激光式自動化檢測鋼軌波磨裝置研究

(上海工程技術大學 城市軌道交通學院，上海 201620)

0 引言

鋼軌波浪形磨耗(以下簡稱波磨)是指鐵路鋼軌在經過車體多次通過后，鋼軌軌面出現形似波浪且具有一定規律的磨損現象。磨損長度(波長)主要集中在50～200 mm，最大磨損深度(波深)達到了1.37 mm[1]。隨著我國鐵路里程和車輛運行時速的不斷增加，波磨現象越來越多。經過國內外研究顯示對鋼軌波磨早期的預防和打磨等處理，可以很大程度上降低鋼軌進一步的磨損以及對車體的損害。

目前國內外大多波磨檢測儀器測量方式可分為接觸式測量和非接觸式測量[2]。機械式鋼軌磨損測量儀有：英國道比研究中心的鋼軌斷面測量儀，使用測量探頭直接接觸鋼軌表面得到磨損數據；德國VOGE公司研發的SKM1軌頭磨耗檢測裝置，該設備借助探針對鋼軌表面進行掃描并將探針軌跡繪制在圖紙上[3]。非接觸式測量有：奧地利格拉茲公司研制的手持電子測量儀，通過鋼軌上方傳感器掃描鋼軌得到鋼軌表面磨耗數據；瑞士ELAG ELECTRONIC AG公司研制的激光便攜軌道檢測儀[4]。

為了精確快速獲得鋼軌波磨數據，研制了自動化便攜式波磨測量儀，并對上海地鐵二號線部分路段進行了實際測量分析。本研究裝置檢測時放置于鋼軌上，主要采用非接觸式激光測距傳感器進行鋼軌軌面掃描，使用步進電機帶動傳感器循環掃描軌面。數據傳輸使用WIFI建立上位機與下位機的通信，使用C#開發了相應的軟件，對采集數據進行分析處理。檢測裝置結構簡單，方便攜帶，可靠性好，自動化程度高，能夠精確反應鋼軌波磨實際數據。

1 激光測量波磨基本方法與原理

弦測法主要應用于高精度檢測，隨著檢測傳感器精度的提高，弦測法更廣泛地應用于鋼軌磨損檢測。其原理如圖1所示。將儀器縱向放于鋼軌上，以儀器兩側的連線作為弦，通過中間傳感器測量弦到鋼軌的距離作為鋼軌磨損測量值。當傳感器測點到儀器兩側距離相等時(a=b)，則稱之為等弦測量；其間距不等時(a≠b)，稱之為不等弦測量[5]。

本設備檢測方法為不等弦測量，如圖1所示，設測量弦長為L，在儀器下方安裝激光位移傳感器。假設鋼軌的縱向不平順為x(t)，儀器實際測量值為y(t)，則x(t)和y(t)之間的關系可表達為:

圖1 弦測法測量原理圖

(1)

式(1)中，t是傳感器在檢測儀器上運行的距離。

將式(1)中實際值與測量值關系式進行傅里葉變換，得：

Y(Ω)=H(Ω)·X(Ω)=(1-COS(πL/λ)·X(Ω))

(2)

式(2)中，H(Ω)是頻率傳遞函數，Ω是空間角頻率，λ是鋼軌波磨的實際長度，L是基于弦測法的檢測儀器弦長。

波磨評估方法對樣本取均方根，均方根(RMS)常用于大樣本采樣數據處理，也被稱為樣本有效值，目前在鋼軌表面磨耗評價中大量應用。由于一定長度內采集到的鋼軌波磨數據樣本過大，對樣本取均方根處理后可以更精確地反應該區段內鋼軌波磨的實際磨損程度。設采樣點i=1,2,3...n，各樣本點所對應的波磨縱向磨耗為x1,x2,x3...xn，則可通過式1計算出該區段鋼軌磨耗程度XRMS。

(3)

通過式(3)算出鋼軌磨耗程度XRMS，將其與ISO-3095: 2005 C(E)標準中規定的鋼軌軌面理想平整度標準值比較，可得出該區段鋼軌的實際磨耗嚴重程度。這種鋼軌磨耗評價方法目前主要應用于基于弦測法的鋼軌波磨檢測儀器上，對檢測儀器的傳感器精度要求比較高。

設備傳感器精度為10 μm，可測出約一米范圍內單條鋼軌波磨曲線，并對波磨數據進行分析。圖2為波磨測量設備原理圖。測量設備平放于鋼軌之上，縱梁AB需與鋼軌CD保持大致平行，帶有同步輪的同步帶在步進電機的驅動下帶動傳感器在鋼軌上水平移動，同時編碼器接收水平移動所產生的脈沖將其發送給單片機采集板，使用增量式編碼器輸出方波脈沖進行空間等距離采樣控制，采樣步長為5 mm。

