小型鋼軌損傷自動檢測裝置的開發(fā)

張秀峰

(大連民族大學 機電工程學院，遼寧 大連116605)

?

小型鋼軌損傷自動檢測裝置的開發(fā)

張秀峰

(大連民族大學 機電工程學院，遼寧 大連116605)

摘要：在分析了目前國內(nèi)外鋼軌磨耗檢測技術的特點及方法的基礎上，結合鐵路工務段的實際檢測需要，提出了小型鋼軌損傷自動監(jiān)測裝置的整體方案。利用光電檢測技術、微處理器技術及數(shù)據(jù)處理技術完成了檢測裝置的開發(fā)，并進行了試驗測試，結果表明檢測系統(tǒng)具有檢測速度快、精度高、性能可靠的特點。開發(fā)的裝置便于攜帶,具有人機對話功能，解決了目前檢測設備普遍體積過大、攜帶不方便及檢測效率低等問題。

關鍵詞：鋼軌磨耗；光電檢測；微處理器；檢測裝置

鋼軌主要應用于鐵路、電梯、升降機及娛樂設施等和人們生活息息相關的場所，鋼軌的技術狀態(tài)是否良好，直接影響著設備運行的安全性[1]。鋼軌狀態(tài)檢測的結果是判斷鋼軌運行狀態(tài)的唯一依據(jù)，是制定線路大、中、小維修工作計劃的基本參數(shù)[2-3]。

目前，中國在鋼軌狀態(tài)檢測方面有接觸卡具測量、渦流檢測、光學三角測量等主要方法，檢測結果往往取決于檢測工人的態(tài)度和儀器使用的經(jīng)驗，這些方法存在著檢測效率低、檢測精度不高等諸多問題，已不能滿足目前高速化的發(fā)展需要[1,4]。本文設計一種基于光敏電阻陣列的智能化全自動鋼軌狀態(tài)檢測裝置，能夠有效檢測鋼軌的磨耗、斷裂等主要損傷信息，具有體積小、精度高、使用靈活方便的優(yōu)點。

1檢測原理與方案設計

鋼軌的損傷主要包括磨耗、斷裂和內(nèi)部損傷[5]，本文主要討論磨耗和斷裂。磨耗主要出現(xiàn)在鋼軌的頭部，磨耗的包括頂面磨耗和側面磨耗，檢測時必須同時檢測這兩個數(shù)值，來綜合判斷鋼軌的磨耗程度。根據(jù)光線在物體表面會產(chǎn)生反射，當鋼軌表面出現(xiàn)磨耗時，光的反射面發(fā)生變化，使得反射光線偏離原來的路線如圖1。確定裝置的整體結構，在反射光線照射在接收靶面上的位置發(fā)生改變時，反射光線的偏離程度和磨耗量直接相關；通過光敏傳感器陣列判斷反射光線位置，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析獲得偏離程度，從而確定被檢鋼軌表面的磨耗量。在檢測頭上安裝兩對探針直接與鋼軌表面相接觸，并具有內(nèi)置電源，當鋼軌斷裂時，回路斷開，由此判斷鋼軌的斷裂損傷。本文主要討論鋼軌的磨耗檢測。

檢測裝置主要由光源部分、反射光線接收靶面、信號調(diào)節(jié)單元、主控單元(CPU)、執(zhí)行單元以及外圍電路等幾個主要部分組成，整個裝置結構如圖2。光源采用不可見波段的紅外激光器，激光器功率較大；反射光線接收裝置采用與光源波長相匹配光敏電阻，13個光敏電阻排列形式如圖3。當反射光照射位置發(fā)生改變時，各光敏電阻阻值發(fā)生相應的變化，使得各點輸出電壓值發(fā)生相應的變化。微處理器對電壓信號進行分析，判斷反射光照射位置，從而得到軌的磨耗信息，并判斷導軌磨耗的具體量值，將導軌的磨耗量和具體位置存儲到內(nèi)部存儲器，并通過液晶模塊進行實時顯示，當磨耗量超限時啟動聲光報警裝置。操作人員可以隨時查詢導軌磨好信息及報警次數(shù)，做出導軌狀態(tài)的判斷，并具體處理；也可以定期將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，通過上位機數(shù)據(jù)處理軟件分析鋼軌狀態(tài)信息，給出維護、更換等決斷信息。

