鋼軌輪廓及磨耗檢測(cè)系統(tǒng)

■ 王昊

鋼軌是鐵路線(xiàn)路中最為重要的設(shè)備之一，其主要作用是支撐并引導(dǎo)機(jī)車(chē)車(chē)輛的車(chē)輪，在列車(chē)運(yùn)行中直接承受來(lái)自車(chē)輪的載荷和沖擊。其狀態(tài)是否完好直接關(guān)系到列車(chē)的運(yùn)行安全。鋼軌疲勞損傷后，主要表現(xiàn)為軌頭磨耗，包括垂直磨耗、側(cè)面磨耗等，這些損傷直接影響鐵路的運(yùn)營(yíng)安全，因此對(duì)鋼軌軌頭輪廓進(jìn)行定期檢測(cè)十分重要。鋼軌輪廓及磨耗檢測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)）正是基于這一目的研發(fā)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由三部分組成，包括激光攝像組件、數(shù)據(jù)處理單元、波形編輯單元（見(jiàn)圖1）。安裝在構(gòu)架上由4對(duì)激光器、攝像機(jī)組成的激光攝像組件將鋼軌輪廓圖像采集并傳輸至圖像處理計(jì)算機(jī)，圖像處理計(jì)算機(jī)將采集圖像進(jìn)行模式匹配、圖像擬合、特征點(diǎn)分析計(jì)算后，將處理結(jié)果傳輸至數(shù)據(jù)合成及控制計(jì)算機(jī)，由其完成多路數(shù)據(jù)采集、里程校對(duì)、超限分析等功能，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)及分析結(jié)果發(fā)送至波形顯示、數(shù)據(jù)編輯計(jì)算機(jī)，完成超限編輯、波形顯示、報(bào)表打印等任務(wù)。

2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)是結(jié)合使用激光攝像三角測(cè)量和圖像處理技術(shù)的鋼軌外形測(cè)量系統(tǒng)，用于測(cè)量從軌底到鋼軌頂面的整個(gè)鋼軌輪廓。系統(tǒng)結(jié)合列車(chē)運(yùn)行條件下鋼軌輪廓面特征信息的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)出一套鋼軌輪廓面信息的自動(dòng)檢測(cè)方法，具有高分辨率圖像實(shí)時(shí)采集和處理功能，可快速、高效地識(shí)別大數(shù)據(jù)量信息中的特征值。同時(shí)，針對(duì)列車(chē)晃動(dòng)與振動(dòng)等情況，在復(fù)雜路況和環(huán)境條件下，系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

為提高檢測(cè)精度，系統(tǒng)的車(chē)下激光攝像組件從安裝到標(biāo)定都有著極高的要求。使用時(shí)，要求對(duì)同一根鋼軌內(nèi)外側(cè)進(jìn)行檢測(cè)的2組激光攝像組件在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行標(biāo)定，以便兩側(cè)半斷面圖像擬合后的圖像拼接和特征點(diǎn)計(jì)算提取。

圖2為圖像處理計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的鋼軌輪廓檢測(cè)軟件界面。左側(cè)兩幅小圖為半斷面采集圖像，右側(cè)大圖為經(jīng)過(guò)模式識(shí)別、圖像擬合、特征識(shí)別后與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌比較的效果圖。圖中白色虛線(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)鋼軌截面，綠色虛線(xiàn)為實(shí)測(cè)鋼軌軌頭截面。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌廓形的對(duì)比，可以精確計(jì)算出鋼軌垂直磨耗、側(cè)面磨耗等反映鋼軌輪廓狀態(tài)的參數(shù)。

圖1 鋼軌輪廓及磨耗檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 圖像處理程序界面

數(shù)據(jù)合成控制計(jì)算機(jī)采用QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要完成數(shù)據(jù)合成傳輸、速度里程校對(duì)、同步信號(hào)控制等功能。而波形編輯計(jì)算機(jī)主要完成鋼軌磨耗各項(xiàng)參數(shù)的波形圖顯示及超限數(shù)據(jù)編輯等功能。

為方便在列車(chē)行進(jìn)過(guò)程中觀測(cè)鋼軌狀態(tài)，確認(rèn)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，鋼軌輪廓及磨耗檢測(cè)系統(tǒng)還包含了鋼軌輪廓檢測(cè)相機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)。該相機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)可以非常方便地同時(shí)觀測(cè)四路相機(jī)所采集的圖像信息，在特殊路段或異常情況下還可以非常方便地保存原始圖像信息。

3 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

（1）激光攝像檢測(cè)技術(shù)。使用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字圖像處理等技術(shù)手段，避免了模擬圖像傳輸和采集過(guò)程容易被干擾等問(wèn)題；使用全新圖像處理算法，圖像采集和處理速度大大提高，能夠滿(mǎn)足安裝在時(shí)速160 km車(chē)輛上的正常檢測(cè)；通過(guò)改進(jìn)算法、提高元器件性能等方法，抗陽(yáng)光干擾能力大大提高。

（2）機(jī)械懸掛方式。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種便于安裝、維護(hù)方便、安全的新型懸掛方式。從檢測(cè)梁靜強(qiáng)度分析圖（見(jiàn)圖3）可以看出，梁的安全可靠性非常高，滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需要。

（3）采用全新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，激光攝像組件直接與圖像采集計(jì)算機(jī)連接，省去中間環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維修、維護(hù)。

圖3 檢測(cè)梁靜強(qiáng)度分析圖

（4）檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備性能指標(biāo)：采樣間隔為1、2、3、5 m等間距采樣，可根據(jù)需要調(diào)整；磨耗精度為0.2 mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

鋼軌輪廓及磨耗檢測(cè)系統(tǒng)作為鋼軌輪廓狀態(tài)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備，在我國(guó)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)領(lǐng)域正起著越來(lái)越重要的作用。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在包括京滬高速鐵路在內(nèi)的多條高速鐵路、既有提速干線(xiàn)上使用，其檢測(cè)結(jié)果的應(yīng)用分析對(duì)探索高速鐵路養(yǎng)護(hù)維修有著重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)對(duì)于研究高速列車(chē)走行狀態(tài)、輪軌作用關(guān)系也起到了積極的參考作用。

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