徐濟松，高春雷，王發(fā)燈

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

鋼軌斷面輪廓檢測技術研究

徐濟松，高春雷，王發(fā)燈

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

為滿足鐵路部門不同的市場需求，在充分調研國內外鋼軌斷面輪廓檢測技術的基礎上，研制了基于光學成像原理的鋼軌斷面輪廓動態(tài)檢測設備，并對基于激光三角測距原理的靜態(tài)檢測設備的研制進行了探討。動態(tài)檢測設備主要適用于鐵路鋼軌斷面輪廓病害的快速查找;靜態(tài)檢測設備則適用于鐵路鋼軌，特別是道岔區(qū)域鋼軌輪廓的智能化、高精度檢測，利于鐵路部門精細化檢修。

鋼軌 輪廓 檢測

隨著鐵路運營速度和密度的不斷提升，輪軌沖擊荷載隨之增大，導致鐵路鋼軌的磨損日益嚴重，直接影響列車運行的安全性、旅客乘坐的舒適性以及鋼軌使用壽命。

研究高精度的智能化檢測設備來指導鋼軌斷面的打磨維修，制定科學、合理的鋼軌磨損修復策略，重新修整道岔區(qū)域鋼軌輪廓，恢復道岔區(qū)域鋼軌設計狀態(tài)，對提高列車運行的平穩(wěn)性、舒適性，延緩鋼軌病害的產生周期，延長鋼軌使用壽命等具有明顯的綜合效益［1］。

目前，鐵路部門對鋼軌斷面輪廓檢測還普遍依賴進口檢測設備，存在價格昂貴、適應性不足等問題。因此，開展鋼軌斷面輪廓檢測技術的研究，研制出智能化、高精度、適應性強的鋼軌斷面廓形精度檢測設備，對實現(xiàn)鐵路鋼軌精細化檢修，實現(xiàn)鐵路安全運營具有十分重要的意義。

1 鋼軌斷面檢測設備現(xiàn)狀

鋼軌斷面輪廓檢測最初是利用機械接觸式手工方式進行。隨著計算機技術和圖像處理技術的發(fā)展，國內外鐵路部門開始研究利用計算機視覺技術自動測量鋼軌斷面輪廓［2］。

鋼軌斷面輪廓檢測按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩種。目前，典型檢測設備有如下4種:

1)接觸式鋼軌斷面檢測設備

該檢測系統(tǒng)采用接觸式手工方式，具有直觀、便攜等優(yōu)點，如圖1所示。該系統(tǒng)由一臺筆記本電腦、一個專用伸縮箱及輪軌測量裝置構成。測量單元是一直徑很小的磁輪，可靠地接觸被測物表面。系統(tǒng)是由兩個連接桿構成，并以雙角度的方式形成二維自由檢測系統(tǒng)。

測量時，人工操作測量桿“描繪”鋼軌斷面，計算機得到傳感器的極坐標數(shù)據(jù)，然后轉化為笛卡爾坐標并計算出被測鋼軌斷面輪廓，完成鋼軌斷面輪廓測量。但據(jù)現(xiàn)場反應，該設備測量行程略小，探針無法測量到軌顎位置，不利于鋼軌磨耗的評估。此外，該設備無法適應道岔區(qū)域測量，且存在效率低、人工測量勞動強度大等不足。

2)非接觸式鋼軌斷面靜態(tài)檢測設備

非接觸式鋼軌斷面靜態(tài)檢測設備主要采用激光三角測距原理，通過激光測距傳感器橫向移動來實現(xiàn)鋼軌斷面輪廓的測量，如圖2所示。

圖1 接觸式鋼軌斷面檢測設備

圖2 非接觸式鋼軌斷面靜態(tài)檢測設備

該設備自帶操作屏和存儲卡，直接在線檢測鋼軌斷面，具有檢測精度高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，但對于國內鐵路斷面輪廓檢測而言，產品功能適應性存在不足。