圖2 波磨測量設備原理圖

傳感器檢測的波磨數據以模擬量的方式輸出，模擬量與采樣距離呈線性比例關系，如圖3所示，通過單片機讀取傳感器采集數據。

圖3 模擬量與采樣距離線性關系

為了將上述測量方法應用于實際測量，研制了圖4所示的波磨測量設備(專利號：ZL 2017 2 1425380.9)。設備主體由縱梁組成，還包括滑動桿、定位腳改、限位釘、滑塊，滑動桿固定在左右側架之間，滑塊用于安放編碼器和傳感器；定位腳改固定在左右側架之上，限位釘位于定位腳改的螺孔之中，用于固定檢測裝置和改變位置；還包括采集板，計算機等組成[6]。

圖4 波磨測量儀機械結構圖

裝置使用前需調節限位釘位置，使傳感器激光束對準鋼軌中央，并將設備固定于鋼軌上，防止儀器采集過程中，意外的觸碰導致設備晃動從而產生誤差；然后將放置傳感器的滑塊推到一端，按下啟動按鈕，傳感器在步進電機帶動下勻速移動。為避免傳感器重復測量，使用編碼器輸出脈沖作為控制信號，達到傳感器移動與數據采集同步的效果。鋼軌波磨數據通過單片機采集板發送到上位機，由軟件系統將磨損數據生成波磨曲線圖。

2 波磨檢測系統設計

2.1 硬件設計

本設備采用以STM32C8T6為芯片的采集板，采集板上嵌入WIFI芯片與上位機進行數據傳輸。對傳感器模擬量進行采集，其中步進電機驅動脈沖由單片機定時器T1的pwm波提供脈沖輸出，同時為了提高檢測速度和步數的精度，單片機定時器T3對編碼器輸出脈沖進行捕獲來控制定時器T1的脈沖輸出，保證設備的同步等間距采樣。圖5是硬件系統總體結構框圖。

圖5 硬件系統總體結構框圖

如果步進電機運行時以TL轉矩帶動負載，啟動頻率為f2，則步進電機的啟動頻率必須小于步進電機正常運轉時的頻率f2，如圖6所示，再將啟動時的低頻f1通過增加步進脈沖頻率的方式加速到正常運行時的頻率f2，由于步進電機的負載轉矩在正常運行時維持不變，其電磁轉矩降低。

因此正常運行轉矩與負載轉矩TM-TL之差減小，步進電機從啟動到正常運行期間的加速由TM-TL決定。在步進電機進入穩定運行之后，其轉矩需要保持在啟動轉矩和失步轉矩之間，即f1

圖6 加速特性

步進電機在正常運行時，維持最大轉矩運行一定時間，之后以停機頻率f2減速直到步進電機停轉。若在步進電機啟動加速過程中，轉矩和速度呈線性關系，形成梯形加速曲線；若步進電機轉矩和其轉軸運行速度關系呈S型曲線，則形成S型加速曲線。同理，步進電機在減速時與加速過程相同。梯形與X軸所包圍的面積等于步進電機走的總步數。

若步進電機步距角設為θs，步進電機啟動時的加速時間設為t0，Ta是加速時的負載轉矩:

(4)

T=SF(Ta+TL)

(5)

式(4)和(5)中，SF是步進電機正常運行時的安全系數，一般在1.3～2之間，通過式(4)和(5)可計算出步進電機在額定工作狀態下所能輸出的最大轉矩T。本設備所需的動態拉力約在8 N，選擇35HB27型電機，扭矩為10 N/cm，滿足設備所需要的動態拉力。

2.2 數據傳輸方式

激光傳感器采集鋼軌磨損數據以模擬量輸出到單片機，再由ADC采集發送到WIFI芯片。WIFI與上位機的通訊使用透傳模式，芯片使用ESP8266，在通信之前使用ESP8266的AT指令集對檢測儀器進行相關配置，使單片機與上位機進入可通信狀態，使用AT+CWMODE=1指令進入STATION模式連接WIFI；并通過TCPIP通信將數據通過WIFI發送到上位機。

在WIFI到上位機的連續數據傳輸過程中使用循環緩沖區即隊列FIFO，遵循先入先出的數據進出方式。將WIFI發送到上位機的數據存入緩沖區，同時將緩沖區已存入的數據取出進行處理，循環緩沖區的工作方式如圖7所示。從緩沖區頭部輸入數據，到達緩沖區尾部時，新數據從頭部再輸入到緩沖區，數據在緩沖區中的一個位置以塊的形式輸出，而頭部輸入的數據從緩沖區的另一個位置開始存放。這樣，當數據輸入速度與數據輸出速度相等時，未讀取的數據就不會被新數據覆蓋。當連續快速采集數據時，循環緩沖區的使用使得數據不會在傳輸過程中丟失[8]。

圖7 循環緩沖區工作方式圖

由于傳感器采集速度較快，會對單個點重復測量，為提高數據精度。因此，在程序中使用TRIMMEAN函數對ADC每次采集到的7個數據進行去最大值和最小值取平均值的處理方法。

