鋼軌廓形檢測系統現場校準方法研究

韓志，陳春雷，郝晉斐，傅強

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所，北京 100081）

1 概述

輪軌接觸面輪廓信息檢測是維護鐵路安全運營的重要指標，在高速動態條件下準確獲取鋼軌輪廓檢測數據是軌道養護維修面臨的重要問題。目前鐵路鋼軌廓形檢測是基于結構光測量和圖像處理的鋼軌廓形檢測系統，測量鋼軌頂面的整個輪廓，分析獲取準確的廓形值［1-2］。鋼軌廓形檢測系統的工作狀態將直接影響鋼軌廓形檢測數據的有效性，為保證檢測數據的準確性和有效性，需要對鋼軌廓形檢測系統進行校準。鋼軌廓形檢測系統一般安裝在軌檢車、探傷車或軌道檢查車上進行檢測，在現場作業條件下，為保證系統發出的線結構光與軌面的角度固定，鋼軌廓形檢測系統安裝后通常無法拆下校準，導致鋼軌廓形檢測系統難以在較長的使用時間下保證測量精度［3-6］。

量值溯源是測量結果通過具有適當準確度的中間比較環節逐級往上追溯至國家計量基準或國家計量標準的過程。只有經過量值溯源后的測量結果才是準確有效的，實現量值溯源的最主要技術手段是校準和檢定。我國雖然已有對鋼軌輪廓檢測系統的標定方法來保證系統的測量精度，然而，其無法將測量結果進行量值溯源，測量值的有效性難以得到保證［7-9］。基于上述原因，建立一套應用于工作現場的鋼軌廓形檢測系統校準方法，并對廓形檢測系統測量不確定度進行評估。

2 校準裝置和使用方法

鋼軌廓形檢測系統校準裝置基于鋼軌廓形檢測系統圖像測量的原理設計，采用對稱結構能同時滿足左、右兩側檢測裝置的校準，校準裝置主要包括：校準模塊、承載模塊、穩定螺釘、精移平臺、微分頭、鎖緊螺母等（見圖1）。

圖1 鋼軌廓形檢測系統校準裝置

在鋼軌廓形檢測系統進行校準時，校準裝置的承載模塊安裝在鋼軌上，調整微分頭，螺桿帶動滑動模塊沿鋼軌的延伸方向平移，滑動模塊帶動校準模塊沿鋼軌的延伸方向平移，使得鋼軌廓形檢測系統的線結構光依次落在各校準面上。由于校準面是相互平行且等間隔設置的，校準面與鋼軌頂面平行，令鋼軌廓形檢測系統的激光線平行于相鄰2個校準面之間的間隙且垂直鋼軌延伸方向。通過計算鋼軌廓形檢測系統的線結構光落在不同校準面時廓形檢測系統的垂直磨耗、側面磨耗測量數據的差值與預設標準數據進行比較，實現鋼軌廓形檢測系統的校準（見圖2）。

圖2 鋼軌廓形校準裝置工作示意圖

預設標準數據是2個校準面厚度的差值，測量數據以廓形值為例，依次讀取鋼軌廓形。檢測系統的線結構光對準2個不同校準面時，檢測系統測量結果的差值為Δx，2個校準面厚度的差值表示為增量Δy，當│Δx-Δy│<Δy/3時，可以判斷鋼軌廓形檢測系統的工作狀態正常。

3 校準試驗和不確定度

在進行鋼軌廓形檢測系統校準時，為確保采集到的檢測數據有效性，選擇帶有置信概率統計的格拉布斯準則，進行校準面上測量出現的離群值剔除［10-12］，鋼軌廓形檢測系統在各校準面上測量時的具體測量數據見表1、表2。

表1 不同校準面上鋼軌廓形測量平均值 mm

表2 正、反行程廓形檢測系統測量 mm

由表1數據可知，兩相鄰校準面上測量的鋼軌廓形檢測數據差值小于預設標準數據（相鄰兩校準面差值）的1/3，即上述│Δx-Δy│＜Δy/3，可以初步判斷鋼軌廓形檢測系統的工作狀態正常。

鋼軌廓形檢測系統測量結果的不確定度主要來源于鋼軌廓形檢測系統多次重復測量引入的不確定度、回程誤差引入的不確定度以及校準裝置自身誤差引入的不確定度。

（1）鋼軌廓形檢測系統多次重復測量引入的不確定度。鋼軌廓形檢測系統在校準裝置的任意校準面上多次重復測量平均值的不確定度符合A類不確定度要求，采用統計分析方法進行6次重復測量，單次測量的標準差s為：

則測量標準差引入的不確定度uA記為：

（2）回程誤差引入的不確定度。回程誤差是鋼軌廓形檢測系統測量時，測量值由小到大變化或由大到小變化時測量誤差的累積，按式（3）計算鋼軌廓形檢測系統的回程誤差：

鋼軌廓形檢測系統回程測量誤差引入的不確定度為：

（3）校準裝置自身誤差Δ引入的不確定度。對鋼軌廓形檢測系統進行校準的裝置各校準面參數是由計量院校準并出具證書的千分尺校準得到的，在進行校準時會將其不確定度引入鋼軌廓形檢測系統的測量結果中。校準裝置自身誤差引入的不確定度ur符合不確定度的B類評定要求，按均勻分布處理，校準裝置自身誤差引入的不確定度ur為：

因此，鋼軌廓形檢測系統的合成標準不確定度公式為：

當取k=2，擴展不確定度U的計算公式為：

采用該方法對鋼軌廓形檢測系統進行測量不確定度評估（見表3），鋼軌廓形檢測系統垂直磨耗測量的擴展不確定度小于0.06 mm，側面磨耗測量的擴展不確定度小于0.05 mm，說明鋼軌廓形檢測系統在測量范圍內具有較高的測量精度。

表3 不同校準面上鋼軌廓形測量不確定度評估 mm

4 結論

采用鋼軌廓形檢測系統現場校準方法對廓形檢測系統進行校準，判斷檢測系統的工作狀態并進行檢測系統的不確定度分析。該方法有利于提高廓形檢測系統的測量精度，確保系統量值的準確統一。通過校準，將廓形檢測系統量值與鐵路基礎設施檢測中心計量標準之間定期保持量值的溯源關系，形成封閉的監控狀態。實現量值溯源，保證檢測車輛測量結果的準確、可靠和統一，為基礎設施動態檢測、監測體系提供有效的監管手段。