鋼軌輪廓及磨耗檢測系統

■ 王昊

鋼軌是鐵路線路中最為重要的設備之一，其主要作用是支撐并引導機車車輛的車輪，在列車運行中直接承受來自車輪的載荷和沖擊。其狀態是否完好直接關系到列車的運行安全。鋼軌疲勞損傷后，主要表現為軌頭磨耗，包括垂直磨耗、側面磨耗等，這些損傷直接影響鐵路的運營安全，因此對鋼軌軌頭輪廓進行定期檢測十分重要。鋼軌輪廓及磨耗檢測系統（簡稱系統）正是基于這一目的研發的動態檢測系統。

1 系統結構

系統由三部分組成，包括激光攝像組件、數據處理單元、波形編輯單元（見圖1）。安裝在構架上由4對激光器、攝像機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算機，圖像處理計算機將采集圖像進行模式匹配、圖像擬合、特征點分析計算后，將處理結果傳輸至數據合成及控制計算機，由其完成多路數據采集、里程校對、超限分析等功能，同時通過網絡將數據及分析結果發送至波形顯示、數據編輯計算機，完成超限編輯、波形顯示、報表打印等任務。

2 系統功能

系統是結合使用激光攝像三角測量和圖像處理技術的鋼軌外形測量系統，用于測量從軌底到鋼軌頂面的整個鋼軌輪廓。系統結合列車運行條件下鋼軌輪廓面特征信息的變化規律，設計出一套鋼軌輪廓面信息的自動檢測方法，具有高分辨率圖像實時采集和處理功能，可快速、高效地識別大數據量信息中的特征值。同時，針對列車晃動與振動等情況，在復雜路況和環境條件下，系統具有較高的穩定性和可靠性。

為提高檢測精度，系統的車下激光攝像組件從安裝到標定都有著極高的要求。使用時，要求對同一根鋼軌內外側進行檢測的2組激光攝像組件在同一坐標系下進行標定，以便兩側半斷面圖像擬合后的圖像拼接和特征點計算提取。

圖2為圖像處理計算機中運行的鋼軌輪廓檢測軟件界面。左側兩幅小圖為半斷面采集圖像，右側大圖為經過模式識別、圖像擬合、特征識別后與標準鋼軌比較的效果圖。圖中白色虛線為標準鋼軌截面，綠色虛線為實測鋼軌軌頭截面。通過與標準鋼軌廓形的對比，可以精確計算出鋼軌垂直磨耗、側面磨耗等反映鋼軌輪廓狀態的參數。

圖1 鋼軌輪廓及磨耗檢測系統結構

圖2 圖像處理程序界面

數據合成控制計算機采用QNX實時操作系統，主要完成數據合成傳輸、速度里程校對、同步信號控制等功能。而波形編輯計算機主要完成鋼軌磨耗各項參數的波形圖顯示及超限數據編輯等功能。

為方便在列車行進過程中觀測鋼軌狀態，確認檢測系統運行正常，鋼軌輪廓及磨耗檢測系統還包含了鋼軌輪廓檢測相機監視系統。該相機監視系統可以非常方便地同時觀測四路相機所采集的圖像信息，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 系統技術特點

（1）激光攝像檢測技術。使用數字攝像機、數字圖像處理等技術手段，避免了模擬圖像傳輸和采集過程容易被干擾等問題；使用全新圖像處理算法，圖像采集和處理速度大大提高，能夠滿足安裝在時速160 km車輛上的正常檢測；通過改進算法、提高元器件性能等方法，抗陽光干擾能力大大提高。

（2）機械懸掛方式。系統設計了一種便于安裝、維護方便、安全的新型懸掛方式。從檢測梁靜強度分析圖（見圖3）可以看出，梁的安全可靠性非常高，滿足實際應用需要。

（3）采用全新系統結構，激光攝像組件直接與圖像采集計算機連接，省去中間環節。結構簡單，便于維修、維護。

圖3 檢測梁靜強度分析圖

（4）檢測系統設備性能指標：采樣間隔為1、2、3、5 m等間距采樣，可根據需要調整；磨耗精度為0.2 mm。

4 結束語

鋼軌輪廓及磨耗檢測系統作為鋼軌輪廓狀態實時動態檢測設備，在我國鐵路基礎設施檢測領域正起著越來越重要的作用。目前該系統已經在包括京滬高速鐵路在內的多條高速鐵路、既有提速干線上使用，其檢測結果的應用分析對探索高速鐵路養護維修有著重要的指導意義，同時對于研究高速列車走行狀態、輪軌作用關系也起到了積極的參考作用。

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