鋼軌磨損檢測裝置結構設計

趙紫瑩，王澤遠，王菁，溫錦中，魏曉姮

（華東交通大學機電與車輛工程學院，南昌330013）

0 引言

近年來，隨著鐵路運營里程的增長，鐵路運輸技術也取得了舉世矚目的成績。鋼軌是鐵路軌道系統中的重要組成部件之一，鋼軌的狀態直接影響輪軌間接觸和受力情況，間接影響了車輛的安全性、舒適性和穩定性。鋼軌承載著列車的靜、動態載荷，經過車輪反復碾壓，會導致鋼軌磨損加重、鋼軌輪廓變形、使用壽命縮短等現象，嚴重時還會影響行車安全[1-3]。隨著高速、重載列車的興起，加快了鋼軌磨損速度，鋼軌磨損是鐵路研究中最為普遍存在的問題。

鋼軌磨損是指輪軌之間摩擦使軌頭產生磨損的現象，在直線和曲線段有不同的磨損形式。鋼軌磨耗主要有鋼軌垂向磨耗、鋼軌軌距角側磨、鋼軌波浪形磨損，以及輪軌擦傷所引起的鋼軌磨損。大部分文獻中鋼軌磨耗主要是指小半徑曲線上鋼軌側面磨耗和軌頂縱向波浪形磨耗，磨耗程度隨著列車軸重和通過總重的增加而增大[4]。其中，列車通過小半徑曲線時，會發生橫移現象，輪軌通常會出現兩點接觸的情況，輪軌的摩擦與滑動是造成外軌側磨的主要原因[5-7]。鋼軌波浪形磨耗是指鋼軌頂面上出現的波浪形不均勻磨耗，鋼軌波磨會引起高頻輪軌振動噪聲，加速軌道車輛及相關零部件的損壞，嚴重時還會威脅行車安全，其發展速度快于側磨，是更換鋼軌的主要原因之一，因此應當對鋼軌狀態進行檢測，以便保證列車的行駛安全[8]。

進入21世紀后，隨著我國檢測和計算機技術的發展，我國鋼軌檢測技術有了質的飛躍。目前我國最新研制出的GJ-6型軌檢車，其速度可達到400 km/h，是目前檢測速度最快的軌檢車[9]。其利用了由接觸式弦測法衍變的慣性基準法，并采用了激光攝像檢測技術，省略了模擬圖像傳輸步驟，對檢測到的數字圖像直接進行處理分析，節省了大量時間，但其也有成本高、使用不靈活、調度困難等缺點。

而在現有技術中，便攜式鋼軌磨損檢測儀通常采用純機械卡尺測量方式對鋼軌進行檢測[10-12]。但純機械卡尺測量方式的測量儀器對人工要求較高，長時間使用會使卡尺磨損，導致測量精度下降，并且不能連續檢測整段鋼軌的磨損程度。針對現有檢測裝置的檢測缺點，在其結構基礎上設計出一種新型鋼軌磨損檢測裝置結構，該裝置可安裝在大型檢測車底部，適合多種環境工況下的鋼軌磨損檢測。

1 結構設計

該裝置結構設計利用CREO6.0軟件建模，結構設計主要采用模塊化設計方法，依次進行草圖繪制、三維建模及裝配設計。該裝置主要由CCD攝像機、LED燈、激光位移傳感器、振動位移傳感器和支架等主要零件組成，如圖1、圖2所示。圖3為該裝置爆炸示意圖。

1.1 CCD攝像機和LED燈結構

圖1 總裝配圖三維模型（正面）

圖2 總裝配圖三維模型（反面）

圖4 CCD攝像機三維模型

圖5 LED燈三維模型

如圖4、圖5所示，CCD攝像機、LED燈均采用塑料外殼，CCD攝像機是一種半導體成像元器件，具有靈敏度高、畸變小、體積小、壽命長、抗振等優點；LED燈具有強耐低溫、強防水、高效透光、強散熱等優點。CCD攝像機安裝在支架頂部，LED燈與角鐵用螺紋連接，并安裝在支架腰部。在車輛運行時對鋼軌磨損進行檢測，在動態工況下為保持檢測精度，采用LED 燈在光照不足條件下給CCD 攝像機作補充光源，以提高檢測精度。該模塊還采用了帶快門的高分辨率CCD 攝像機，可以將光信號轉換成電信號, 輸出圖像式的視頻信號至圖像采集卡，提供給圖像與數據處理模塊進行處理。該攝像機快門在1/50(1/60)～1/100 000 s范圍內可調，操控人員根據列車運行速度和光照條件選用適當的快門，可避免因光照不足或運行速度過快導致的圖像模糊、精度低等問題。

