鋼軌打磨車用波磨軌廓檢測裝置研究

冷淑妍 周高偉

(北京二七軌道交通裝備有限責任公司機車研發(fā)中心，100072，北京∥第一作者，工程師)

由于列車的動力作用，以及自然環(huán)境和鋼軌本身質(zhì)量等原因，鋼軌經(jīng)常會發(fā)生損傷，如橫斷面的磨損、波浪磨耗(簡稱“波磨”)等現(xiàn)象，使輪軌接觸面的狀況進一步惡化，造成鋼軌壽命減少、養(yǎng)護工作量加大、養(yǎng)護成本增加。鋼軌波磨是產(chǎn)生噪聲和引起輪軌相互作用力變化的主要原因之一。特別是近幾年來，隨著高速、重載軌道交通的快速發(fā)展，鋼軌波磨和沖擊日益嚴重，這不僅加劇了軌道結(jié)構(gòu)部件的傷損和軌道狀態(tài)的惡化，而且嚴重影響了鋼軌的使用壽命，甚至危及行車安全。為此，鋼軌的檢測和打磨成為一個亟待解決的問題。

鐵道科學研究院、鐵道部基礎設施檢測中心開發(fā)和生產(chǎn)的鐵路軌道檢測裝置，用于對線路的檢測和評價，提出線路維護的要求，是具有相應的技術和工業(yè)化應用的產(chǎn)品，安裝在專用的鐵路軌道檢測車上。但打磨作業(yè)車輛專用的檢測裝置產(chǎn)品非常少，僅有SPENO 等少數(shù)公司擁有相應的產(chǎn)品和技術。此類產(chǎn)品都采用接觸式位移傳感器作為波磨檢測，采用激光傳感器作為軌廓檢測，采用柔性結(jié)構(gòu)的小車安裝傳感器作為執(zhí)行機構(gòu)。

本課題所研制的裝置，安裝于打磨車上，主要采用非接觸式激光傳感器三角測量法進行軌廓檢測，采用激光傳感器不等弦測量法進行波磨檢測，借助CAN(控制器局域網(wǎng))總線技術，開發(fā)了相應的軟件，對激光測量數(shù)據(jù)進行了分析處理。

1 波磨、軌廓檢測裝置簡述

波磨、軌廓檢測裝置由柔性機械結(jié)構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)，波磨、軌廓檢測系統(tǒng)，CAN 總線網(wǎng)絡系統(tǒng)，以及軟件系統(tǒng)等4 個系統(tǒng)組成，如圖1所示。

(1)柔性機械結(jié)構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)(以下簡稱“檢測小車”)。機械結(jié)構(gòu)比較復雜，不僅要具備升降功能，同時要能跟蹤鋼軌做橫向運動。其作用是:為軌廓檢測傳感器、波磨檢測傳感器、速度檢測裝置、氣缸及閥、限位開關提供安裝位置;橫向4 個氣缸加柔性裝置實現(xiàn)跟蹤鋼軌的橫向運動，跟蹤鋼軌運動，使軌廓檢測傳感器和波磨檢測傳感器始終跟蹤鋼軌而不至于超出檢測范圍;保證車體與小車的相對位移，使得檢測裝置可以安全通過曲線。

(2)波磨、軌廓檢測系統(tǒng)。由2 只軌廓檢測激光傳感器、6 只非接觸波磨檢測激光傳感器、1 臺檢測計算機、2 個緊急切斷開關、1 臺打印機，以及液晶顯示屏、鍵盤鼠標等組成。

(3)CAN 總線網(wǎng)絡系統(tǒng)。

(4)以Labview 為平臺的軟件系統(tǒng)。

圖1 檢測裝置系統(tǒng)圖

2 波磨、軌廓檢測裝置各系統(tǒng)分析

2.1 柔性機械結(jié)構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)的組成

柔性機械結(jié)構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)包括主結(jié)構(gòu)、速度檢測裝置、跟蹤裝置和驅(qū)動裝置。其整體效果圖如圖2所示。

