(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620)

0 引言

鋼軌波浪形磨耗(以下簡(jiǎn)稱波磨)是指鐵路鋼軌在經(jīng)過(guò)車體多次通過(guò)后，鋼軌軌面出現(xiàn)形似波浪且具有一定規(guī)律的磨損現(xiàn)象。磨損長(zhǎng)度(波長(zhǎng))主要集中在50～200 mm，最大磨損深度(波深)達(dá)到了1.37 mm[1]。隨著我國(guó)鐵路里程和車輛運(yùn)行時(shí)速的不斷增加，波磨現(xiàn)象越來(lái)越多。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外研究顯示對(duì)鋼軌波磨早期的預(yù)防和打磨等處理，可以很大程度上降低鋼軌進(jìn)一步的磨損以及對(duì)車體的損害。

目前國(guó)內(nèi)外大多波磨檢測(cè)儀器測(cè)量方式可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量[2]。機(jī)械式鋼軌磨損測(cè)量?jī)x有：英國(guó)道比研究中心的鋼軌斷面測(cè)量?jī)x，使用測(cè)量探頭直接接觸鋼軌表面得到磨損數(shù)據(jù)；德國(guó)VOGE公司研發(fā)的SKM1軌頭磨耗檢測(cè)裝置，該設(shè)備借助探針對(duì)鋼軌表面進(jìn)行掃描并將探針軌跡繪制在圖紙上[3]。非接觸式測(cè)量有：奧地利格拉茲公司研制的手持電子測(cè)量?jī)x，通過(guò)鋼軌上方傳感器掃描鋼軌得到鋼軌表面磨耗數(shù)據(jù)；瑞士ELAG ELECTRONIC AG公司研制的激光便攜軌道檢測(cè)儀[4]。

為了精確快速獲得鋼軌波磨數(shù)據(jù)，研制了自動(dòng)化便攜式波磨測(cè)量?jī)x，并對(duì)上海地鐵二號(hào)線部分路段進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量分析。本研究裝置檢測(cè)時(shí)放置于鋼軌上，主要采用非接觸式激光測(cè)距傳感器進(jìn)行鋼軌軌面掃描，使用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)傳感器循環(huán)掃描軌面。數(shù)據(jù)傳輸使用WIFI建立上位機(jī)與下位機(jī)的通信，使用C#開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟件，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便攜帶，可靠性好，自動(dòng)化程度高，能夠精確反應(yīng)鋼軌波磨實(shí)際數(shù)據(jù)。

1 激光測(cè)量波磨基本方法與原理

弦測(cè)法主要應(yīng)用于高精度檢測(cè)，隨著檢測(cè)傳感器精度的提高，弦測(cè)法更廣泛地應(yīng)用于鋼軌磨損檢測(cè)。其原理如圖1所示。將儀器縱向放于鋼軌上，以儀器兩側(cè)的連線作為弦，通過(guò)中間傳感器測(cè)量弦到鋼軌的距離作為鋼軌磨損測(cè)量值。當(dāng)傳感器測(cè)點(diǎn)到儀器兩側(cè)距離相等時(shí)(a=b)，則稱之為等弦測(cè)量；其間距不等時(shí)(a≠b)，稱之為不等弦測(cè)量[5]。

本設(shè)備檢測(cè)方法為不等弦測(cè)量，如圖1所示，設(shè)測(cè)量弦長(zhǎng)為L(zhǎng)，在儀器下方安裝激光位移傳感器。假設(shè)鋼軌的縱向不平順為x(t)，儀器實(shí)際測(cè)量值為y(t)，則x(t)和y(t)之間的關(guān)系可表達(dá)為:

圖1 弦測(cè)法測(cè)量原理圖

(1)

式(1)中，t是傳感器在檢測(cè)儀器上運(yùn)行的距離。

將式(1)中實(shí)際值與測(cè)量值關(guān)系式進(jìn)行傅里葉變換，得：

Y(Ω)=H(Ω)·X(Ω)=(1-COS(πL/λ)·X(Ω))