圖1　反射光線方向變化示意圖

圖2　檢測裝置結構圖

2數(shù)據(jù)采集及分析

根據(jù)對鐵路工務段的走訪了解,鋼軌磨耗檢測系統(tǒng)是需要工作在野外鐵道線路上,由鐵路巡道工或維護人員操作使用,因此,檢測系統(tǒng)的整體結構設計要求是體積緊湊、便于攜帶、性能可靠并容易操作[6]。鐵路鋼軌一般里程較長，出于能耗和工作時長等方面考慮，采用蓄電池供電，盡量提高電容量，蓄電池可以通過太陽能充電；另外，由于鋼軌磨耗量一般較大，導致激光照射在完整鋼軌與有磨耗鋼軌的表面上時反射光線方向偏差較大，接收靶面上光斑位置的變化也會比較大，所以光電接收板采用13點式圓盤傳感器組設計。接收靶面?zhèn)鞲衅鞑季秩鐖D3。

圖3　傳感器排列圖

2.1傳感器特性與布局

經(jīng)過大量的實驗測試可知，光敏電阻的電阻值與光斑位置有對應關系，當光斑直射光敏電阻時，其處于飽和狀態(tài)，電阻為極小值；當光線不直射光面電阻表面時，光敏電阻工作在非飽和狀態(tài)，光敏電阻阻值變化非常小，且有一定的規(guī)律。光敏電阻的阻值與光斑位置和光敏電阻中心點的距離有關，距離越近，電阻值越小，距離增大，電阻值也隨之增大，但呈非線性關系。設計以光敏電阻為中心，以不同的光照位置時電阻值的量值為參考半徑，這樣形成一些等電阻值的圓如圖4(a)。

圖4　傳感器特性與光斑位置

光斑與光敏電阻間的距離分度為0.5 mm，測試得到光面電阻的電阻值，建立檢測電路輸出信號與距離間的分度關系，在兩點之間利用線性插值的方法，計算輸出信號與距離的對應關系，并建立數(shù)據(jù)庫。

光敏電阻電路輸出電壓信號非常微弱，采用高精度濾波運算放大器，實現(xiàn)多級放大；電壓信號放大后，通過A/D變換器送到微處理器，實現(xiàn)信號采集。合理設置光源和接收靶面的位置，使光斑初始位置在13個光敏電阻中心即0號光敏電阻上；此時，0號光敏電阻工作在飽和狀態(tài)，電路輸出電壓值最大，其他光敏電阻電路輸出電壓為0。當檢測裝置在正常導軌上行進檢測時傳感器組輸出信號值與初始狀態(tài)基本保持一致；當鋼軌出現(xiàn)磨耗時，反射光線方向發(fā)生改變，照在接收板上的位置隨之發(fā)生變化，傳感器組電路輸出信號發(fā)生改變。

2.2數(shù)據(jù)分析

將0號光敏電阻所在位置作為原點建立坐標系，這樣有9個光敏電阻分布在坐標軸上，其余4個分別在四個象限內(nèi)。將傳感器按順序編號，如圖3，其中0號和9至C號作為一組，作為粗略方向判斷；1至8號，作為精確的光斑位置判斷。

在確定光斑位置時，首先判斷是否有傳感器工作在飽和狀態(tài)，如果有，則通過該傳感器直接確定光板位置。當無傳感器工作在飽和狀態(tài)時，先分析0號和9至C號光敏電阻電路的輸出信號，確定光斑所在象限；然后在該象限所包含的光敏電阻序列中進行判斷，從中選擇3個信號最大的作為判斷依據(jù)。

在實際系統(tǒng)中，選擇至多三個信號最大的傳感器作為判斷光斑位置的依據(jù)，以該三點作為圓心，光斑到該點的距離為半徑畫等梯度圓，三個圓在三個圓心點之間有唯一的交點如圖4(b)，該交點即為光斑所在的位置，從而確定光斑位置坐標，通過光斑與原點的距離以及光斑與原點連線的前傾角，確定鋼軌的磨耗程度。