圖2 檢測小車

(1)主結(jié)構(gòu):由主支架、導向輪、限位開關等部分組成。主支架是檢測小車的主體，支撐整個小車，并為小車上下、橫向運動提供結(jié)構(gòu)上的支持;導向輪是行走部件，支撐主支架，在氣缸及重力的作用下緊貼軌道;限位開關用來確定檢測小車在提升時是否到達預定位置。

(2)速度檢測裝置:導向輪通過齒輪傳動帶動速度檢測齒輪，速度檢測齒輪帶動編碼器轉(zhuǎn)動，編碼器輸出脈沖數(shù)與導向輪行走的距離成正比，單位時間內(nèi)的編碼數(shù)即為速度信號。

(3)跟蹤裝置:跟蹤小輪與傳感器支架聯(lián)動，在氣缸推動下，跟蹤小輪緊貼軌道內(nèi)側(cè)，從而保證波磨傳感器的檢測點始終保持在軌道的中心線上，保證軌廓傳感器頭也始終跟蹤鋼軌，而不會超出其檢測范圍。

(4)驅(qū)動裝置:利用壓縮空氣，通過控制閥驅(qū)動氣缸做活塞運動。驅(qū)動裝置由8 個氣缸及相應的閥組成。

檢測小車在不工作時需要提升脫離軌道，在工作時需要下降到軌道上。提升和下降運動由2 個氣缸驅(qū)動。跟蹤裝置是4 個氣缸推動柔性連桿機構(gòu)橫向運動，將小輪始終貼合軌道，使軌廓檢測傳感器和波磨檢測傳感器始終跟蹤鋼軌而不至于超出檢測范圍;當檢測小車不進行作業(yè)時，有2 個氣缸用來鎖定脫離軌道升起的檢測小車，阻止各方向的運動。

2.2 波磨、軌廓檢測系統(tǒng)

2.2.1 波磨、軌廓激光傳感器

波磨檢測采用三點偏弦測(不等弦)法，每根軌道采用3 只1D 激光傳感器。采用增量式編碼器分別進行空間等距離采樣控制，其采樣步長為5 mm。檢測的鋼軌波磨數(shù)據(jù)通過CAN 總線傳送到中央控制單元。

軌廓激光傳感器在每根軌道使用1 只2D 激光傳感器，檢測時，采用增量式編碼器分別進行空間等距離采樣控制，其采樣步長為250 mm;每個傳感器接收綜合控制器的觸發(fā)信號后，產(chǎn)生一束強度可調(diào)的激光照射運行中的鐵軌表面，鐵軌的位置數(shù)據(jù)通過軌廓CAN 總線傳送到中央控制單元。

2.2.2 中央控制單元

中央控制單元包括CPU 模塊、CAN 總線控制模塊及外設單元。波磨、軌廓檢測系統(tǒng)共用該部分的CPU 模塊。

2.2.3 綜合控制器

綜合控制器在波磨檢測系統(tǒng)中的作用是:給激光傳感器供電;采集緊急切斷開關信號;采集編碼器信號;通過CAN 總線與中央處理單元通信。

綜合控制器的存在，使得系統(tǒng)的電源管理成為可能，當采集到緊急切斷開關信號后可以立即斷開波磨傳感器的電源，并且可以將當前的狀態(tài)上傳到中央控制模塊;綜合控制器的存在，也符合就近控制就近采集原則，符合分布式控制原則。綜合控制器的控制對象全部位于檢測小車的周圍，就近控制可以減少連線，降低復雜性，同時使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡潔和緊湊，提高了系統(tǒng)的可靠性、可測試性和可維修性。

2.3 CAN 總線網(wǎng)絡系統(tǒng)

CAN 總線系統(tǒng)包括11 個總線節(jié)點，分別為中央計算機、軌廓傳感器左、軌廓傳感器右、波磨傳感器左1、波磨傳感器左2、波磨傳感器左3、波磨傳感器右1、波磨傳感器右2、波磨傳感器右3、氣缸控制器、綜合控制器。CAN 總線系統(tǒng)如圖3所示。

