便攜式鋼軌波磨自動化檢測系統研究

董慶侖 周宏祥 翟字波 趙永興 馬安奇

摘 ?要：針對鋼軌存在的波浪形磨耗問題，基于弦測法開發一種自動化檢測系統，系統采用激光位移傳感器，以STM32嵌入式系統芯片為核心控制器，通過圖形用戶接口STemWin、文件系統FATfs等嵌入式軟件資源，可以實現數據實時采集、顯示、保存和傳輸。經試驗驗證檢測系統結果具有良好的重復性和穩定性，精度達到0.01mm。

關鍵詞：波浪形磨耗;激光位移傳感器;STM32;STemWin

中圖分類號：U270.7 ? ?文獻標識碼：A

Abstract： Aiming at the wavy wear problem of steel rails， an automated detection system is developed based on the string measurement method. The system uses a laser displacement sensor， with STM32 embedded system chip as the core controller， through the graphical user interface STemWin， file system FATfs and other embedded software resources can realize real-time data collection， display， storage and transmission. Tests have verified that the results of the detection system have good repeatability and stability， with an accuracy of 0.01mm.

Key words： wavy abrasion; laser displacement sensor; STM32; STemWin

0 ?引 ?言

鋼軌波磨的狀態直接影響軌道車輛的安全性、平穩性和舒適性。鋼軌投入運行后，由于列車的車輪與鋼軌的頻繁接觸，鋼軌踏面上出現有一定規律的凹、凸不平現象[1]，這種現象被稱為鋼軌波浪形磨耗。鋼軌波磨發展嚴重之后首先會對鋼軌造成嚴重危害，加大鋼軌的報廢率。其次，它會增加列車的垂向不平順，加大列車車輪與鋼軌接觸的振動，產生噪音污染，對乘客的乘坐舒適性會造成影響，并且振動也會對列車與鋼軌部件的使用壽命產生影響，甚至引發嚴重的脫軌事故[2]，影響人車安全。

目前測量鋼軌波磨的主要方法是接觸式測量和非接觸式測量[3]。其中德國Vogel公司研發的SKM1[4]就是以接觸式測量的方式去測量數據，它采用軌地面進行機械定位，因此只能用于特定規格的鋼軌測量。美國IEM公司研發的激光軌道輪廓儀是通過非接觸測量的方式測量數據，這類裝置使用非接觸激光傳感器測量技術，可完整測量軌頭橫斷面磨損，具有體積小、輕便攜帶等優點，但分辨率和精度較低。

本文主要研究設計一種鋼軌波磨測量采集裝置，采用高精度的非接觸式激光位移傳感器協同旋轉式增量編碼器來設計鋼軌波磨測量采集系統，結合嵌入式系統開發技術，對硬件電路系統進行研發設計，對各硬件模塊完成相應功能編寫軟件程序驅動，運用圖形接口STemWin和文件系統FATfs等嵌入式軟件開發資源，編寫驅動程序實現測量儀的波磨數據采集、處理、顯示、保存和USB通信等功能，測量結果驗證該裝置能夠快速測量鋼軌波浪線磨耗的精準數據。

1 ?波磨測量原理

目前由于高精度測量傳感器的出現，使得弦測法這種適用于對測量精度有一定要求的方法得到普遍應用。弦測法主要有兩點弦測法與三點弦測法組成，兩者原理大致相似。本文主要介紹三點弦測法，三點弦測法系統構成如圖1所示。測量裝置固定在待測鋼軌上方，裝置的兩端構成一根弦，裝置上設計有可左右移動測量弦到軌面距離的傳感器。當傳感器位置到裝置兩端的距離一樣時，即圖1中的a=b，這種方式稱為三點等弦測量法;當a≠b時稱為三點偏弦測量。

在圖1中，測量弦長為L，將激光位移傳感器安裝在儀器下方。鋼軌垂直磨耗為fx，設備實際測量值為yx，則fx和yx之間的關系可表達為：

由上式可知，裝置弦測值yx等于實測值yx與頻域傳遞函數Hω的乘積。因為傳遞函數的特性無改變，所以傳感器測量值不受檢測設備移動速度影響。

2 ?測量系統總體設計

2.1 ?裝置測量原理

本文設計的鋼軌波磨裝置是采用弦測法去測量鋼軌波磨數據，其測量原理如圖2所示。測量儀平放于鋼軌之上，機械支架縱梁（圖2中A，B點連線）與鋼軌面（圖2中C，D點連線）二者呈平行空間關系，步進電機驅動同步輪與轉動，使同步帶拉動傳感器水平移動的同時編碼器也同步轉動，單片機控制步進電機驅動器帶動步進電機協同編碼器進行空間等距離采樣。激光位移傳感器采集縱梁到被測軌面之間的距離信息，并以模擬量的形式輸出。由于該模擬量與采集距離呈線性比例關系，所以通過計算可以得到鋼軌表面的磨損數據。傳感器采集到的波磨數據經單片機讀取、分析、存儲在SD卡上并在LCD屏顯示。此外為了實現通過USB數據線將數據傳輸到PC機，在硬件系統添加了USB驅動電路，借助處理能力更為強大的上位機來實現波磨分析、濾波、報表導出等功能。