(2)

式(2)中，H(Ω)是頻率傳遞函數(shù)，Ω是空間角頻率，λ是鋼軌波磨的實(shí)際長(zhǎng)度，L是基于弦測(cè)法的檢測(cè)儀器弦長(zhǎng)。

波磨評(píng)估方法對(duì)樣本取均方根，均方根(RMS)常用于大樣本采樣數(shù)據(jù)處理，也被稱為樣本有效值，目前在鋼軌表面磨耗評(píng)價(jià)中大量應(yīng)用。由于一定長(zhǎng)度內(nèi)采集到的鋼軌波磨數(shù)據(jù)樣本過(guò)大，對(duì)樣本取均方根處理后可以更精確地反應(yīng)該區(qū)段內(nèi)鋼軌波磨的實(shí)際磨損程度。設(shè)采樣點(diǎn)i=1,2,3...n，各樣本點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波磨縱向磨耗為x1,x2,x3...xn，則可通過(guò)式1計(jì)算出該區(qū)段鋼軌磨耗程度XRMS。

(3)

通過(guò)式(3)算出鋼軌磨耗程度XRMS，將其與ISO-3095: 2005 C(E)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的鋼軌軌面理想平整度標(biāo)準(zhǔn)值比較，可得出該區(qū)段鋼軌的實(shí)際磨耗嚴(yán)重程度。這種鋼軌磨耗評(píng)價(jià)方法目前主要應(yīng)用于基于弦測(cè)法的鋼軌波磨檢測(cè)儀器上，對(duì)檢測(cè)儀器的傳感器精度要求比較高。

設(shè)備傳感器精度為10 μm，可測(cè)出約一米范圍內(nèi)單條鋼軌波磨曲線，并對(duì)波磨數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖2為波磨測(cè)量設(shè)備原理圖。測(cè)量設(shè)備平放于鋼軌之上，縱梁AB需與鋼軌CD保持大致平行，帶有同步輪的同步帶在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)傳感器在鋼軌上水平移動(dòng)，同時(shí)編碼器接收水平移動(dòng)所產(chǎn)生的脈沖將其發(fā)送給單片機(jī)采集板，使用增量式編碼器輸出方波脈沖進(jìn)行空間等距離采樣控制，采樣步長(zhǎng)為5 mm。

圖2 波磨測(cè)量設(shè)備原理圖

傳感器檢測(cè)的波磨數(shù)據(jù)以模擬量的方式輸出，模擬量與采樣距離呈線性比例關(guān)系，如圖3所示，通過(guò)單片機(jī)讀取傳感器采集數(shù)據(jù)。

圖3 模擬量與采樣距離線性關(guān)系

為了將上述測(cè)量方法應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量，研制了圖4所示的波磨測(cè)量設(shè)備(專利號(hào)：ZL 2017 2 1425380.9)。設(shè)備主體由縱梁組成，還包括滑動(dòng)桿、定位腳改、限位釘、滑塊，滑動(dòng)桿固定在左右側(cè)架之間，滑塊用于安放編碼器和傳感器；定位腳改固定在左右側(cè)架之上，限位釘位于定位腳改的螺孔之中，用于固定檢測(cè)裝置和改變位置；還包括采集板，計(jì)算機(jī)等組成[6]。

圖4 波磨測(cè)量?jī)x機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

裝置使用前需調(diào)節(jié)限位釘位置，使傳感器激光束對(duì)準(zhǔn)鋼軌中央，并將設(shè)備固定于鋼軌上，防止儀器采集過(guò)程中，意外的觸碰導(dǎo)致設(shè)備晃動(dòng)從而產(chǎn)生誤差；然后將放置傳感器的滑塊推到一端，按下啟動(dòng)按鈕，傳感器在步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)下勻速移動(dòng)。為避免傳感器重復(fù)測(cè)量，使用編碼器輸出脈沖作為控制信號(hào)，達(dá)到傳感器移動(dòng)與數(shù)據(jù)采集同步的效果。鋼軌波磨數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)采集板發(fā)送到上位機(jī)，由軟件系統(tǒng)將磨損數(shù)據(jù)生成波磨曲線圖。