1.2 激光位移和振動位移傳感器結構

如圖6、圖7所示，激光位移傳感器和振動位移傳感器都用螺釘與支架進行固定。激光位移傳感器是利用激光技術進行測量的新型測量傳感器，既可測量距離還可測量物體的直徑等精密幾何量，激光具有良好的直線度和高聚光性，相比于超聲波具有更高的檢測精度。振動位移傳感器可對進入測量范圍內的金屬物體的運動參數進行精密的非接觸式測量，兩者廣泛應用于機械產品中的振動和位移監測。車輛運行時，車體振動會影響激光位移傳感器的測量精度，利用振動位移傳感器進行補償分析。

圖6 激光位移傳感器三維模型

圖7 振動位移傳感器三維模型

1.3 角鐵和支架結構

角鐵的作用主要是用于支架和LED燈的固定聯接，如圖8所示。

如圖9所示，支架起到了車體與激光位移傳感器、振動位移傳感器、CCD攝像機等關鍵部件的聯接作用，采用沖壓技術制成。

圖8 角鐵三維模型

圖9 支架三維模型

2 鋼軌磨損檢測模塊

該設計主要是參照現有的鋼軌磨損檢測裝置，在其基礎上進行改進，且安裝在速度為80 km/h的軌道檢測車輛轉向架底部（如圖10），主要由4部分組成，分別為CCD攝像機檢測模塊、傳感器模塊、圖像采集模塊及圖像與數據處理模塊。

圖10 裝置安裝位置

2.1 CCD攝像機檢測模塊

該裝置將2個CCD攝像機安裝在鋼軌兩側上方約35°方向的位置，將鋼軌兩側面圖像經過鏡頭聚焦至CCD芯片上，其會根據光的強弱積累相應比例的電荷，各像素積累的電荷在視頻時序的控制下，逐點外移，經濾波、放大處理后，輸出視頻信號。視頻信號連接到監視器的輸入端，可觀看拍攝到的視頻圖像。圖像采集卡將收集到的電信號轉換成相應的數字信號，并發送至圖像與數據處理模塊，其根據目標的形狀特點確定并分析圖像處理方案，與標準鋼軌相關參數進行對比后得出鋼軌磨損值，以判斷出具體的鋼軌磨損形式。CCD攝像機檢測參數原理圖如圖11所示。

圖11 CCD攝像機檢測參數原理

2.2 傳感器模塊

該裝置將激光位移傳感器安裝在鋼軌正上方位置，與振動位移傳感器共同檢測鋼軌表面磨損，該激光位移傳感器通過發射激光到鋼軌表面進行測距，同時隨車體移動并通過測量鋼軌上點的二維坐標，得到物體表面形貌，并將檢測的數值實時傳送至數據處理系統，從而得出鋼軌磨損值。當車體發生振動時，激光位移傳感器測量的數據會出現不穩定的情況，因此振動位移傳感器可檢測車體振動位移的具體數值。兩種數據相互補償，并實時傳送至圖像與數據處理模塊，將兩種數據綜合得出最終數據，并對比標準鋼軌的相關參數，計算出所測鋼軌的磨損值。

2.3 圖像采集與數據處理模塊

圖像采集卡（又稱圖像捕捉卡），是一種可獲取數字化視頻圖像信息并可存儲和輸出的主要設備，圖像采集卡以隨機直接內存映射存取方式為主，允許主機隨時訪問，具有速度快、編程方便等優點。在該裝置中的作用主要是轉換CCD輸出信號并將其傳送到數據處理模塊進行圖像處理。

圖像與數據處理部分主要由一臺電腦、圖像處理顯示器、存儲器等硬件組成。當接收到振動位移傳感器、激光位移傳感器和CCD攝像機實時發送的信息后，會將檢測出的數據與標準鋼軌等相關數據對比后得到鋼軌磨損程度。圖像與數據處理流程如圖12所示。

圖12 圖像與數據處理流程圖

2.4 鋼軌磨損檢測原理

鋼軌側面磨損檢測、鋼軌波浪形磨損檢測使用的是同一檢測方法，當檢測車運行時，該裝置利用CCD模塊、傳感器模塊、圖像采集和數據處理模塊相互協同作用，將所采集到的數據經過一系列的濾波、放大處理后，形成視頻信號輸出。數據處理模塊可根據鋼軌磨損位置及磨損值模擬出圖像，并對比數據庫中的磨損形式判斷鋼軌的磨損形式、位置和磨損量。鋼軌磨損檢測狀態圖如圖13所示。

圖13 鋼軌磨損檢測狀態

3 結語

通過查閱相關資料，簡要概括了現階段國內所使用的鋼軌磨損檢測裝置，提出了現階段該技術存在的不足，并在此基礎上加以完善。基于CCD攝像機檢測模塊、傳感器模塊檢測技術，設計出利用各種傳感器等組成的鋼軌磨損檢測裝置，并利用圖像采集和數據處理模塊對鋼軌磨損進行數據處理分析，且增加了一些如在不同光照強度和不同速度工況下對鋼軌進行檢測的功能。該裝置結構主要按照現階段鐵路車輛的要求、鐵路工務段所需要檢修的鋼軌進行規劃，可以保證完成日常檢測任務。