軌道扣件智能檢測系統的設計及應用

劉妮娜 王永錄

(1.南京鐵道職業技術學院軌道交通綜合實訓中心， 南京 210031 ；

軌道扣件智能檢測系統的設計及應用

劉妮娜1王永錄2

(1.南京鐵道職業技術學院軌道交通綜合實訓中心， 南京 210031 ；

2.蘭州鐵路局蘭西機務段客運車間， 蘭州 730000)

扣件失效是軌道系統最常見的病害之一，發生概率很高，因此扣件檢查成為高速鐵路日常巡檢重點項目，是保障高速鐵路運營安全的關鍵措施之一。目前，鐵路部門對扣件檢查基本采用人工檢查方式，這種檢查方式存在工作效率低、勞動強度大、人為因素干擾多、檢查采樣率低等缺點。文章研究Intelligent Rail Car軌道扣件智能檢測系統(簡稱iRC小車)的工作原理、結構組成及功能，經過實驗測試應用，iRC小車能夠有效檢測、反饋扣件的異常狀態作為扣件彈條養護維修的依據，成為高速鐵路工務維護人員巡查軌道扣件的快速有力的輔助工具。

軌道扣件； 智能檢測系統； 功能； 扣件檢測

隨著高速鐵路大規模的通車,從整體上確保高速鐵路的系統安全性和可持續性是我國高速鐵路面臨的重大挑戰。我國《高速列車科技發展“十二五”專項規劃》指出:“研究并形成作為高速列車安全可靠運行的承載和支撐的基礎設施建設、養護及服役狀態檢測技術體系是大規模高速鐵路網能力形成、運營安全、能力保持和高效運營的全局性保障,是我國高速鐵路網能力形成與保持的戰略需求”。

扣件系統作為軌道結構的關鍵部件，其基本功能包括：保持軌距、防止鋼軌爬行、增大軌道框架、提供軌道絕緣、保證軌道電路正常工作和調整鋼軌位置等。扣件失效將會改變軌道軌距、平順度，增大列車動態脫軌系數。扣件失效是軌道系統最常見的病害之一，發生的概率很高，扣件檢查成為高速鐵路日常巡檢重點項目，是保障高速鐵路運營安全的關鍵措施之一[1]。

目前，鐵路部門對扣件檢查基本采用人工檢查方式，檢查人員以塞尺作為檢查工具，輔助頭燈照明裝置，逐個檢查扣件的狀態。我國高速鐵路的軌道檢查在夜間進行，提供的天窗時間短，因而使得這種檢查方式存在工作效率低、勞動強度大、人為因素影響多、檢查采樣率低等缺點，不滿足我國高速鐵路軌道扣件服役狀態普查的要求。

1 iRC小車工作原理及組成功能

1.1 工作原理

iRC小車主要用于自動檢測軌道扣件的完整性以及彈條的緊固狀態，同時自動測量扣件墊板厚度[2]。系統采用高精度激光傳感器同步掃描軌道扣件，獲得扣件的三維點云，通過處理軟件智能、快速、可靠地檢測扣件的完整性和彈條的緊固狀態，并實時聲光報警，同時保存檢測結果，作為扣件系統養護維修的依據，是軌道維護人員巡查扣件系統快速有效的輔助工具。

1.2 組成及技術指標

1.2.1 組成

iRC小車主要由鋰電池組、顯示器、推桿、同步控制器、編碼器、聲光報警器、激光傳感器組成，如圖1所示。

圖1 iRC軌道扣件智能檢測系統組成

1.2.2 技術指標

(1)檢測速度：0～10 km/h；

(2)檢測精度：±0.1 mm；

(3)持續工作時間：大于4 h；

(4)工作溫度：-10℃～50℃；

(5)存儲容量：120 G；

(6)設備重量：小于35 kg；

(7)幾何尺寸：180 cm×60 cm×35 cm。

1.3 功能

1.3.1 扣件檢測[3]

iRC小車可以檢測我國高速鐵路扣件類型有：WJ-7、WJ-8、W300-12、W300-14、WJ-5等。可檢測扣件間隙、丟失、嚴重損壞、絕緣塊丟失、扣件異常(與iRC小車能檢測扣件類型的模型不匹配且不適用上述檢測項目的其他病害)、墊厚度及軌枕間隔過大等，其他未被收錄的類型，經過系統進行采集建模后可以加入檢測。扣件檢測功能如表1所示。

表1 扣件檢測功能表

1.3.2 軌枕定位

iRC小車能給予每一根軌枕唯一的編號，此編號由用戶進行設置，可以選擇用CPIII編號、軌道板編號、里程來指定。iRC小車上線檢測開始時，只要設定第一根軌枕的編號值，此后根據用戶選擇的編號類型自動推算下一個軌枕編號。iRC小車把每根軌枕上的4個扣件檢測結果與軌枕編號一一對應，并存儲到數據庫中。