2 波磨檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)備采用以STM32C8T6為芯片的采集板，采集板上嵌入WIFI芯片與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)傳感器模擬量進(jìn)行采集，其中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖由單片機(jī)定時(shí)器T1的pwm波提供脈沖輸出，同時(shí)為了提高檢測(cè)速度和步數(shù)的精度，單片機(jī)定時(shí)器T3對(duì)編碼器輸出脈沖進(jìn)行捕獲來(lái)控制定時(shí)器T1的脈沖輸出，保證設(shè)備的同步等間距采樣。圖5是硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖5 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

如果步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)以TL轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)負(fù)載，啟動(dòng)頻率為f2，則步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率必須小于步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的頻率f2，如圖6所示，再將啟動(dòng)時(shí)的低頻f1通過(guò)增加步進(jìn)脈沖頻率的方式加速到正常運(yùn)行時(shí)的頻率f2，由于步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在正常運(yùn)行時(shí)維持不變，其電磁轉(zhuǎn)矩降低。

因此正常運(yùn)行轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TM-TL之差減小，步進(jìn)電機(jī)從啟動(dòng)到正常運(yùn)行期間的加速由TM-TL決定。在步進(jìn)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行之后，其轉(zhuǎn)矩需要保持在啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和失步轉(zhuǎn)矩之間，即f1

圖6 加速特性

步進(jìn)電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，維持最大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行一定時(shí)間，之后以停機(jī)頻率f2減速直到步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)。若在步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)加速過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩和速度呈線性關(guān)系，形成梯形加速曲線；若步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和其轉(zhuǎn)軸運(yùn)行速度關(guān)系呈S型曲線，則形成S型加速曲線。同理，步進(jìn)電機(jī)在減速時(shí)與加速過(guò)程相同。梯形與X軸所包圍的面積等于步進(jìn)電機(jī)走的總步數(shù)。

若步進(jìn)電機(jī)步距角設(shè)為θs，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的加速時(shí)間設(shè)為t0，Ta是加速時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩:

(4)

T=SF(Ta+TL)

(5)

式(4)和(5)中，SF是步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的安全系數(shù)，一般在1.3～2之間，通過(guò)式(4)和(5)可計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)在額定工作狀態(tài)下所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩T。本設(shè)備所需的動(dòng)態(tài)拉力約在8 N，選擇35HB27型電機(jī)，扭矩為10 N/cm，滿足設(shè)備所需要的動(dòng)態(tài)拉力。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸方式

激光傳感器采集鋼軌磨損數(shù)據(jù)以模擬量輸出到單片機(jī)，再由ADC采集發(fā)送到WIFI芯片。WIFI與上位機(jī)的通訊使用透?jìng)髂Ｊ?，芯片使用ESP8266，在通信之前使用ESP8266的AT指令集對(duì)檢測(cè)儀器進(jìn)行相關(guān)配置，使單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)入可通信狀態(tài)，使用AT+CWMODE=1指令進(jìn)入STATION模式連接WIFI；并通過(guò)TCPIP通信將數(shù)據(jù)通過(guò)WIFI發(fā)送到上位機(jī)。

在WIFI到上位機(jī)的連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中使用循環(huán)緩沖區(qū)即隊(duì)列FIFO，遵循先入先出的數(shù)據(jù)進(jìn)出方式。將WIFI發(fā)送到上位機(jī)的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，同時(shí)將緩沖區(qū)已存入的數(shù)據(jù)取出進(jìn)行處理，循環(huán)緩沖區(qū)的工作方式如圖7所示。從緩沖區(qū)頭部輸入數(shù)據(jù)，到達(dá)緩沖區(qū)尾部時(shí)，新數(shù)據(jù)從頭部再輸入到緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中的一個(gè)位置以塊的形式輸出，而頭部輸入的數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)的另一個(gè)位置開(kāi)始存放。這樣，當(dāng)數(shù)據(jù)輸入速度與數(shù)據(jù)輸出速度相等時(shí)，未讀取的數(shù)據(jù)就不會(huì)被新數(shù)據(jù)覆蓋。當(dāng)連續(xù)快速采集數(shù)據(jù)時(shí)，循環(huán)緩沖區(qū)的使用使得數(shù)據(jù)不會(huì)在傳輸過(guò)程中丟失[8]。

