道岔鋼軌銑削精度在線檢測技術

徐濟松，游彥輝，高春雷，王發(fā)燈，張世紅

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著高速鐵路運營速度和密度的不斷提升，輪軌沖擊載荷也將隨之增大。相比正線鋼軌而言，道岔鋼軌因其結構和承載方式有所差異，鋼軌的磨損尤為突出，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[1]。因此，在道岔鋼軌銑削過程中，強化加工工藝的同時，應采用科學的檢測技術，依照相關標準，嚴格控制和管理道岔鋼軌斷面尺寸。

目前，道岔鋼軌斷面銑削精度的檢查大多依賴傳統(tǒng)手工檢測設備進行離線檢測和人工統(tǒng)計，具有效率低、勞動強度大、數據錄入工作繁瑣等弊端，不利于對道岔鋼軌銑削精度進行在線評判、數據管理與維護[2]。

隨著計算機和傳感器技術的不斷發(fā)展，激光攝像傳感器在鋼軌檢測領域得到越來越廣泛的應用[3]。本文針對移動式鏜銑床，提出一種道岔鋼軌斷面銑削精度在線檢測方案，采用高精度、智能化的檢測技術和數字處理技術，實現(xiàn)道岔鋼軌斷面尺寸的在線自動化檢測和精細化管理，為鐵路道岔運營安全提供技術保障。

1 檢測系統(tǒng)

1.1 移動式鏜銑床

移動式鏜銑床是北京第一機床廠自行設計開發(fā)制造的一種重型鋼軌鏜銑床，主要由橫梁、溜板、滑枕、工作臺支架、導向輪、導軌及操作臺組成。外形見圖1。

圖1 移動式鏜銑床

1.2 檢測技術方案

道岔鋼軌銑削精度檢測系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 檢測系統(tǒng)結構示意

在鏜銑床的左右滑枕上各固定1套二維移動機構，系統(tǒng)檢測不同鋼軌斷面時，傳感器可進行橫向和垂向的位置調整；每套移動機構上通過傳感器支架固定2個二維激光掃描傳感器，分別對鋼軌工作邊和非工作邊的斷面尺寸進行掃描檢測，如圖3所示。

圖3 道岔鋼軌斷面檢測示意

計算機處理單元采用數據終端控制軟件，通過數字處理算法，對同一斷面的2組二維激光掃描傳感器數據進行搭接處理，最終實現(xiàn)斷面輪廓檢測。

檢測系統(tǒng)主要包括激光掃描傳感器、移動機構、與銑削控制中心進行數據交換的轉換模塊以及數據終端計算機。

1.3 工作流程

第1步，道岔鋼軌最后一遍銑削完畢后，操作人員將工作臺移動至道岔鋼軌銑削初始位置，對工作臺的零點位置進行設定，便于系統(tǒng)對斷面位置進行記錄。

第2步，根據被加工鋼軌型號，操作人員進行數據終端交互信息設定。系統(tǒng)根據鋼軌型號信息，結合銑頭裝置隨溜板和滑枕在橫向、垂向的位置變化，控制移動機構進行初始位置調整，將二維激光掃描傳感器移至被測鋼軌斷面的合理位置，以避免檢測過程中出現(xiàn)掃描盲區(qū)。

第3步，系統(tǒng)開始檢測任務，工作臺沿床身導軌縱向運動過程中二維激光掃描傳感器實時對道岔鋼軌斷面進行檢測，并實時記錄工作臺的縱向(x軸)移動量。

第4步，由計算機軟件進行數據自動處理分析，并參照道岔鋼軌評判標準進行精度評價，最終由計算機統(tǒng)一存儲與管理。

2 數據處理與實現(xiàn)

2.1 數據預處理

二維激光掃描傳感器在對橫向移動的鋼軌進行斷面掃描時，因鋼軌表面清潔度、鋼軌振動等因素的干擾，給測量結果帶來誤差。因此，需要對傳感器數據進行預處理。

系統(tǒng)采用“五點三次平滑法”對數據進行預處理[4]。該算法從頻域上看相當于進行一次低通濾波，它采用分段平滑的方法，既能有效地剔除粗大誤差，又不破壞采樣數據的特性，因此在檢測系統(tǒng)的數據處理中得到了廣泛的應用。

五點三次平滑法是利用最小二乘法原理對相鄰5組離散數據進行三次最小二乘多項式平滑處理的方法。其基本公式為

(1)

式中：xi為采樣數據；yi為平滑處理后的結果。

五點三次平滑法可以對時域和頻域信號平滑處理，該方法對時域數據的處理可減少在振動信號中混入高頻隨機噪聲，而對于頻域數據的處理可使頻譜曲線變得光滑，以便在模態(tài)參數識別中取得較好的擬合效果。

2.2 擬合處理與廓形偏差計算

為了對實測道岔鋼軌廓形偏差進行計算，就必須將實測廓形與標準廓形進行對比分析與處理。本文采用最小二乘法對實測廓形進行數據擬合處理，實現(xiàn)廓形偏差計算[5-6]。