2.2 ?系統構成

經過對系統測量原理的系統研究，鋼軌波磨系統總體構成設計如圖3所示。其主要包括數據采集測量與傳感器運動控制單元、機械結構、數據采集板、數據顯示與上位機分析單元，其各自功能如下：

（1）數據采集測量與傳感器運動控制單元：在機械結構的對應位置中，安裝激光位移傳感器、步進電機、編碼器等工具，所需的軌面磨耗信息可通過傳感器發出的激光進行測量獲取，編碼器協同傳感器實現等距離采樣;步進電機完成對傳感器在軌面上方的移動測量。

（2）機械結構：在待測鋼軌上方固定整體測量系統。

（3）數據采集板：測量系統控制核心，完成對傳感器輸出信號的采集、計算、保存，實現對步進電機的控制，板載SD數據存儲卡與USB接口。

（4）數據顯示與上位機分析單元：采用LCD液晶觸摸屏操作裝置工作并實現對采集到的磨耗數據進行波形顯示，通過USB數據線可實現數據采集板與PC機通信。

3 ?硬件結構設計

系統設備中的硬件電路的整體設計如圖4所示，硬件電路由主控MCU模塊、軌面波磨測量模塊、運動控制模塊、波磨數據存儲模塊、人機交互模塊、USB數據通信模塊、電源模塊等組成。

為了保證儀器測得數據的精準以及智能化和便攜化等優點，主控模塊采用STM32，軌面波磨測量模塊利用激光位移傳感器和編碼器的組合實現非接觸式測量;運動控制模塊采用步進電機帶動傳感器在軌面上方平穩移動采集波磨數據并使用光電開關控制電機啟停位置與方向;裝置通過在存儲模塊中使用SD內存卡，實現了測量結果的自動存儲功能。為了人機交互的操作性能更好，使用觸摸液晶屏，增加儀器的可操作性;USB數據通信模塊使裝置能直接與PC機通過USB數據線連接進行數據傳輸，將下位機采集的數據通過圖像的形式展現出來，實現對波磨數據的評估，以此來獲知鋼軌的損耗情況;裝置由12V鋰電池組來為鋰電池進行電量提供，通過升降壓電路的設計方式，分別可以輸出24V、5V和3.3V的電壓，為系統各個硬件模塊提供工作所需電壓。

4 ?機械結構設計

基于便攜式、輕量化考慮，并結合本文采用的波磨測量方法，借助SolidWorks建模軟件設計了測量裝置的機械支架。其結構示意圖如圖5所示。該機械支架主要由縱梁、定位腳改、廣告釘、直線導軌、把手、傳感器安裝滑臺等組成。

機械結構設計中的重點是各個零部件的功能分析與位置確定，以及彼此之間的協調配合設計。定位腳改主要作用是在測量時配合廣告釘可以將整個支架固定在鋼軌上，使裝置能穩定的開展測量任務。直線導軌上安裝用于固定激光傳感器的滑臺，配合步進電機能使滑臺帶動傳感器在導軌上平滑可靠的來回測量鋼軌波磨數據。

裝置兩端各設計有一個光電開關，配合傳感器滑臺上固定的金屬遮光片，就可實現步進電機運動方向控制。傳感同步輪與同步帶使編碼器與步進電機動作一致，便于裝置在運動時同步完成數據的采集工作。裝置頂端把手的設計則主要考慮到便攜性，便于測量人員移動攜帶。

5 ?系統軟件設計

系統的軟件開發主要利用STM32的軟件程序，完成對各個模塊的控制作用以及對數據進行計算處理。主要實現了軌面波磨數據采集、步進電機控制、數據處理、液晶顯示、SD卡數據存儲、USB協議通信等功能，整體設計過程為在實現對各個模塊功能代碼的編寫與調試基礎上，匯總各個模塊功能代碼，完成總體功能程序設計。其中主程序為一個While循環，它負責調用各個子模塊后能實現整體系統功能。應用程序包括：系統初始化程序、電機控制程序、數據采集程序，其結構組成如圖6所示。