圖7 循環(huán)緩沖區(qū)工作方式圖

由于傳感器采集速度較快，會(huì)對(duì)單個(gè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)量，為提高數(shù)據(jù)精度。因此，在程序中使用TRIMMEAN函數(shù)對(duì)ADC每次采集到的7個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行去最大值和最小值取平均值的處理方法。

2.3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)使用visualsudio作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，進(jìn)行C#窗體應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)。軟件系統(tǒng)主要由波磨數(shù)據(jù)采集、波磨數(shù)據(jù)處理和波磨曲線圖顯示子系統(tǒng)三大部分組成[9]。數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)激光傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，通過(guò)單片機(jī)WiFi通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)算法處理，顯示鋼軌波磨數(shù)據(jù)，并在顯示界面顯示磨損曲線圖，采集到的數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)到電腦指定位置。

測(cè)量顯示子系統(tǒng)給用戶提供了一個(gè)測(cè)量和管理文件的人際交互界面，將波峰、波谷、峰峰值、峰峰距等數(shù)據(jù)向用戶展示，可進(jìn)行平滑濾波和帶通濾波，并且支持用戶對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析。該操作界面十分友好，提供豐富的操作菜單、視圖信息、標(biāo)定操作和波磨評(píng)估分析。圖8為測(cè)量界面。

圖8 軟件測(cè)量界面

軟件編程方法主要流程：首先創(chuàng)建一個(gè)winform窗體用于PC端和下位機(jī)的tcpip通信，再創(chuàng)建一個(gè)winform窗體用于生成波磨曲線圖，在tabcontrol控件中存放各個(gè)功能界面，實(shí)現(xiàn)新建測(cè)量以及對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查看、數(shù)據(jù)測(cè)量、波磨評(píng)估、設(shè)備標(biāo)定等功能。通過(guò)tcpip通信發(fā)送采集指令給下位機(jī)并獲取采集到的波磨數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)顯示在winform界面，采用相應(yīng)的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到波磨數(shù)據(jù)的各項(xiàng)指標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)波磨數(shù)據(jù)的檢測(cè)與評(píng)估。圖9是軟件實(shí)現(xiàn)流程圖。

圖9 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

3 波磨的測(cè)量與分析

對(duì)上海虹橋站至徐涇東區(qū)間進(jìn)行車廂振動(dòng)測(cè)試，車輛在上海虹橋站駛出后40～55 s區(qū)間內(nèi)振動(dòng)和噪聲較大，并在48 s左右出現(xiàn)了輪軌刺耳嘯叫聲，此時(shí)的振動(dòng)幅度也較大。圖10為振動(dòng)全局頻譜分析，可見(jiàn)振動(dòng)的主要頻率成分布在100～300 Hz左右。其中車廂振動(dòng)和噪聲較大區(qū)域的振動(dòng)頻率為100～200 Hz，即第一個(gè)峰值附近。出現(xiàn)輪軌刺耳嘯叫區(qū)域的振動(dòng)頻率大約為300 Hz，即第2個(gè)峰值附近。

圖10 上海虹橋站至徐涇東區(qū)間車廂振動(dòng)全局頻譜分析

對(duì)打磨現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行了打磨前的查看和測(cè)量，發(fā)現(xiàn)曲線外軌有波磨，波深約0.2 mm，波長(zhǎng)約50～70 mm。如圖11所示。從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，當(dāng)列車經(jīng)過(guò)大波深和繁忙路段時(shí)，列車會(huì)對(duì)自身車體和軌道產(chǎn)生很大的沖擊能量。這種沖擊時(shí)間越久對(duì)鐵路列車系統(tǒng)損傷越嚴(yán)重。

