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        鋼軌廓形檢測系統(tǒng)現(xiàn)場校準(zhǔn)方法研究

        2021-03-01 15:48:02韓志陳春雷郝晉斐傅強(qiáng)
        鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2021年6期
        關(guān)鍵詞:廓形量值差值

        韓志,陳春雷,郝晉斐,傅強(qiáng)

        (中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)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(hù)鐵路安全運(yùn)營的重要指標(biāo),在高速動(dòng)態(tài)條件下準(zhǔn)確獲取鋼軌輪廓檢測數(shù)據(jù)是軌道養(yǎng)護(hù)維修面臨的重要問題。目前鐵路鋼軌廓形檢測是基于結(jié)構(gòu)光測量和圖像處理的鋼軌廓形檢測系統(tǒng),測量鋼軌頂面的整個(gè)輪廓,分析獲取準(zhǔn)確的廓形值[1-2]。鋼軌廓形檢測系統(tǒng)的工作狀態(tài)將直接影響鋼軌廓形檢測數(shù)據(jù)的有效性,為保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性,需要對鋼軌廓形檢測系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。鋼軌廓形檢測系統(tǒng)一般安裝在軌檢車、探傷車或軌道檢查車上進(jìn)行檢測,在現(xiàn)場作業(yè)條件下,為保證系統(tǒng)發(fā)出的線結(jié)構(gòu)光與軌面的角度固定,鋼軌廓形檢測系統(tǒng)安裝后通常無法拆下校準(zhǔn),導(dǎo)致鋼軌廓形檢測系統(tǒng)難以在較長的使用時(shí)間下保證測量精度[3-6]。

        量值溯源是測量結(jié)果通過具有適當(dāng)準(zhǔn)確度的中間比較環(huán)節(jié)逐級往上追溯至國家計(jì)量基準(zhǔn)或國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的過程。只有經(jīng)過量值溯源后的測量結(jié)果才是準(zhǔn)確有效的,實(shí)現(xiàn)量值溯源的最主要技術(shù)手段是校準(zhǔn)和檢定。我國雖然已有對鋼軌輪廓檢測系統(tǒng)的標(biāo)定方法來保證系統(tǒng)的測量精度,然而,其無法將測量結(jié)果進(jìn)行量值溯源,測量值的有效性難以得到保證[7-9]?;谏鲜鲈颍⒁惶讘?yīng)用于工作現(xiàn)場的鋼軌廓形檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)方法,并對廓形檢測系統(tǒng)測量不確定度進(jìn)行評估。

        2 校準(zhǔn)裝置和使用方法

        鋼軌廓形檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置基于鋼軌廓形檢測系統(tǒng)圖像測量的原理設(shè)計(jì),采用對稱結(jié)構(gòu)能同時(shí)滿足左、右兩側(cè)檢測裝置的校準(zhǔn),校準(zhǔn)裝置主要包括:校準(zhǔn)模塊、承載模塊、穩(wěn)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(tǒng)校準(zhǔn)裝置

        在鋼軌廓形檢測系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),校準(zhǔn)裝置的承載模塊安裝在鋼軌上,調(diào)整微分頭,螺桿帶動(dòng)滑動(dòng)模塊沿鋼軌的延伸方向平移,滑動(dòng)模塊帶動(dòng)校準(zhǔn)模塊沿鋼軌的延伸方向平移,使得鋼軌廓形檢測系統(tǒng)的線結(jié)構(gòu)光依次落在各校準(zhǔn)面上。由于校準(zhǔn)面是相互平行且等間隔設(shè)置的,校準(zhǔn)面與鋼軌頂面平行,令鋼軌廓形檢測系統(tǒng)的激光線平行于相鄰2個(gè)校準(zhǔn)面之間的間隙且垂直鋼軌延伸方向。通過計(jì)算鋼軌廓形檢測系統(tǒng)的線結(jié)構(gòu)光落在不同校準(zhǔn)面時(shí)廓形檢測系統(tǒng)的垂直磨耗、側(cè)面磨耗測量數(shù)據(jù)的差值與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)鋼軌廓形檢測系統(tǒng)的校準(zhǔn)(見圖2)。