在軟件的邏輯流程處理方面，首先在主函數中進行中斷初始化、串口初始化、定時器初始化、ADC與DMA初始化等系統初始化操作，之后進行系統主界面。在完成系統初始化操作后，程序進入一個外部主循環，即可在主界面中選擇需要的操作按鍵，包括SETUP、CONNECT、START、TASK_SAVE，如圖7所示。波磨數據的測量任務需要通過數據采集程序以及步進電機控制程序的協同操作來完成。

在圖7中，不同的按鈕就可以實現不同的功能效果：

（1）SETUP（時間設置）：SETUP可以對系統時間進行設置，其作用為保存測量操作的時間。

（2）CONNECT（連接上位機）：當選擇CONNECT按鍵時，首先對SD卡進行初始化，然后對USB進行初始化。之后PC機即可通過USB數據線完成對SD卡的數據訪問。

（3）TASK_SAVE（保存測量）：按下該鍵，進行SD卡初始化，然后測量磨耗，采集任務完成后在LCD上實現磨耗波形顯示，并以TXT文本格式將數據存儲到SD卡內。

（4）START（直接測量）：直接完成波磨測量顯示，無需調用SD卡存儲程序。

6 ?測量試驗

用本文設計的激光檢測系統對鋼軌磨損情況進行了現場測量，圖8為系統測量界面下的“START”功能按鍵按下后測量得到的鋼軌磨耗波形圖，圖8中的綠色波形即為測量得到的鋼軌磨耗數據。

當步進電機控制傳感器完成采集工作按下“TASK_SAVE”按鍵，測量數據被保存在SD卡文件中，系統進入結束界面。如圖9所示，該界面會顯示保存在SD卡中與本次測量作業有關的數據信息，包括測量時間、保存的文件名、保存位置等信息。

圖10為保存在SD卡中的鋼軌波磨測量數據TXT文件，其中測量數據文件以當次測量開始的時間進行命名并被保存在USER根目錄下。用戶使用Mini Usb數據線與硬件連接，即可實現電腦對SD卡中的數據訪問，便于利用PC上更為強大的上位機軟件完成對波磨數據更深的處理、分析與應用。

7 ?結 ?論

本文在研究分析國內外鋼軌波磨測量裝置發展現狀后，提出了研制一種便攜式波磨測量采集裝置。該系統采用激光位移傳感器能夠自動、快速、便捷地直接測量出鋼軌波浪形磨耗量，測試結果基本達到預期需求。

參考文獻：

[1] 范欽海. 鋼軌波浪形磨耗形成機理及減緩措施研究[J]. 中國鐵道科學，1994（2）：22-40.

[2] 王梓旭. 鋼軌波浪磨耗及其測量裝置研究[D]. 上海：同濟大學（碩士學位論文），2008.

[3] Small G W， Hegedus Z S. Measurement of Rail-cross-section with Solid-state Sensor Arrays[J]. Optics and Laser Technology， 1986（2）：43-47.

[4] 朱冰冰. 便攜式鋼軌測量儀的改進及檢驗[D]. 成都：西南交通大學（碩士學位論文），2014.

[5] 羅林，張格明，吳旺青，等. 輪軌系統軌道平順狀態的控制[M]. 北京：中國鐵道工業出版社，2006.

[6] 陳敏敏，練松良，程小平，等. 接頭區軌面短波不平順與P1、P2力關系的試驗研究[J]. 蘭州交通大學學報，2011，30（1）：59-63.

[7] 韋紅亮，練松良，劉揚，等. 城市軌道交通軌面短波不平順測試分析[J]. 華東交通大學學報，2011，28（4）：33-37.

[8] 渠媛. 軌道養護維修輔助決策支持系統研究[D]. 北京：北京交通大學（碩士學位論文），2019.

[9] 魏暉，朱洪濤，萬堅. 基于中點弦測法的矢距計算通式及其特性研究[J]. 鐵道工程學報，2013（11）：44-47.

[10] 魏琿，劉宏立，馬子驥，等. 基于組合弦測的鋼軌波磨廣域測量方法[J]. 西北大學學報（自然科學版），2018，48（2）：199-208.

收稿日期：2020-10-24

基金項目：上海工程技術大學研究生科研創新項目（E3-0903-19-01413）

作者簡介：董慶侖（1994-），男，山東濟南人，上海工程技術大學城市軌道交通學院碩士研究生，研究方向：軌道車輛狀態檢測及診斷技術。