鋼軌斷面輪廓檢測(cè)技術(shù)研究

徐濟(jì)松，高春雷，王發(fā)燈

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

鋼軌斷面輪廓檢測(cè)技術(shù)研究

徐濟(jì)松，高春雷，王發(fā)燈

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

為滿足鐵路部門不同的市場(chǎng)需求，在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外鋼軌斷面輪廓檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了基于光學(xué)成像原理的鋼軌斷面輪廓?jiǎng)討B(tài)檢測(cè)設(shè)備，并對(duì)基于激光三角測(cè)距原理的靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備的研制進(jìn)行了探討。動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備主要適用于鐵路鋼軌斷面輪廓病害的快速查找;靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備則適用于鐵路鋼軌，特別是道岔區(qū)域鋼軌輪廓的智能化、高精度檢測(cè)，利于鐵路部門精細(xì)化檢修。

鋼軌 輪廓 檢測(cè)

隨著鐵路運(yùn)營(yíng)速度和密度的不斷提升，輪軌沖擊荷載隨之增大，導(dǎo)致鐵路鋼軌的磨損日益嚴(yán)重，直接影響列車運(yùn)行的安全性、旅客乘坐的舒適性以及鋼軌使用壽命。

研究高精度的智能化檢測(cè)設(shè)備來(lái)指導(dǎo)鋼軌斷面的打磨維修，制定科學(xué)、合理的鋼軌磨損修復(fù)策略，重新修整道岔區(qū)域鋼軌輪廓，恢復(fù)道岔區(qū)域鋼軌設(shè)計(jì)狀態(tài)，對(duì)提高列車運(yùn)行的平穩(wěn)性、舒適性，延緩鋼軌病害的產(chǎn)生周期，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命等具有明顯的綜合效益［1］。

目前，鐵路部門對(duì)鋼軌斷面輪廓檢測(cè)還普遍依賴進(jìn)口檢測(cè)設(shè)備，存在價(jià)格昂貴、適應(yīng)性不足等問(wèn)題。因此，開(kāi)展鋼軌斷面輪廓檢測(cè)技術(shù)的研究，研制出智能化、高精度、適應(yīng)性強(qiáng)的鋼軌斷面廓形精度檢測(cè)設(shè)備，對(duì)實(shí)現(xiàn)鐵路鋼軌精細(xì)化檢修，實(shí)現(xiàn)鐵路安全運(yùn)營(yíng)具有十分重要的意義。

1 鋼軌斷面檢測(cè)設(shè)備現(xiàn)狀

鋼軌斷面輪廓檢測(cè)最初是利用機(jī)械接觸式手工方式進(jìn)行。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外鐵路部門開(kāi)始研究利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)自動(dòng)測(cè)量鋼軌斷面輪廓［2］。

鋼軌斷面輪廓檢測(cè)按測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩種。目前，典型檢測(cè)設(shè)備有如下4種:

1)接觸式鋼軌斷面檢測(cè)設(shè)備

該檢測(cè)系統(tǒng)采用接觸式手工方式，具有直觀、便攜等優(yōu)點(diǎn)，如圖1所示。該系統(tǒng)由一臺(tái)筆記本電腦、一個(gè)專用伸縮箱及輪軌測(cè)量裝置構(gòu)成。測(cè)量單元是一直徑很小的磁輪，可靠地接觸被測(cè)物表面。系統(tǒng)是由兩個(gè)連接桿構(gòu)成，并以雙角度的方式形成二維自由檢測(cè)系統(tǒng)。

測(cè)量時(shí)，人工操作測(cè)量桿“描繪”鋼軌斷面，計(jì)算機(jī)得到傳感器的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)并計(jì)算出被測(cè)鋼軌斷面輪廓，完成鋼軌斷面輪廓測(cè)量。但據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)，該設(shè)備測(cè)量行程略小，探針無(wú)法測(cè)量到軌顎位置，不利于鋼軌磨耗的評(píng)估。此外，該設(shè)備無(wú)法適應(yīng)道岔區(qū)域測(cè)量，且存在效率低、人工測(cè)量勞動(dòng)強(qiáng)度大等不足。

2)非接觸式鋼軌斷面靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備

非接觸式鋼軌斷面靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備主要采用激光三角測(cè)距原理，通過(guò)激光測(cè)距傳感器橫向移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼軌斷面輪廓的測(cè)量，如圖2所示。