        圖2 鋼軌廓形校準(zhǔn)裝置工作示意圖

        預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)是2個(gè)校準(zhǔn)面厚度的差值,測量數(shù)據(jù)以廓形值為例,依次讀取鋼軌廓形。檢測系統(tǒng)的線結(jié)構(gòu)光對準(zhǔn)2個(gè)不同校準(zhǔn)面時(shí),檢測系統(tǒng)測量結(jié)果的差值為Δx,2個(gè)校準(zhǔn)面厚度的差值表示為增量Δy,當(dāng)│Δx-Δy│<Δy/3時(shí),可以判斷鋼軌廓形檢測系統(tǒng)的工作狀態(tài)正常。

        3 校準(zhǔn)試驗(yàn)和不確定度

        在進(jìn)行鋼軌廓形檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí),為確保采集到的檢測數(shù)據(jù)有效性,選擇帶有置信概率統(tǒng)計(jì)的格拉布斯準(zhǔn)則,進(jìn)行校準(zhǔn)面上測量出現(xiàn)的離群值剔除[10-12],鋼軌廓形檢測系統(tǒng)在各校準(zhǔn)面上測量時(shí)的具體測量數(shù)據(jù)見表1、表2。

        表1 不同校準(zhǔn)面上鋼軌廓形測量平均值 mm

        表2 正、反行程廓形檢測系統(tǒng)測量 mm

        由表1數(shù)據(jù)可知,兩相鄰校準(zhǔn)面上測量的鋼軌廓形檢測數(shù)據(jù)差值小于預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)(相鄰兩校準(zhǔn)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(tǒng)的工作狀態(tài)正常。

        鋼軌廓形檢測系統(tǒng)測量結(jié)果的不確定度主要來源于鋼軌廓形檢測系統(tǒng)多次重復(fù)測量引入的不確定度、回程誤差引入的不確定度以及校準(zhǔn)裝置自身誤差引入的不確定度。

        (1)鋼軌廓形檢測系統(tǒng)多次重復(fù)測量引入的不確定度。鋼軌廓形檢測系統(tǒng)在校準(zhǔn)裝置的任意校準(zhǔn)面上多次重復(fù)測量平均值的不確定度符合A類不確定度要求,采用統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行6次重復(fù)測量,單次測量的標(biāo)準(zhǔn)差s為:

        則測量標(biāo)準(zhǔn)差引入的不確定度uA記為:

        (2)回程誤差引入的不確定度?;爻陶`差是鋼軌廓形檢測系統(tǒng)測量時(shí),測量值由小到大變化或由大到小變化時(shí)測量誤差的累積,按式(3)計(jì)算鋼軌廓形檢測系統(tǒng)的回程誤差:

        鋼軌廓形檢測系統(tǒng)回程測量誤差引入的不確定度為:

        (3)校準(zhǔn)裝置自身誤差Δ引入的不確定度。對鋼軌廓形檢測系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)的裝置各校準(zhǔn)面參數(shù)是由計(jì)量院校準(zhǔn)并出具證書的千分尺校準(zhǔn)得到的,在進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)會將其不確定度引入鋼軌廓形檢測系統(tǒng)的測量結(jié)果中。校準(zhǔn)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(zhǔn)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(tǒng)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度公式為:

        當(dāng)取k=2,擴(kuò)展不確定度U的計(jì)算公式為:

        采用該方法對鋼軌廓形檢測系統(tǒng)進(jìn)行測量不確定度評估(見表3),鋼軌廓形檢測系統(tǒng)垂直磨耗測量的擴(kuò)展不確定度小于0.06 mm,側(cè)面磨耗測量的擴(kuò)展不確定度小于0.05 mm,說明鋼軌廓形檢測系統(tǒng)在測量范圍內(nèi)具有較高的測量精度。

        表3 不同校準(zhǔn)面上鋼軌廓形測量不確定度評估 mm

        4 結(jié)論

        采用鋼軌廓形檢測系統(tǒng)現(xiàn)場校準(zhǔn)方法對廓形檢測系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn),判斷檢測系統(tǒng)的工作狀態(tài)并進(jìn)行檢測系統(tǒng)的不確定度分析。該方法有利于提高廓形檢測系統(tǒng)的測量精度,確保系統(tǒng)量值的準(zhǔn)確統(tǒng)一。通過校準(zhǔn),將廓形檢測系統(tǒng)量值與鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測中心計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)之間定期保持量值的溯源關(guān)系,形成封閉的監(jiān)控狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)量值溯源,保證檢測車輛測量結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠和統(tǒng)一,為基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測、監(jiān)測體系提供有效的監(jiān)管手段。

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