雙軌式鋼軌超聲波探傷與表面圖像監控集成檢測研究

馬占生, 李 璐

(湖南高速鐵路職業技術學院,湖南 衡陽 421001)

我國主要采取三種方式進行鋼軌探傷,一種是采用大型鋼軌探傷車、一種是使用手推式鋼軌探傷儀,還有一種是采用介于大型鋼軌探傷車與手推式鋼軌探傷儀之間的雙軌式鋼軌超聲波探傷儀。大型鋼軌探傷車檢測速度可達80 km/h,有軌面監控功能,能同時兼顧內部探傷和鋼軌表面監控,但它價格昂貴,且與雙軌式鋼軌超聲波探傷儀適用的檢測標準和檢驗規則不一樣;手推式鋼軌探傷儀因其檢測速度只有2～3 km/h,可以實現內部探傷結合目視鋼軌表面即時查看。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀主要根據超聲波回波的相位和振幅確定軌道傷損的位置和大小,這對探頭配置和探頭與鋼軌之間的接觸程度有很高的要求,在鋼軌近表面存在檢測盲區,主要對鋼軌內部進行超聲波檢測[1]。超聲波探傷儀檢測速度達15～20 km/h,現場操作人員很難及時觀察軌面信息并對線路上焊縫、接頭、導線孔及原有傷損進行標記,影響對鋼軌表面的紋理和細小缺陷(魚鱗傷或剝落掉塊)的精確檢出和智能識別;同時,在數據回放過程中,若回放人員不能結合現場鋼軌軌面狀態進行分析,可能會造成漏檢、誤判情況。

基于此,開展了雙軌式鋼軌超聲波探傷與表面圖像監控集成系統研究,通過超聲波探傷對鋼軌內部進行檢測,通過基于視覺處理的圖像監控技術對鋼軌表面進行監控。集成系統可以實現雙軌同時檢測與監控,并能實現超聲波探傷數據與圖像監控數據同步播放。在數據回放中便于探傷人員利用鋼軌表面圖像判斷鋼軌表面狀態,如鋼軌軌面光帶、鋼軌錯牙、高低接頭、坡度在內引起的線路異常等,與探傷系統中B顯圖像(顯示被檢工件的縱斷面圖像及指示反射體大致尺寸及其相對位置的超聲信息顯示方式)結合判斷鋼軌表面傷損如擦傷、掉塊、魚鱗傷等。同時可將現場采集到的鋼軌表面缺陷、異物入侵照片作為圖像智能識別素材,提升鋼軌傷損識別和檢測的全面性和準確性,為后續智能判傷提供重要數據支持。

1 鋼軌表面圖像監控方法

目前對鋼軌表面進行圖像監控和缺陷檢測的軌道巡檢儀器主要采用明場照明法對鋼軌表面進行拍攝。這種方法優點在于拍攝的圖片對比度很高,其對拍攝道床(漫反射)比較有利,但受鋼軌光帶和軌距角磨耗影響,在鋼軌頂面和軌距角位置會產生圖像過曝、圖像質量不清晰的問題,這種過曝現象會嚴重影響鋼軌表面的紋理和細小缺陷(魚鱗紋或掉塊)的精確檢出和智能識別,對鋼軌狀態的真實情況監測帶來不利影響。

集成檢測采用的鋼軌表面圖像監控是利用CCD(Charge Coupled Device)工業相機、激光光源和圖像傳感器,在高速狀態下對鋼軌圖像進行采集。通過調整光源的中心光軸和圖像采集單元光軸的夾角,避免大部分光源打在鋼軌表面形成鏡面反射,對鋼軌的頂面圖像拍攝形成暗場照明,解決了鋼軌頂面的圖像過曝問題,有利于鋼軌頂面掉塊和裂紋等細小缺陷觀察和檢測[2]。通過調整圖像采集單元光軸與鋼軌橫截面的夾角,解決鋼軌內側軌距角的圖像過曝問題,有利于對鋼軌內側軌距角魚鱗紋、掉塊、擦傷的觀察和檢測。結合數字圖像處理技術和計算機視覺理論,對采集到的鋼軌圖像進行分析,從圖像中獲取鋼軌表面狀態和缺陷等信息,擦傷、剝離掉塊、表面裂紋、銹蝕、壓陷等缺陷各自具有相應的形狀、顏色和紋理特征,適合用視覺方法進行識別[3]。利用視覺技術對鋼軌表面狀態和缺陷進行檢測的方法具有準確性高、非接觸、快速、高效、無遺漏等優點[4]。