圖1 接觸式鋼軌斷面檢測(cè)設(shè)備

圖2 非接觸式鋼軌斷面靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備

該設(shè)備自帶操作屏和存儲(chǔ)卡，直接在線檢測(cè)鋼軌斷面，具有檢測(cè)精度高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于國(guó)內(nèi)鐵路斷面輪廓檢測(cè)而言，產(chǎn)品功能適應(yīng)性存在不足。

3)非接觸式鋼軌斷面動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備

非接觸式鋼軌斷面動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備主要采用光學(xué)成像原理，利用高速相機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量被掃描鋼軌斷面輪廓的形狀，如圖3所示。

圖3 非接觸式鋼軌斷面動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備

4)軌檢車鋼軌斷面輪廓檢測(cè)

國(guó)內(nèi)外高速動(dòng)檢車均配有基于光學(xué)成像原理的鋼軌斷面檢測(cè)裝置，利用激光線掃描鋼軌輪廓，高速工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝斷面圖像，并由服務(wù)器數(shù)據(jù)處理單元對(duì)輪廓線進(jìn)行分析、處理，給出鋼軌磨損量等信息。其測(cè)量方式如圖4所示。

圖4 動(dòng)檢車鋼軌斷面檢測(cè)示意

2 鋼軌斷面檢測(cè)設(shè)備研制

2.1 主要研究?jī)?nèi)容

為了實(shí)現(xiàn)鐵路鋼軌斷面輪廓智能化、高精度檢測(cè)，需開(kāi)展的研究?jī)?nèi)容主要有:

1)深入研究國(guó)內(nèi)鐵路正在使用及將要使用的各種型號(hào)鋼軌結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立智能化的鋼軌斷面輪廓結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2)研究鋼軌斷面輪廓檢測(cè)技術(shù)，并開(kāi)發(fā)智能化的數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各型號(hào)鋼軌檢測(cè)結(jié)果智能分析，為鐵路鋼軌磨損的精細(xì)化維修提供科學(xué)依據(jù)。

3)開(kāi)展鋼軌斷面磨損修復(fù)策略研究，制定科學(xué)、合理的修復(fù)方案，為磨損鋼軌設(shè)計(jì)合適的目標(biāo)廓形，以改善輪軌接觸狀態(tài)，延長(zhǎng)鋼軌壽命。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)根據(jù)鐵路各型號(hào)鋼軌結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立智能化數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果智能化分析。

2)利用數(shù)字濾波技術(shù)，消除環(huán)境因素干擾，實(shí)現(xiàn)鋼軌斷面輪廓的高精度測(cè)量。

3)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)，研究合理的理論算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)廓形與設(shè)計(jì)廓形的智能擬合。

4)對(duì)鋼軌斷面磨損進(jìn)行評(píng)估分析，根據(jù)線路現(xiàn)場(chǎng)需要，為磨損鋼軌設(shè)計(jì)合適的目標(biāo)廓形，以改善輪軌接觸狀態(tài)。

2.3 動(dòng)態(tài)檢測(cè)

2.3.1 鋼軌斷面動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備原理與結(jié)構(gòu)組成

鋼軌斷面輪廓?jiǎng)討B(tài)檢測(cè)系統(tǒng)主要由激光器、工業(yè)相機(jī)、計(jì)算機(jī)處理單元等部分組成，如圖5所示。

圖5 鋼軌斷面輪廓?jiǎng)討B(tài)檢測(cè)設(shè)備組成示意

采用非接觸式激光成像原理［3］，利用工業(yè)相機(jī)對(duì)激光器成像進(jìn)行捕捉，由采集單元進(jìn)行成像分析處理，提取出輪廓中心線［4-5］，再利用最小二乘法對(duì)鋼軌實(shí)測(cè)廓形與理論廓形進(jìn)行擬合，最終給出鋼軌斷面輪廓各點(diǎn)法向偏差量，其實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)處理流程示意

2.3.2 技術(shù)指標(biāo)

鋼軌斷面輪廓?jiǎng)討B(tài)檢測(cè)設(shè)備主要指標(biāo)如下:

1)鋼軌斷面輪廓檢測(cè)精度:±0.1 mm;

2)檢測(cè)效率:1 Hz;

3)檢測(cè)范圍:鋼軌內(nèi)側(cè)70°到外側(cè)40°(指斷面圓弧法線與鋼軌垂直中心線的交角)。

2.3.3 應(yīng)用情況

2013年5月，在昆明中鐵生產(chǎn)的鋼軌銑磨車上，完成了鋼軌斷面輪廓?jiǎng)討B(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的裝車、調(diào)試、培訓(xùn)等工作。隨整車出廠后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)用戶操作要求，對(duì)系統(tǒng)軟件功能進(jìn)行了完善和升級(jí)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖7 鋼軌斷面輪廓?jiǎng)討B(tài)檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2.4 靜態(tài)檢測(cè)