3)非接觸式鋼軌斷面動態(tài)檢測設備

非接觸式鋼軌斷面動態(tài)檢測設備主要采用光學成像原理，利用高速相機實時測量被掃描鋼軌斷面輪廓的形狀，如圖3所示。

圖3 非接觸式鋼軌斷面動態(tài)檢測設備

4)軌檢車鋼軌斷面輪廓檢測

國內外高速動檢車均配有基于光學成像原理的鋼軌斷面檢測裝置，利用激光線掃描鋼軌輪廓，高速工業(yè)相機實時拍攝斷面圖像，并由服務器數(shù)據(jù)處理單元對輪廓線進行分析、處理，給出鋼軌磨損量等信息。其測量方式如圖4所示。

圖4 動檢車鋼軌斷面檢測示意

2 鋼軌斷面檢測設備研制

2.1 主要研究內容

為了實現(xiàn)鐵路鋼軌斷面輪廓智能化、高精度檢測，需開展的研究內容主要有:

1)深入研究國內鐵路正在使用及將要使用的各種型號鋼軌結構特點，建立智能化的鋼軌斷面輪廓結構數(shù)據(jù)庫。

2)研究鋼軌斷面輪廓檢測技術，并開發(fā)智能化的數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)，實現(xiàn)各型號鋼軌檢測結果智能分析，為鐵路鋼軌磨損的精細化維修提供科學依據(jù)。

3)開展鋼軌斷面磨損修復策略研究，制定科學、合理的修復方案，為磨損鋼軌設計合適的目標廓形，以改善輪軌接觸狀態(tài)，延長鋼軌壽命。

2.2 關鍵技術

1)根據(jù)鐵路各型號鋼軌結構特點，建立智能化數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)檢測結果智能化分析。

2)利用數(shù)字濾波技術，消除環(huán)境因素干擾，實現(xiàn)鋼軌斷面輪廓的高精度測量。

3)開發(fā)數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)，研究合理的理論算法，實現(xiàn)實測廓形與設計廓形的智能擬合。

4)對鋼軌斷面磨損進行評估分析，根據(jù)線路現(xiàn)場需要，為磨損鋼軌設計合適的目標廓形，以改善輪軌接觸狀態(tài)。

2.3 動態(tài)檢測

2.3.1 鋼軌斷面動態(tài)檢測設備原理與結構組成

鋼軌斷面輪廓動態(tài)檢測系統(tǒng)主要由激光器、工業(yè)相機、計算機處理單元等部分組成，如圖5所示。

圖5 鋼軌斷面輪廓動態(tài)檢測設備組成示意

采用非接觸式激光成像原理［3］，利用工業(yè)相機對激光器成像進行捕捉，由采集單元進行成像分析處理，提取出輪廓中心線［4-5］，再利用最小二乘法對鋼軌實測廓形與理論廓形進行擬合，最終給出鋼軌斷面輪廓各點法向偏差量，其實現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 動態(tài)檢測設備數(shù)據(jù)處理流程示意

2.3.2 技術指標

鋼軌斷面輪廓動態(tài)檢測設備主要指標如下:

1)鋼軌斷面輪廓檢測精度:±0.1 mm;

2)檢測效率:1 Hz;

3)檢測范圍:鋼軌內側70°到外側40°(指斷面圓弧法線與鋼軌垂直中心線的交角)。

2.3.3 應用情況

2013年5月，在昆明中鐵生產的鋼軌銑磨車上，完成了鋼軌斷面輪廓動態(tài)檢測系統(tǒng)的裝車、調試、培訓等工作。隨整車出廠后，結合現(xiàn)場用戶操作要求，對系統(tǒng)軟件功能進行了完善和升級。試驗現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 鋼軌斷面輪廓動態(tài)檢測系統(tǒng)試驗現(xiàn)場

2.4 靜態(tài)檢測

2.4.1 靜態(tài)檢測原理與結構組成

鋼軌斷面輪廓靜態(tài)檢測設備采用激光三角測距原理，通過電機驅動傳感器在導軌上橫移，實現(xiàn)對鋼軌斷面輪廓的測量，并將輪廓實測結果與設計值進行比較分析，給出修復方案。其檢測原理如圖8所示，其結構如圖9所示。