3實驗與結果分析

項目研究開發(fā)的檢測檢測裝置主要功能是完成對鋼軌磨耗數(shù)據(jù)等主要故障信息的檢測及數(shù)據(jù)處理工作，同時為了進一步分析處理檢測數(shù)據(jù),形成有效的鋼軌磨耗參數(shù)報表。檢測裝置需要檢測鋼軌磨耗、斷裂等損傷信息，進行分析、判斷和存儲；利用PC機強大的數(shù)據(jù)分析處理功能,對檢測數(shù)據(jù)進行處理，生成鋼軌狀態(tài)信息的參數(shù)表。

檢測裝置每個位置的測量設定采集三組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括1-3個光敏電阻，微處理器采集光敏電阻電路的輸出信號，通過電壓值判斷光斑位置，進一步確定光斑中心坐標，計算出光斑中心位置與坐標原點的距離，從而得出磨耗量。光斑中心位置與坐標原點的距離和磨耗量之間的對應關系如下：

(1)

實驗選取鐵路工務段淘汰鋼軌作為測試對象，進行多點測試，從中選擇兩組具有代表性的數(shù)據(jù)見表1、表2。兩組數(shù)據(jù)分析得到的對應位置的磨耗量。檢測裝置的總體檢測性能指標為頂面磨耗檢測范圍:0-20mm,檢測精度為:士0.1mm。

表1　檢測數(shù)據(jù)與磨耗值(1)

表2　檢測數(shù)據(jù)與磨耗值(2)

4結語

本文研制的小型鋼軌損傷自動檢測裝置是一個集信號采集、數(shù)據(jù)實時處、理及顯示、超限報警及上位機數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)為一體的具有人機對話功能的智能化檢測設備，主要是利用傳感器技術、微處理器控制技術及數(shù)據(jù)庫技術,結合計算機軟件編程技術,研究開發(fā)的新型檢測裝置。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、精度高、時處理、操作簡單等特點,解決了目前檢測設備體積較大、攜帶不方便、檢測數(shù)據(jù)精度低及分析處理能力差等缺點,較好地考慮了鋼軌磨耗檢測的實際需要及新型檢測技術的運用，通過實驗測試表明,系統(tǒng)具有檢測效率高、檢測精度好、操作簡單和性能可靠等特點,具有很好的實際運用價值。

參考文獻：

[1] 王德明，王桂寶，張廣明，等. 基于激光輪廓掃描儀的鋼軌磨耗檢測系統(tǒng) [J].儀表技術與傳感器，2015(10):90-91.

[2] 陳坤. 便攜式鋼軌磨耗檢測系統(tǒng)的研究[D].長沙:中南大學，2007.

[3] JIN Wenrui，ZHAN Xinqun，JIANG Benhe. Non-contact Rail-Wear Inspecting System Based on Image Understanding [C]∥Proceeding of the 2007 IEEE International Conference on Mechatronics And Automation. Harbin, 2007 : 3854-3858.

[4] 鄭樹彬，柴曉冬，安小雪，等. 基于動態(tài)模板的鋼軌磨耗測量方法研究[J].中國鐵道科學，2013，23(2)：7-11.

[5] 徐會杰，劉啟賓，彭華，等. 基于輪軌接觸的高速鐵路鋼軌磨耗量[J].北京交通大學學報(自然科學版), 2014, 38(3):44-49.

[6] 孟佳，高曉蓉．鋼軌磨耗檢測技術的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].鐵道技術監(jiān)督，2005(1)：34-36.

(責任編輯王楠楠)

Development of Miniaturized Detection Device on Rail Damage

ZHANG Xiu-feng

(School of Electromechanical Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

Abstract:Based on the study of current characteristics and methods of steel rail abrasion detection at home and abroad, the scheme of the miniaturized detecting instrument is presented according to the actual need of railway system. Using photoelectric detection, microprocessor and data analysis, a detecting device was developed and tested. The results showed that the detector was fast, accurate and reliable. The developed device which had a human-machine interface is portable, improving many disadvantages of detectors nowadays, such as low-efficiency, big size, unwieldy mass and so on.

Key words:rail abrasion; photoelectric detection; microprocessor ; measurement device

收稿日期：2015-12-22；最后修回日期：2016-03-18

基金項目：大連市科學技術基金計劃項目(2013J21DW015);金州新區(qū)高新技術項目(2011G03)。

作者簡介：張秀峰(1975-)，男，黑龍江綏化人，副教授，博士，主要從事光電檢測技術及儀器研究。

文章編號：2096-1383(2016)03-0217-04

中圖分類號：TH74

文獻標志碼：A