2.3 軟件系統

軟件系統使用visualsudio作為開發環境，進行C#窗體應用軟件開發。軟件系統主要由波磨數據采集、波磨數據處理和波磨曲線圖顯示子系統三大部分組成[9]。數據采集模塊通過激光傳感器進行數據實時采集，通過單片機WiFi通信網絡系統后，經過算法處理，顯示鋼軌波磨數據，并在顯示界面顯示磨損曲線圖，采集到的數據可存儲到電腦指定位置。

測量顯示子系統給用戶提供了一個測量和管理文件的人際交互界面，將波峰、波谷、峰峰值、峰峰距等數據向用戶展示，可進行平滑濾波和帶通濾波，并且支持用戶對數據的計算和分析。該操作界面十分友好，提供豐富的操作菜單、視圖信息、標定操作和波磨評估分析。圖8為測量界面。

圖8 軟件測量界面

軟件編程方法主要流程：首先創建一個winform窗體用于PC端和下位機的tcpip通信，再創建一個winform窗體用于生成波磨曲線圖，在tabcontrol控件中存放各個功能界面，實現新建測量以及對歷史數據的查看、數據測量、波磨評估、設備標定等功能。通過tcpip通信發送采集指令給下位機并獲取采集到的波磨數據，將數據顯示在winform界面，采用相應的算法對數據進行處理，得到波磨數據的各項指標，最終實現對波磨數據的檢測與評估。圖9是軟件實現流程圖。

圖9 軟件實現流程圖

3 波磨的測量與分析

對上海虹橋站至徐涇東區間進行車廂振動測試，車輛在上海虹橋站駛出后40～55 s區間內振動和噪聲較大，并在48 s左右出現了輪軌刺耳嘯叫聲，此時的振動幅度也較大。圖10為振動全局頻譜分析，可見振動的主要頻率成分布在100～300 Hz左右。其中車廂振動和噪聲較大區域的振動頻率為100～200 Hz，即第一個峰值附近。出現輪軌刺耳嘯叫區域的振動頻率大約為300 Hz，即第2個峰值附近。

圖10 上海虹橋站至徐涇東區間車廂振動全局頻譜分析

對打磨現場情況進行了打磨前的查看和測量，發現曲線外軌有波磨，波深約0.2 mm，波長約50～70 mm。如圖11所示。從動力學角度來說，當列車經過大波深和繁忙路段時，列車會對自身車體和軌道產生很大的沖擊能量。這種沖擊時間越久對鐵路列車系統損傷越嚴重。

圖11 上海虹橋站至徐涇東區間嘯叫噪聲局部波形

將濾波結果與標準波磨損檢測譜進行比較，得到各頻帶的個數和百分比如表1所示。由表1可知，在30～1 000 mm波段中，100 mm波段的波磨損值最高，因此該波段磨削波的主要波長為30～100 mm。

表1 每個頻帶內超限數量和百分比

利用Matlab將檢測數據與標準值比較得到6個不同檢測弦長下波磨的曲線圖，如圖12所示。

圖12 不同弦長下檢測數據和構造波磨軌道數據對比圖

由圖10可知，由于弦測法的傳遞函數不恒等于1的原因，根據實際波磨數據所模擬得到的檢測數據曲線圖和所構造的鋼軌磨耗數據有相應的差距。為了比較不同檢測弦長下實際波磨檢測數據和構造的波磨數據之間的區別。取出實際波磨檢測數據和構造的波磨數據的誤差最大值max和平均值α以及標準值σ對檢測儀器在不同檢測弦長下衡量，如表2所示。

表2 不同檢測弦長下實際檢測值和模擬值誤差表

由表分析可知在檢測弦長等于350 mm時實際檢測值和模擬值的各項誤差均為最小值，因此當L=350 mm時檢測儀器精度最高。

檢測裝置精度為10 μm，為便于分析將測量結果精確到小數點后兩位。鋼軌波磨檢測首先要對波磨進行標定，通過弦測法使用激光傳感器獲取波磨測量值，再將標定值與測量值進行比較得出實際鋼軌磨損值。圖13顯示的是1 000 mm測量范圍內鋼軌波磨曲線圖，通過測量軟件可獲取波磨的波峰、波谷等數據。

圖13 測量波磨曲線圖(MAX：0.04 mm)

通過查閱文獻得知，當鋼軌波磨超出鋼軌輕傷標準規定的波深0.5 mm 后，應及時對此路段鋼軌進行打磨處理。進行鋼軌打磨后，鋼軌表面不平整度應小于0.2 mm。鋼軌維護人員將檢測裝置軟件系統檢測結果與建議值比較，從而為鋼軌后續打磨提供數據支持[10]。

4 結論

本文在研究分析波磨測量方法與原理的基礎之上，設計研發了激光式波磨自動檢測裝置，實現了鋼軌波磨的精確自動化測量，非接觸式的測量設計有效避免了接觸式測量所固有的缺陷，為鋼軌維護提供了必要的測量方法和數據支持，而且極大地提高了鋼軌檢測和維護的效率。檢測裝置體積小，重量輕，適用于各種復雜的檢測現場，實現了對波磨集中路段的及時測量，節省了大量人力和物力。