圖8 靜態(tài)檢測原理示意

圖9 靜態(tài)檢測設備結構示意

2.4.2 技術指標

鋼軌斷面輪廓靜態(tài)檢測設備主要指標檢測精度如下:

1)鋼軌廓形:±0.05 mm，橫斷面測量范圍為150 mm;

2)尖軌相對于基本軌降低值:±0.05 mm(專指道岔區(qū)域);

3)心軌相對于翼軌降低值:±0.05 mm(專指道岔區(qū)域);

4)尖軌、基本軌、心軌肥邊大小:±0.05 mm(專指道岔區(qū)域)。

根據(jù)鋼軌斷面輪廓靜態(tài)檢測設備的市場應用與技術參數(shù)要求，進行了方案設計和硬件選型，并搭建試驗平臺，對選定傳感器的性能指標和固定方式進行試驗，確定了電氣硬件和機械結構的最終方案。試驗現(xiàn)場如圖10所示。

圖10 電氣硬件和機械結構方案試驗現(xiàn)場

3 結語

在充分調研國內外鋼軌斷面輪廓檢測技術的基礎上，研制了基于光學成像原理的動態(tài)檢測設備，基于激光三角測距原理的靜態(tài)檢測設備也已具備雛形，以滿足鐵路部門不同的市場需求。

隨著鋼軌銑磨車的市場應用與推廣，鋼軌斷面輪廓動態(tài)檢測設備也將得到越來越多的市場應用。通過后期系統(tǒng)的不斷完善與改進，鋼軌斷面輪廓動態(tài)檢測設備還可應用于地鐵銑軌、打磨等鋼軌維修車上，具有非常廣闊的市場前景。

鋼軌斷面輪廓靜態(tài)檢測設備主要應用于檢測道岔區(qū)域鋼軌斷面磨損，指導道岔區(qū)域鋼軌的打磨維修。隨著高速鐵路運營速度和密度的不斷提升，道岔區(qū)域鋼軌因其結構和承載方式有所差異，鋼軌的磨損尤為突出。因此，道岔區(qū)域鋼軌磨損的日常檢修將是鐵路相關部門必須面臨的一個全新課題，而鋼軌斷面輪廓靜態(tài)檢測設備將在此領域得到廣泛應用。

［1］陳東生，田新宇.中國高速鐵路軌道檢測技術發(fā)展［J］.鐵道建筑，2008(10):82-86.

［2］孟佳，高曉蓉.鋼軌磨耗檢測技術的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.鐵道技術監(jiān)督，2005(1):34-36.

［3］孫軍華，王偉華，劉震，等.基于結構光視覺的鋼軌磨耗測量方法［J］.北京航空航天大學學報，2010，36(9):1026-1029.

［4］王偉華，孫軍華，劉震，等.鋼軌磨耗動態(tài)測量結構光條紋中心提取算法［J］.激光與紅外，2010，40(1):87-90.

［5］賈倩倩，王伯雄，羅秀芝.光切法形貌測量中光條中心的亞像素提?。跩］.光學精密工程，2010，18(2):390-396.

Research on inspection technology for rail profile contour

XU Jisong，GAO Chunlei，WANG Fadeng
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

To meet different railway department market requirements，based on sufficient investigation and research of domestic and foreign rail section contour detection technology，the rail section contour dynamic detection device according to optical imaging principle was manufactured，and the static detection device development according to laser triangulation principle was studied.The dynamic detection device is used for quick search of rail section contour diseases and the static device is used for intelligent and high precision rail contour detection，especially in turnout zone，which could be conductive to the railway department for the fine inspection and repair of rails.

Rail;Contour;Detection

U216.67

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.19

1003-1995(2015)01-0084-04

(責任審編 李付軍)

2014-11-15;

2014-12-20

徐濟松(1982—)，男，江西瑞昌人，助理研究員，碩士。