手推式鋼軌磨耗狀態(tài)檢測儀的研制

許玉德 余佳磊 劉一鳴

(1.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上海;2.上海欣鐵機電科技有限公司，201112，上海//第一作者，教授)

隨著城市軌道交通及高速鐵路的運營和發(fā)展，鋼軌焊接接頭不平順、鋼軌頂面周期性不平順、輪軌接觸光帶異常及鋼軌型面非正常磨損等軌道病害已產(chǎn)生，且其發(fā)展日顯突出[1]。近年來,隨著鋼軌修理技術(shù)的不斷發(fā)展，所需的對鋼軌技術(shù)參數(shù)測量技術(shù)的要求亦不斷提高。鋼軌型面檢測已從手工點式側(cè)磨垂磨檢測發(fā)展到靜態(tài)鋼軌廓形電子檢測儀檢測[2]，鋼軌不平順檢測從手工一米直鋼尺檢測發(fā)展到采用電子鋼軌不平順儀檢測，同時RMF型鋼軌波磨測量小車也在國內(nèi)得到了應(yīng)用[3]。

然而，目前上述現(xiàn)有的鋼軌檢測技術(shù)和設(shè)備對鋼軌廓形和軌底坡檢測是靜態(tài)的，不能觀測廓形及軌底坡的變化過程；對鋼軌頂面不平順的檢測只能獲得鋼軌頂面某個點沿鋼軌縱向的線狀不平順，不能看到整個軌頂面波動；且各個檢測項目是單獨且分離的，不能全面地分析各磨耗狀態(tài)之間的關(guān)系，檢測成本也較高。

針對以上現(xiàn)狀，基于機器視覺圖像識別測量技術(shù)，研制了一種適用于城市軌道交通及高速鐵路的手推式鋼軌磨耗狀態(tài)檢測儀。通過該儀器可以實現(xiàn)鋼軌廓形、鋼軌頂面不平順及軌底坡的連續(xù)同時測量；同時利用數(shù)學(xué)方法，可將鋼軌表面狀態(tài)進(jìn)行還原，從而形成鋼軌三維形態(tài)，為評判鋼軌狀態(tài)提供現(xiàn)場的檢查數(shù)據(jù)源。

1 手推式鋼軌磨耗狀態(tài)檢測儀技術(shù)特點

手推式鋼軌磨耗狀態(tài)檢測儀是基于機器視覺圖像識別測量技術(shù)而研發(fā)的。其中，鋼軌廓形檢測、鋼軌頂面不平順檢測及軌底坡檢測是研發(fā)的3項重要功能。

1.1 機器視覺圖像識別測量技術(shù)

機器視覺圖像識別測量技術(shù)：在走行臂兩側(cè)安裝相機，應(yīng)用激光發(fā)生器發(fā)射平行于鋼軌型面的單色激光線，勾勒出鋼軌型面上線條連續(xù)清晰的輪廓線，通過相機拍攝鋼軌軌頭內(nèi)外側(cè)輪廓原始圖像，并將得到的內(nèi)外側(cè)照片進(jìn)行合成形成完整的軌頭廓形。由于小角度視覺的鋼軌輪廓圖像范圍大，并且受環(huán)境光影響較大，激光器形成的曲線圖像灰度值變化很不明顯，曲線提取的難度大。因此對模糊圖像采用圖像濾波、圖像銳化、邊緣檢測及中心線提取等方法獲得輪廓目標(biāo)曲線，如圖1所示。其中，圖像濾波主要是為了減少圖像的噪聲，使圖像亮度平緩漸變；經(jīng)過濾波的圖像，消除了輪廓周圍噪點的干擾，但是目標(biāo)輪廓也變得模糊化，所以需要對圖像進(jìn)行銳化處理，補償圖像輪廓，增強圖像邊緣。經(jīng)過圖像濾波和圖像銳化處理后的圖像邊界左右兩邊灰度信息差距較大，同時檢測縱向和橫向邊緣，并利用邊界中點算法，對于水平方向取上下平均值，對于垂直方向取左右平均值，即得到中間細(xì)實輪廓曲線。所提取出來的輪廓曲線并沒有實際的物理尺寸，所以需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，通過在同位置攝取機箱內(nèi)一張用高精度機床加工的帶有已知尺寸標(biāo)志點的標(biāo)定板圖像，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，利用基準(zhǔn)點提取和匹配的方法，建立實際長度尺寸與像素關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