2 集成系統組成及功能

雙軌式鋼軌超聲波探傷與軌面圖像監控集成系統安裝于在鋼軌上行進的小車走行平臺上(如圖1所示),包括計算機及顯示器、探傷數據采集處理器、超聲波左右探輪、CCD左右軌工業相機、數據采集處理器和同步編碼器;超聲波左右探輪分別連接探傷數據采集處理器和同步編碼器,用以發射和接收對鋼軌內部進行探傷的超聲波信號,實現兩股鋼軌同時探傷; CCD左右軌工業相機分別連接數據采集處理器和同步編碼器,用以拍攝鋼軌表面圖像。

圖1 超聲探傷數據系統與軌面圖像數據采集系統集成

2.1 超聲探傷數據系統

探傷數據處理系統由超聲波左右探輪、多通道高速超聲波信息采集處理器、同步編碼器和傷損數據分析軟件組成。其中每軌采用9個通道的輪式探頭組,在15～20 km/h的最高檢測速度下,雙軌式鋼軌探傷儀每個探頭超聲脈沖發射距離間隔為2.67 mm,即在雙軌探傷儀沿鋼軌縱向移動2.67 mm的時間ΔT=720 μs內,超聲儀器所有通道均至少發射脈沖一次,同時對左右兩股軌道鋼軌的軌頭、軌腰、軌底等部位進行探傷[5]。

探傷數據采集處理器分別連接超聲波左右探輪和上位計算機,根據同步編碼器的指令觸發工作,用以采集超聲波左右探輪對鋼軌進行探測的探傷數據,并將經同步編碼器編號處理后的探傷數據上傳給計算機及顯示器用于保存和顯示。結構原理如圖2所示,探傷數據采集裝置如圖3所示。

圖2 探傷數據系統工作原理

圖3 探傷數據采集裝置

2.2 軌面圖像數據監控采集

CCD(Charge Coupled Device)數據采集系統主要是對鋼軌表面進行檢測并采集數據,由激光光源、圖像采集單元、同步編碼器等組成,其中圖像采集單元包括CCD數據采集處理器、CCD左右軌工業相機等。數據采集處理器分別連接CCD左右軌工業相機和計算機,根據同步編碼器的指令觸發工作。CCD左右軌工業相機拍攝的鋼軌表面圖像數據,經同步編碼器編號處理后上傳給計算機及顯示器用于保存和顯示。軌面圖像數據采集系統組成如圖4所示,采集數據裝置如圖5所示。

圖4 軌面圖像數據采集系統組成

同時,系統具備光源調節能力,適應不同作業場合使用激光光源對被檢鋼軌進行照射,使圖像采集單元的取景視野中心范圍對準鋼軌的頂面和內側軌距角,照射范圍覆蓋鋼軌的頂面、內側軌距角及軌底,軌面圖像顯示界面如圖6所示。

圖5 軌面圖像數據采集裝置

圖6 軌面圖像顯示界面

2.3 超聲探傷數據與軌面監控圖像的集成

通過超聲探傷數據系統中超聲波信號處理軟件和軌面圖像數據采集系統中的CCD數據處理軟件同步編碼,實現超聲探傷B顯(圖像顯示)與CCD軌面圖像集成在一起同步播放。集成系統可實現數據實時顯示及處理,具有對被檢探傷數據和軌面圖像CCD數據的分析、處理、報警能力,并將處理結果保存到文件中,以供回放、打印和數據分析;通過實時顯示軟件可準確、靈活的檢查軌面和軌道傷損情況。集成系統工作流程如圖7所示。

圖7 集成系統工作流程

3 性能測試

雙軌式鋼軌超聲波探傷儀在南寧工務段、懷化工務段、武漢高鐵工務段等地的試用過程中,傷損檢出效果好,能有效檢出軌頭核傷、螺孔裂紋、軌底橫向裂紋等缺陷,軌面監控圖像清晰,結合軌面圖像能有效判斷出軌頭踏面擦傷、鋼軌內側軌距角魚鱗紋等問題。數據回放界面如圖8所示(注:數據回放界面上半部分顯示的是左股鋼軌B顯圖像,下半部分是右股鋼軌B顯圖像),對應軌面監控圖像如圖9所示。

圖8 探傷數據回放界面圖

圖9 對應軌面監控圖像

4 結束語

針對目前雙軌式鋼軌探傷儀主要進行鋼軌內部探傷、無法同步進行鋼軌表面監控的情況,提出了雙軌式鋼軌探傷與表面圖像監控集成系統,使探傷數據和鋼軌表面數據能實現同步檢測、同步回放,提高了探傷效率和判傷準確性,同時對傷損智能識別及雙軌式鋼軌探傷儀進一步提速提供了一定的技術支持。