(1)CPIII編號:CPIII編號中包含里程信息。只要使用CPIII編號就可以快速定位到唯一的軌枕，但是當每個CPIII中包含的軌枕數不一致時，軌枕定位比較復雜。

(2)軌道板編號：每塊軌道板上的軌枕數量基本一致，使用軌道板編號時再加上iRC小車生成的里程信息，可以很好的為每一根軌枕定位。

(3)里程：iRC小車在使用時，由用戶設置起始里程。在檢測過程中自動計算里程。每經過一根軌枕，里程信息就與其對應。

1.3.3 報警提示

每次聲光報警時，提示操作人員當前軌枕上的扣件有病害。操作人員聽到報警后，停止iRC小車，根據iRC小車對扣件病害的提示進行相關維護后完成軌道檢測。

1.3.4 數據導出

能導出當次檢測的結果。用戶可以對檢測結果進行處理，如報表、統計、分析等。在進行統計分析后，可以發現哪些地段是病害多發區，哪些地段良好。對于病害多發區域，可以加大檢測頻率，以有效完成軌道維護工作。

1.3.5 項目管理

iRC小車以項目方式對每一次上線維護工作進行管理。用以保存本次上線工作的人員、線路、行別、總里程、上線下線、時間等信息。

2 iRC小車軌道檢測后處理軟件

iRC小車軌道扣件系統智能分析軟件是基于iRC小車軌道扣件智能檢測系統采集的扣件輪廓數據，所制作的扣件輪廓數據后處理軟件。該軟件提供扣件檢測和鋼軌底板與軌道板高差檢測功能，支持三維播放現場扣件情況，存儲并導出檢測結果。

2.1 墊板厚度計算

通過瀏覽扣件輪廓數據，在后處理軟件中，通過剖面視圖(如圖2所示)計算鋼軌底板與軌道板之間的高差。經過修正后得出鋼軌墊板的厚度[4]。

圖2 扣件剖面視圖

2.2 扣件檢測

扣件狀態包括扣件間隙、扣件丟失、絕緣塊丟失、扣件嚴重損壞和扣件異常等。當扣件檢測數據(如圖3所示)出現上述狀態時的軌枕被判定為問題軌枕，其他為正常軌枕。

圖3 扣件檢測數據

2.3 軌道輪廓三維瀏覽

操作數據讀取控制工具和三維視圖工具可觀看三維視圖，如圖4所示。

圖4 扣件三維點云圖

3 扣件檢測實驗

3.1 組成

工務管理系統的組成如圖5所示。

圖5 工務管理系統組成

3.2 工作流程

使用移動存儲設備從iRC小車導出扣件的原始明細表，通過精細化數字工務管理軟件導入到數據庫服務器。精細化數字工務管理軟件能對歷史數據進行查詢、報表統計、扣件變化曲線分析、對比。工作流程如圖6所示。

圖6 工作流程

3.3 扣件管理

扣件管理包括管理扣件偏移、定位、工務人員維護狀況等相關信息。數據查詢是根據時間來查詢相關信息(如圖7所示)。

圖7 數據查詢

報表處理(如圖8所示)是以指定段、時間區間、左右股及內外側扣件，獲取同一段內一系列的扣件，在歷次檢查結果的變化曲線圖中可以分析出哪一段線路的扣件病害情況嚴重，根據分析結果得出重點維護段[5]。

圖8 報表處理

3.4 扣件檢測測試

2013年7月25日京津城際線路上行線扣件檢測結果如表2所示。檢測時間從1：22：35到1：49：27，行程1 km，檢查扣件緊固狀態總數量為6 040個，處于1.0 mm之下的有5 898個，合格率為97.65%；處于1.0 mm之上的有142個，不合格率為2.35%，如表3所示。問題維護報表，如表4所示。

表2 2013年7月25日對W300-14型扣件檢測結果報表

表3 各種間隙的扣件統計表

表4 問題維護報表

在問題報表中發現一軌枕上的扣件絕緣塊丟失。通過對比現場問題的三維視圖(如圖9所示)，確認絕緣塊丟失，準備配件，安排維護任務。

圖9 扣件三維視圖

4 結束語

軌道扣件智能檢測系統的應用，克服了我國高速鐵路的軌道檢查在夜間進行時提供的天窗時間短，以及傳統人為檢查方式工作效率低、勞動強度大、人為因素影響多、檢查采樣率低等缺點，提高了工作效率，給高速鐵路運行安全提供了保障，成為高速鐵路工務維護人員巡查軌道扣件快速有力的輔助工具。為我國高速鐵路線路“預防為主、防治結合、修養并重”的維修原則提供了真實可靠的技術支持。

[1] 趙新軍.技術創新理論(TRIZ)及應用[M].北京:化學工業出版社,2004. ZHAO Xinjun. Technological Innovation Theory (TRIZ)and Application [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2004.

