＝n·v/(2π(R+ΔR))，其中v为车辆运行速度，n为车轮多边形阶数，R为车轮滚动圆半径，ΔR为位移传感器实际测量值和出厂车轮滚动圆半径R的差值平均值，计算公式如下：其中i＝1,…,n，Ri+1表示第i+1次测量值。
[0117] 具体地，所述不圆度曲线生成模块，考虑车速导致的震动进行修正，计算公式如下：
[0118]
[0119]
[0120] θt＝θ(t-1)+ω(1/fi+1-1/fi)
[0121] 其中 为车轮多边形的轮径差，θ为车轮转动的角度，θ0为初始相位角，R(θ)为输出半径，θt为i阶多边形的圆周角，ω为车轮转动角速度，fi为i阶多边形的震动频率。
[0122] 具体地，所述数据处理器还具有输出模块，根据所述不圆度曲线生成模块的计算值，实时输出不圆度曲线，并且可选地，通过改变多边形阶数n、初始相位角、以及转速和车轮转动角速度，可以实时查看不同状况的车轮多边形情况。
[0123] 如附图2所示，被测车轮转动使位移传感器输出周向不圆度数据，同时，支撑轮的伴随转动使光电编码器输出周向行进距离，磁通传感器感应车轮旋转一周的开始和停止状态，实现系统采集的启停控制。数据传输线将以上数据实时传输到处理
软件，软件对数据进行保存、处理和输出后，生成车轮不圆度曲线和阶次谱曲线。
[0124] 如附图3所示，为使用本申请方法所输出的车轮实际不圆度图像。
[0125] 本发明的有益效果是：1.应用领域广泛：应用领域及功能涵盖：轨道车辆(动车组、客车、机车、货车、地铁以及其他特种车)的车轮多边形测量；车轮平滑度与损伤的检测与评估；车轮周向不平顺的研究等。2。系统综合成本低：该测试系统结构紧凑，体积精巧，整体为便携式测试系统，可实现快速搭建测试，快速拆卸。单人即可完成操作，测试效率高，数据重复性好。实现了轨道车辆的车轮多边形高效和精准测试，单人可快速安装和拆卸设备，测试重复性高，报告生成简单快捷；3.在曲线输出过程中，加入速度导致的震动影响，对实际测量的轮径差进行修正，并实时输出，更加精确的直观地显示车轮多边形状态，为具体的镟修等处理提供精确的参考。
[0126] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的
权利要求和
说明书的范围当中。