2.4 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是以LABVIEW8.0 為平臺，進行圖形化編程開發(fā)。其主要子系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)以及測量顯示子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)包括軌廓檢測數(shù)據(jù)采集與處理模塊以及波磨檢測數(shù)據(jù)采集與處理模塊。這兩個模塊通過軌廓波磨傳感器進行數(shù)據(jù)實時采集，通過CAN 接口采集到PXI 中央處理器，經(jīng)過算法處理后，還原鋼軌表面真實數(shù)據(jù)，并在顯示界面顯示軌廓圖形。這兩個模塊采集的原始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)均能存儲到指定位置。

測量顯示子系統(tǒng)提供了一個用戶使用和管理的人機交互界面，將各種數(shù)據(jù)向用戶展示，并且接受用戶對系統(tǒng)的控制與輸入。該界面友好，提供豐富的操作菜單、數(shù)據(jù)信息和實時顯示測量圖形。圖4 為檢測數(shù)據(jù)顯示界面。

圖3 CAN 總線系統(tǒng)

圖4 檢測數(shù)據(jù)顯示界面

2.5 檢測數(shù)據(jù)分析

該檢測裝置主要對50 kg/m，60 kg/m，75 kg/m鋼軌的軌道進行檢測。圖4 顯示的數(shù)據(jù)為60 kg/m鋼軌的軌廓檢測(橫斷面)數(shù)據(jù)和鋼軌波磨(不平順)檢測數(shù)據(jù)。

軌廓檢測數(shù)據(jù)處理主要是通過對測量得到的軌道型面和標準軌型面進行對比。其中，圖4 上半部分A 、B 曲線分別表示左邊軌道(簡稱“左軌”)和右邊軌道(簡稱“右軌”)檢測的橫斷面。A、B 斷面曲線分別有2 條:標準軌橫斷面和磨損后軌道的橫斷面。其標準斷面數(shù)值是對標準鋼軌斷面設計圖進行離散化處理后得到的數(shù)據(jù)曲線;磨損后的軌道斷面曲線是由激光傳感器測量得到。將測量數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換處理后，與標準軌數(shù)據(jù)處于同一坐標系下進行比較，從而為軌道養(yǎng)護人員提供打磨數(shù)據(jù)。

圖4 下半部分的波磨檢測數(shù)據(jù)，主要是通過三點偏弦(不等弦)測量法得到不平順數(shù)值，通過傅里葉級數(shù)的展開、合成法得到不平順函數(shù)，復原波形，最終得到軌道形狀。但目前國內(nèi)并沒有實施軌道短波不平順的標準，為此借鑒國外經(jīng)驗，在程序處理時，將復原波形按照短波(30～100］mm、中波(100～300］mm、長波(300～1 000］mm 的波段范圍進行濾波處理。分級濾波通過Matlab 算法實現(xiàn)。

歐洲鐵路在對現(xiàn)場鋼軌打磨、銑磨合軌道計劃作業(yè)驗收中，規(guī)定從3 個波長范圍對打磨作業(yè)后鋼軌表面縱向平順狀態(tài)進行評價驗收，如表1所示。

結(jié)合國內(nèi)外資料，對鋼軌波磨打磨后的質(zhì)量驗收標準建議如下:波長(30～300］mm，波磨幅值不大于0.04 mm;波長(300～1 000］mm，波磨幅值不大于0.2 mm。輸出波磨檢測數(shù)據(jù)和建議值比較，從而為軌道養(yǎng)護人員提供數(shù)據(jù)支持。

表1 歐洲縱向平順驗收數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

鋼軌打磨車用波磨軌廓檢測裝置研制的完成，準確地提供了打磨、銑磨和檢驗數(shù)據(jù)，為軌道養(yǎng)護提供了必要的理論支持，而且也大大提高了軌道檢測和維護的效率。檢測裝置安裝于打磨車上，改變了以前檢測軌道車和打磨(銑磨)車分離的狀態(tài)，使檢測軌道和打磨(銑磨)軌道基本上實現(xiàn)了同步，節(jié)省了時間。

［1］趙國堂編.軌檢車技術現(xiàn)狀與發(fā)展［M］.北京:中國鐵道出版社，2001.

［2］陳東生，田新宇.中國高速鐵路軌道檢測技術發(fā)展［J］.鐵道建筑，2008，12(4):82.

［3］王磊，陶梅.精通 LABVIEW8.0.［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.