數據擬合處理流程如圖4所示。利用最小二乘法原理，基于轉換函數φ(a,b,α)，結合坐標換算，實現(xiàn)數據擬合最優(yōu)化處理。

圖4 擬合處理流程

先建立坐標系xoy，按標準鋼軌徑向角(鋼軌徑向角指銑削接觸圓弧法線與鋼軌垂直中心線的交角)等間隔抽樣，選取理論參考點坐標集(X0,Y0),(X1,Y1),……,(Xi,Yi),……,(Xn,Yn)，共計n組；對實測離散數據集進行插值計算，獲取與參考點鋼軌徑向角相同的實測離散點坐標集(x0,y0),(x1,y1),……,(xi,yi),……,(xn,yn)，共計n組。選定坐標轉換函數φ(a,b,α)，對實測離散點坐標集進行坐標換算處理，即

(2)

然后利用最小二乘法，對實測離散點坐標集和理論參考點坐標集進行擬合計算處理。計算公式為

(3)

E

(4)

式中：E為平方差。

對實測離散點坐標與理論參考點坐標擬合處理后，便可對實測鋼軌廓形偏差進行計算，如圖5所示。

圖5 實測鋼軌廓形偏差計算示意

按指定的一個鋼軌徑向角，在理論廓形上選取理論參考點，假設其坐標為(Xi,Yi)。理論參考點法線與實測廓形的交點即為實測廓形上對應的實測離散點，該點坐標為(xi,yi)。通常，實測離散點坐標可通過該點附近兩點(xi-1,yi-1)和(xi+1,yi+1)進行插值計算獲得。則鋼軌徑向角處的實測廓形偏差Δs計算公式為

(5)

2.3 評判方法

系統(tǒng)按照TB/T 412—2014《標準軌距鐵路道岔技術條件》，對道岔鋼軌銑削精度進行評判。

對無砟軌道60 kg/m鋼軌18號可動心軌轍叉而言，主要在距趾端536 mm(B-B截面)，1 339 mm(C-C截面)等固定位置檢測,如圖6所示。評判項目主要包括軌頭寬度、軌底寬度、軌腰厚度等。

圖6 道岔平面及鋼軌檢測斷面示意(單位：mm)

2.4 數據處理流程

系統(tǒng)實時檢測的數據主要包括二維激光掃描傳感器的離散點數據和移動機構在y軸和z軸上的坐標變化量，以及工作臺縱向移動量。數據處理過程如圖7所示。

圖7 數據處理過程示意

二維激光掃描傳感器數據經過預處理，剔除干擾后，將左右側傳感器數據進行智能搭接處理，形成一條完整的斷面曲線。系統(tǒng)軟件對實測曲線進行坐標換算，然后結合移動機構坐標的變化量及工作臺位置，對對應位置的設計斷面尺寸進行數字擬合處理。根據評價指標對銑削精度進行評價。

3 試驗驗證

3.1 系統(tǒng)試驗

為了驗證道岔鋼軌斷面銑削精度檢測技術的可行性和準確性，搭建模擬試驗臺，利用在線檢測系統(tǒng)和道岔鋼軌銑削現(xiàn)場人工檢測設備(檢測精度為±0.01 mm)，對60 kg/m鋼軌同一斷面進行檢測。

利用計算機輔助軟件，分別對人工檢測和系統(tǒng)檢測的結果進行逐點對比分析。比較范圍包括鋼軌徑向角-70°到+70°，點間隔為1°，鋼軌廓形偏差最大差值為0.12 mm。檢測結果對比見圖8?？梢姡涸诰€檢測結果和人工檢測結果一致，基本滿足道岔鋼軌在線檢測精度要求。

圖8 60 kg/m鋼軌廓形檢測結果對比

3.2 誤差分析

道岔鋼軌斷面銑削精度檢測系統(tǒng)在線檢測誤差主要來自于傳感器測量誤差和導軌縱向定位誤差[7]。

1)傳感器測量誤差

傳感器測量誤差是指二維激光掃描傳感器和位置檢測編碼器引起的測量誤差。二維激光掃描傳感器在橫向、垂向的分辨率分別為±0.025,±0.05 mm；位置檢測編碼器重復定位精度為0.01 mm。

2)導軌縱向定位誤差

道岔鋼軌斷面尺寸隨縱向位置不同而變化。由于檢測是在相對移動過程中進行的，而在線檢測系統(tǒng)進行縱向定位時，主要依據銑削控制系統(tǒng)反饋工作臺在床身導軌的縱向位置。但銑削控制系統(tǒng)反饋數據需要通過Modus TCP轉換模塊，經網絡通訊傳遞給數據終端，傳輸過程中存在滯后性，會引起比對斷面的錯位，帶來計算誤差。

4 結語

本文針對道岔鋼軌銑削加工的移動式鏜銑床，提出一種道岔鋼軌斷面銑削精度在線檢測技術。采用高精度、智能化檢測技術，通過數字處理算法，對在線實測數據預處理、轉換、擬合，計算分析不同軌型、不同斷面的參數指標，實現(xiàn)道岔鋼軌斷面尺寸的在線自動化監(jiān)測和精細化管理。與現(xiàn)有設備相比，在線檢測系統(tǒng)具有自動化程度高、效率高等優(yōu)勢，可實現(xiàn)在線檢測數據的數字化管理，有助于強化道岔鋼軌銑削加工工藝。