圖1 模糊圖像處理方法

1.2 檢測儀的3項重要功能

1)鋼軌廓形檢測：由于軌頭下顎沿端點確定，以及軌底邊緣較為明確，因此標(biāo)準(zhǔn)的未磨耗鋼軌和磨耗鋼軌兩種輪廓線的軌頭下顎端點、軌底邊緣可以完全匹配。這樣通過比對兩種輪廓線參數(shù)，即可求得鋼軌廓形的磨耗數(shù)據(jù)。

2)鋼軌頂面不平順檢測：在排輪基準(zhǔn)體系下，同時獲取左股和右股鋼軌沿軌道里程密集有序的鋼軌廓形系列，從而在獲得鋼軌廓形的同時，在鋼軌軌頂面三維地描繪不平順的起伏波形帶。

3)軌底坡檢測：鋼軌的軌底坡實質(zhì)是鋼軌產(chǎn)生了轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的圓心是鋼軌中心線與軌底線的交點。檢測軌底坡時，在鋼軌軌頭上尋找到不容易由于磨耗、腐蝕和變形而發(fā)生變化的兩個點，通過測量這兩點與圓心連線的變化，可以得到軌底坡大小。

2 手推式鋼軌磨耗狀態(tài)檢測儀技術(shù)方案

檢測儀主要由小車走行系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，如圖2所示。

2.1 走行系統(tǒng)

為了減輕測量儀的質(zhì)量，方便工作人員現(xiàn)場運輸，測量儀走行系統(tǒng)由鋁合金材料制成。鋁合金是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的一種金屬材料，它質(zhì)量輕、強度高，且經(jīng)濟性較好，非常適合測量儀走行部分的選材。為了進(jìn)一步方便現(xiàn)場工作人員的運輸，測量儀設(shè)計為可拆卸式，主要由3個部件組成，分別為左、右走行測量機構(gòu)及中間連接梁，如圖3所示。

圖2 檢測儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 檢測儀走行系統(tǒng)

走行測量機構(gòu)由機箱和軌距靠輪、排輪等部件組成。機箱內(nèi)安裝有相機、激光發(fā)生器等檢測器件。排輪采用耐磨的聚氨酯材料，起到濾波和提高檢測精度的作用。

小車基本結(jié)構(gòu)為剛?cè)嵝越Y(jié)構(gòu)，由圖3可見，左右兩個走行測量機構(gòu)是剛性的，尺寸是固定的。兩側(cè)走行機構(gòu)通過中間梁連接，中間梁為滑管機構(gòu)，內(nèi)安裝有氣彈簧。中間梁將左右兩個走行測量機構(gòu)連接而成的測量小車在垂直方向設(shè)置為剛性，水平方向設(shè)置為可伸縮，并且兩側(cè)走行測量機構(gòu)可繞滑管轉(zhuǎn)動，由此形成柔性結(jié)構(gòu)。軌距靠輪及中間梁氣撐伸縮裝置如圖4所示。

2.2 檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了鋼軌廓形、鋼軌頂面不平順及軌底坡的檢測。檢測系統(tǒng)主要由攝相機、激光發(fā)生器、里程記錄儀、數(shù)據(jù)采集設(shè)備及排輪等其他相關(guān)部件組成，如圖5所示。

檢測儀器在走行臂兩側(cè)(鋼軌內(nèi)外兩側(cè))安裝攝相機，所得到的內(nèi)外側(cè)照片進(jìn)行合成形成完整的軌頭廓形，所以檢測儀需要4臺攝相機。如4臺攝相機進(jìn)行并行處理，加上計算機其他所需計算處理的時間，即使在攝相機感光等最不利的情況下，拍攝的間隔也可以達(dá)到5 mm，完全能滿足實際檢測的要求。

圖4 軌距靠輪及中間梁氣撐伸縮裝置圖

圖5 檢測系統(tǒng)工作關(guān)系圖

圖6 軟件用戶界面圖

里程記錄儀根據(jù)傳統(tǒng)計米輪設(shè)計，它是通過測量已知直徑測量輪的旋轉(zhuǎn)角度來間接測量行走里程的一種高精度的計程裝置。選擇直徑和走行輪相同的尼龍輪作為里程記錄儀的測量輪，通過編碼器記錄其旋轉(zhuǎn)角度，經(jīng)換算得到儀器行走的里程。

數(shù)據(jù)采集卡用來采集編碼器的信號，通過采集卡的采集和轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)缴衔粰C供后續(xù)處理。使用RBH8251-104綜合采集控制板作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過采集卡的采集和轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)缴衔粰C供后續(xù)處理。RBH8251-104綜合采集控制板采用USB2.0總線接口，通過光電隔離，可以實現(xiàn)8通道采集。