[2] 佘元冠,石貴龍.基于TRIZ 理論的QFD改進技術研究[J].科技管理研究,2008,28(3):182-184. SHE Yuanguan, SHI Guilong. Research on QFD Improvement Techniques based on the Theory of TRIZ [J]. Science and Technology Management Research, 2008,28(3):182-184.

[3] Altshuller.AND suddenly the Inventor Appeared[M].Technieal Innovation Center,INC.,Worcester,1996.

[4] 劉學毅，王平.車輛軌道路基系統動力學[M].成都:西南交通大學出版社，2010. LIU Xueyi, WANG Ping. Rolling Stock Track Subgrade System Dynamics [M]. Chengdu: Southwest Jiaotong University Press, 2010.

[5] 廣州地下鐵道總公司.廣州市三號線北延線車輛一系鋼彈簧斷裂與軌道彈條斷裂問題測試[Z].廣州市:廣州地下鐵道總公司,2015. Guangzhou Metro Corporation. Test of Steel Spring Breakage and Elastic Strip Fracture of Rolling Stock of the North Extension Line in Guangzhou No.3 Line [Z]. Guangzhou: Guangzhou Metro Corporation, 2015.

[6] 傅志方,華宏星.模態分析理論與應用[M].上海:上海交通大學出版社,2000. FU Zhifang, HUA Hongxing. Modal Analysis Theory and Application [M]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University Press, 2000.

[7] Wu Z, Ning X J, Zhao P R. Analysis of Fretting Wear of Type II Fastener Elastic Bar[J]. Applied Mechanics and Materials, 2012,178:1469-1473.

[8] 薛濤,李鵬程,孫成禮.鐵路用Ⅱ型彈條扣件失效分析 [J].新疆鋼鐵,2000，6(2):3-5. XUE Tao, LI Pengcheng, SUN Chengli. Failure Analysis of Type II Spring Fasteners for Railway [J]. Journal of Xinjiang Steel, 2000,6(2):3-5.

[9] 錢廣春.基于計算機視覺的鐵路扣件缺失快速探測方法研究[D].上海:上海交通大學，2011. QIAN Guangchun. Research on the Rapid Detection Method on Missing Railway Fastener Based on Computer Vision [D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University,2011.

[10]王月月,李賢徽,趙俊娟.軌道扣件狀態檢測系統的設計與研究[J].電聲技術,2015,39(10)：39-42. WANG Yueyue,LI Xianhui,ZHAO Junjuan. The Design and Research of Rail Fastener State Detection System[J].Audio Engineering,2015，39(10)：39-42.

[11]范宏.基于圖像的鐵路扣件缺陷檢測算法研究[D].成都:西南交通大學,2012. FAN Hong. Research on the Detection Algorithm on Railway Fastener Defects Basesd on Image[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2012.

[12]蘭海洋，金浩，劉維寧，等.雙彈性墊板剛度對扣件減振性能影響研究[J].鐵道標準設計,2015，59(2)：9-12. LAN Haiyang,JIN Hao, LIU Weining, et al. Research on Vibration Reduction Performance of Fasteners Affected by Stiffness of Double Elastic Pads[J].Railway Standard Design,2015，59(2)： 9-12.

[13]梁寺.提速鐵路軌道養護管理研究[D].成都:西南交通大學,2005. LANG Si. Research on Acceleration of Railway Track Maintenance Management [D].Chengdu: Southwest Jiaotong University，2005.

Design and Application of Intelligent Testing System of Rail Fastener

LIU Nina1WANG Yonglu2

(1.Nanjing Institute of Railway Technology , Engineer Jiangsu Nanjing,Nanjing 210031,China；2.Lanzhou railway passenger locomotives Nancy workshop, Secretary of Party General Branch,Lanzhou 730000,China)

The failure of fastener is one of the most common harms in railway system, and it occurs most frequently, so the inspections of the fasteners are a key project in the daily checking of the high-speed railway, which is also a critical measure to guarantee the high-speed railway security. At present, the inspections of the fasteners all depend on the manual methods for the railway department, which are featured by low efficiency and sampling rate, high working intensity and many interferences of human factors. In this paper, the principle, structure and function of the iRC railway fastener intelligent detection system (the iRC car) are investigated and through the experimental test, the results prove that the iRC car can detect the abnormal conditions of the fasteners effectively and feed them back to the system, which also provides supports for the maintenance of the fastener. The IRC car becomes an fast aided tool for the high-speed railway workers in railway fastener inspections.

railway fastener; intelligent detection system; function; railway fastener inspection

2016-01-04

劉妮娜(1981-)，女，工程師。

1674—8247(2016)04—0055—05

TP212

A