2.4.1 靜態(tài)檢測(cè)原理與結(jié)構(gòu)組成

鋼軌斷面輪廓靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備采用激光三角測(cè)距原理，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳感器在導(dǎo)軌上橫移，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌斷面輪廓的測(cè)量，并將輪廓實(shí)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較分析，給出修復(fù)方案。其檢測(cè)原理如圖8所示，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 靜態(tài)檢測(cè)原理示意

圖9 靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

2.4.2 技術(shù)指標(biāo)

鋼軌斷面輪廓靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備主要指標(biāo)檢測(cè)精度如下:

1)鋼軌廓形:±0.05 mm，橫斷面測(cè)量范圍為150 mm;

2)尖軌相對(duì)于基本軌降低值:±0.05 mm(專指道岔區(qū)域);

3)心軌相對(duì)于翼軌降低值:±0.05 mm(專指道岔區(qū)域);

4)尖軌、基本軌、心軌肥邊大小:±0.05 mm(專指道岔區(qū)域)。

根據(jù)鋼軌斷面輪廓靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備的市場(chǎng)應(yīng)用與技術(shù)參數(shù)要求，進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)和硬件選型，并搭建試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)選定傳感器的性能指標(biāo)和固定方式進(jìn)行試驗(yàn)，確定了電氣硬件和機(jī)械結(jié)構(gòu)的最終方案。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

圖10 電氣硬件和機(jī)械結(jié)構(gòu)方案試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3 結(jié)語(yǔ)

在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外鋼軌斷面輪廓檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了基于光學(xué)成像原理的動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備，基于激光三角測(cè)距原理的靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備也已具備雛形，以滿足鐵路部門不同的市場(chǎng)需求。

隨著鋼軌銑磨車的市場(chǎng)應(yīng)用與推廣，鋼軌斷面輪廓?jiǎng)討B(tài)檢測(cè)設(shè)備也將得到越來(lái)越多的市場(chǎng)應(yīng)用。通過(guò)后期系統(tǒng)的不斷完善與改進(jìn)，鋼軌斷面輪廓?jiǎng)討B(tài)檢測(cè)設(shè)備還可應(yīng)用于地鐵銑軌、打磨等鋼軌維修車上，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。

鋼軌斷面輪廓靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備主要應(yīng)用于檢測(cè)道岔區(qū)域鋼軌斷面磨損，指導(dǎo)道岔區(qū)域鋼軌的打磨維修。隨著高速鐵路運(yùn)營(yíng)速度和密度的不斷提升，道岔區(qū)域鋼軌因其結(jié)構(gòu)和承載方式有所差異，鋼軌的磨損尤為突出。因此，道岔區(qū)域鋼軌磨損的日常檢修將是鐵路相關(guān)部門必須面臨的一個(gè)全新課題，而鋼軌斷面輪廓靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備將在此領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

［1］陳東生，田新宇.中國(guó)高速鐵路軌道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展［J］.鐵道建筑，2008(10):82-86.

［2］孟佳，高曉蓉.鋼軌磨耗檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2005(1):34-36.

［3］孫軍華，王偉華，劉震，等.基于結(jié)構(gòu)光視覺(jué)的鋼軌磨耗測(cè)量方法［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，36(9):1026-1029.

［4］王偉華，孫軍華，劉震，等.鋼軌磨耗動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)構(gòu)光條紋中心提取算法［J］.激光與紅外，2010，40(1):87-90.

［5］賈倩倩，王伯雄，羅秀芝.光切法形貌測(cè)量中光條中心的亞像素提取［J］.光學(xué)精密工程，2010，18(2):390-396.

Research on inspection technology for rail profile contour

XU Jisong，GAO Chunlei，WANG Fadeng
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

To meet different railway department market requirements，based on sufficient investigation and research of domestic and foreign rail section contour detection technology，the rail section contour dynamic detection device according to optical imaging principle was manufactured，and the static detection device development according to laser triangulation principle was studied.The dynamic detection device is used for quick search of rail section contour diseases and the static device is used for intelligent and high precision rail contour detection，especially in turnout zone，which could be conductive to the railway department for the fine inspection and repair of rails.

Rail;Contour;Detection

U216.67

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.19

1003-1995(2015)01-0084-04

(責(zé)任審編 李付軍)

2014-11-15;

2014-12-20

徐濟(jì)松(1982—)，男，江西瑞昌人，助理研究員，碩士。