2.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

通過測量采集與統(tǒng)計分析軟件能實現(xiàn)鋼軌磨耗、鋼軌頂面不平順及軌底坡的計算。

在軟件用戶界面(見圖6)上啟動“鋼軌表面檢側(cè)系統(tǒng)”進(jìn)入系統(tǒng)，顯示頁面下有兩個按鈕：一個是“實時檢測”，另一個是“回放處理”，即軟件系統(tǒng)具有實時檢測和回放處理的功能。

3 儀器性能校驗

3.1 精度校驗

3.1.1 校驗方法

在水平方向及垂直方向上，通過比較標(biāo)準(zhǔn)量塊的標(biāo)準(zhǔn)值與鋼軌檢測儀的讀數(shù)進(jìn)行儀器性能校驗。

3.1.2 校驗結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)量塊的標(biāo)準(zhǔn)值與鋼軌檢測儀的示值差異如表1所示。由表1可知，所制鋼軌檢測儀的示值誤差范圍為-0.016～+0.003 mm。

表1 標(biāo)準(zhǔn)量塊的標(biāo)準(zhǔn)值與鋼軌檢測儀的示值誤差 mm

3.2 重復(fù)性校驗

對鋼軌檢測儀的測量重復(fù)性進(jìn)行了校驗。校驗按照鋼軌廓形測量與鋼軌頂面不平順測量兩個部分進(jìn)行。

3.2.1 校驗方法

鋼軌廓形測量校驗中，使用所制鋼軌檢測儀與傳統(tǒng)的RS2015-2W型便攜式鋼軌外形測量裝置(以下簡為“傳統(tǒng)型面儀”)分別對滬杭城際8個鋼軌斷面進(jìn)行了測量。測試過程中，傳統(tǒng)型面儀固定在測點上，鋼軌檢測儀進(jìn)行移動連續(xù)測量，比較同一斷面位置處兩儀器的測量差異。另外，為了檢驗測量重復(fù)性，所制鋼軌檢測儀對每個型面均測量了兩次。

鋼軌頂面不平順測量校驗中，使用所制鋼軌檢測儀在鋼軌平直度測試平臺進(jìn)行不平順測量。為了檢驗測量的重復(fù)性，采用儀器對正逆里程各測量3次。

3.2.2 鋼軌廓型測量校驗結(jié)果

對于某測點的兩次測得廓型，統(tǒng)計兩廓型在軌頂-8°～8°范圍的法向距離差值，按照每2°間隔取點，以法向距離差值的2倍標(biāo)準(zhǔn)差作為兩型面的測量差異指標(biāo)。

圖7為某測點處廓型的兩次測量結(jié)果。對8個測點的測量結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計計算，得到鋼軌檢測儀的平均測量重復(fù)性指標(biāo)為0.018 mm。

3.2.3 鋼軌頂面不平順測量校驗結(jié)果

采用鋼軌檢測儀對正逆里程測量共6次得到的原始波形如圖8所示，其中前3次的測量方向為正里程方向，后3次的測量方向為逆里程方向。將兩個波谷之間的橫向距離作為1個波長長度，將波峰與波谷之間的縱向幅值距離作為1個波峰峰值長度。

圖7 某測點廓型測量對比圖

圖8 鋼軌檢測儀波形測量圖

以所制鋼軌檢測儀6次測量下的均值作為各波峰峰值的真值，以2倍標(biāo)準(zhǔn)差作為統(tǒng)計指標(biāo)，則所制儀器測得的波長重復(fù)性指標(biāo)為8.0%，波峰峰值重復(fù)性指標(biāo)為0.018 mm。

4 結(jié)論

1)研發(fā)了一種推行式的鋼軌檢測儀，該儀器具有鋼軌廓形、鋼軌頂面不平順和軌底坡檢測3項重要功能，3項作業(yè)可同時完成，彌補了其它同類單功能鋼軌檢測儀的不足；同時該儀器具有連續(xù)、多功能的檢測能力，大大提高了現(xiàn)場作業(yè)效率，降低了人工作業(yè)成本。

2)檢測儀操作簡便，人機界面計算機與圖像數(shù)據(jù)采集處理器采用無線連接，具有實時檢測超限報警、事后回放、報告生成等功能，便于現(xiàn)場作業(yè)人員和管理人員對鋼軌狀態(tài)的統(tǒng)計分析。

3)所制鋼軌檢測儀的示值誤差為-0.016～+0.003 mm，測量重復(fù)性精度達(dá)到了0.018 mm，遠(yuǎn)高于其他同類儀器，可適用于城市軌道交通及高鐵的工務(wù)作業(yè)。