圖11 上海虹橋站至徐涇東區(qū)間嘯叫噪聲局部波形

將濾波結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)波磨損檢測(cè)譜進(jìn)行比較，得到各頻帶的個(gè)數(shù)和百分比如表1所示。由表1可知，在30～1 000 mm波段中，100 mm波段的波磨損值最高，因此該波段磨削波的主要波長(zhǎng)為30～100 mm。

表1 每個(gè)頻帶內(nèi)超限數(shù)量和百分比

利用Matlab將檢測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值比較得到6個(gè)不同檢測(cè)弦長(zhǎng)下波磨的曲線圖，如圖12所示。

圖12 不同弦長(zhǎng)下檢測(cè)數(shù)據(jù)和構(gòu)造波磨軌道數(shù)據(jù)對(duì)比圖

由圖10可知，由于弦測(cè)法的傳遞函數(shù)不恒等于1的原因，根據(jù)實(shí)際波磨數(shù)據(jù)所模擬得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖和所構(gòu)造的鋼軌磨耗數(shù)據(jù)有相應(yīng)的差距。為了比較不同檢測(cè)弦長(zhǎng)下實(shí)際波磨檢測(cè)數(shù)據(jù)和構(gòu)造的波磨數(shù)據(jù)之間的區(qū)別。取出實(shí)際波磨檢測(cè)數(shù)據(jù)和構(gòu)造的波磨數(shù)據(jù)的誤差最大值max和平均值α以及標(biāo)準(zhǔn)值σ對(duì)檢測(cè)儀器在不同檢測(cè)弦長(zhǎng)下衡量，如表2所示。

表2 不同檢測(cè)弦長(zhǎng)下實(shí)際檢測(cè)值和模擬值誤差表

由表分析可知在檢測(cè)弦長(zhǎng)等于350 mm時(shí)實(shí)際檢測(cè)值和模擬值的各項(xiàng)誤差均為最小值，因此當(dāng)L=350 mm時(shí)檢測(cè)儀器精度最高。

檢測(cè)裝置精度為10 μm，為便于分析將測(cè)量結(jié)果精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。鋼軌波磨檢測(cè)首先要對(duì)波磨進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)弦測(cè)法使用激光傳感器獲取波磨測(cè)量值，再將標(biāo)定值與測(cè)量值進(jìn)行比較得出實(shí)際鋼軌磨損值。圖13顯示的是1 000 mm測(cè)量范圍內(nèi)鋼軌波磨曲線圖，通過(guò)測(cè)量軟件可獲取波磨的波峰、波谷等數(shù)據(jù)。

圖13 測(cè)量波磨曲線圖(MAX：0.04 mm)

通過(guò)查閱文獻(xiàn)得知，當(dāng)鋼軌波磨超出鋼軌輕傷標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的波深0.5 mm 后，應(yīng)及時(shí)對(duì)此路段鋼軌進(jìn)行打磨處理。進(jìn)行鋼軌打磨后，鋼軌表面不平整度應(yīng)小于0.2 mm。鋼軌維護(hù)人員將檢測(cè)裝置軟件系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果與建議值比較，從而為鋼軌后續(xù)打磨提供數(shù)據(jù)支持[10]。

4 結(jié)論

本文在研究分析波磨測(cè)量方法與原理的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)研發(fā)了激光式波磨自動(dòng)檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了鋼軌波磨的精確自動(dòng)化測(cè)量，非接觸式的測(cè)量設(shè)計(jì)有效避免了接觸式測(cè)量所固有的缺陷，為鋼軌維護(hù)提供了必要的測(cè)量方法和數(shù)據(jù)支持，而且極大地提高了鋼軌檢測(cè)和維護(hù)的效率。檢測(cè)裝置體積小，重量輕，適用于各種復(fù)雜的檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)波磨集中路段的及時(shí)測(cè)量，節(jié)省了大量人力和物力。