鋼軌磨損檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙紫瑩，王澤遠(yuǎn)，王菁，溫錦中，魏曉?shī)?/p>

（華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，南昌330013）

0 引言

近年來，隨著鐵路運(yùn)營(yíng)里程的增長(zhǎng)，鐵路運(yùn)輸技術(shù)也取得了舉世矚目的成績(jī)。鋼軌是鐵路軌道系統(tǒng)中的重要組成部件之一，鋼軌的狀態(tài)直接影響輪軌間接觸和受力情況，間接影響了車輛的安全性、舒適性和穩(wěn)定性。鋼軌承載著列車的靜、動(dòng)態(tài)載荷，經(jīng)過車輪反復(fù)碾壓，會(huì)導(dǎo)致鋼軌磨損加重、鋼軌輪廓變形、使用壽命縮短等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響行車安全[1-3]。隨著高速、重載列車的興起，加快了鋼軌磨損速度，鋼軌磨損是鐵路研究中最為普遍存在的問題。

鋼軌磨損是指輪軌之間摩擦使軌頭產(chǎn)生磨損的現(xiàn)象，在直線和曲線段有不同的磨損形式。鋼軌磨耗主要有鋼軌垂向磨耗、鋼軌軌距角側(cè)磨、鋼軌波浪形磨損，以及輪軌擦傷所引起的鋼軌磨損。大部分文獻(xiàn)中鋼軌磨耗主要是指小半徑曲線上鋼軌側(cè)面磨耗和軌頂縱向波浪形磨耗，磨耗程度隨著列車軸重和通過總重的增加而增大[4]。其中，列車通過小半徑曲線時(shí)，會(huì)發(fā)生橫移現(xiàn)象，輪軌通常會(huì)出現(xiàn)兩點(diǎn)接觸的情況，輪軌的摩擦與滑動(dòng)是造成外軌側(cè)磨的主要原因[5-7]。鋼軌波浪形磨耗是指鋼軌頂面上出現(xiàn)的波浪形不均勻磨耗，鋼軌波磨會(huì)引起高頻輪軌振動(dòng)噪聲，加速軌道車輛及相關(guān)零部件的損壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)威脅行車安全，其發(fā)展速度快于側(cè)磨，是更換鋼軌的主要原因之一，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)鋼軌狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，以便保證列車的行駛安全[8]。

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著我國(guó)檢測(cè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)鋼軌檢測(cè)技術(shù)有了質(zhì)的飛躍。目前我國(guó)最新研制出的GJ-6型軌檢車，其速度可達(dá)到400 km/h，是目前檢測(cè)速度最快的軌檢車[9]。其利用了由接觸式弦測(cè)法衍變的慣性基準(zhǔn)法，并采用了激光攝像檢測(cè)技術(shù)，省略了模擬圖像傳輸步驟，對(duì)檢測(cè)到的數(shù)字圖像直接進(jìn)行處理分析，節(jié)省了大量時(shí)間，但其也有成本高、使用不靈活、調(diào)度困難等缺點(diǎn)。

而在現(xiàn)有技術(shù)中，便攜式鋼軌磨損檢測(cè)儀通常采用純機(jī)械卡尺測(cè)量方式對(duì)鋼軌進(jìn)行檢測(cè)[10-12]。但純機(jī)械卡尺測(cè)量方式的測(cè)量?jī)x器對(duì)人工要求較高，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)使卡尺磨損，導(dǎo)致測(cè)量精度下降，并且不能連續(xù)檢測(cè)整段鋼軌的磨損程度。針對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)裝置的檢測(cè)缺點(diǎn)，在其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種新型鋼軌磨損檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)，該裝置可安裝在大型檢測(cè)車底部，適合多種環(huán)境工況下的鋼軌磨損檢測(cè)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用CREO6.0軟件建模，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用模塊化設(shè)計(jì)方法，依次進(jìn)行草圖繪制、三維建模及裝配設(shè)計(jì)。該裝置主要由CCD攝像機(jī)、LED燈、激光位移傳感器、振動(dòng)位移傳感器和支架等主要零件組成，如圖1、圖2所示。圖3為該裝置爆炸示意圖。

1.1 CCD攝像機(jī)和LED燈結(jié)構(gòu)

圖1 總裝配圖三維模型（正面）

圖2 總裝配圖三維模型（反面）

圖4 CCD攝像機(jī)三維模型

圖5 LED燈三維模型

如圖4、圖5所示，CCD攝像機(jī)、LED燈均采用塑料外殼，CCD攝像機(jī)是一種半導(dǎo)體成像元器件，具有靈敏度高、畸變小、體積小、壽命長(zhǎng)、抗振等優(yōu)點(diǎn)；LED燈具有強(qiáng)耐低溫、強(qiáng)防水、高效透光、強(qiáng)散熱等優(yōu)點(diǎn)。CCD攝像機(jī)安裝在支架頂部，LED燈與角鐵用螺紋連接，并安裝在支架腰部。在車輛運(yùn)行時(shí)對(duì)鋼軌磨損進(jìn)行檢測(cè)，在動(dòng)態(tài)工況下為保持檢測(cè)精度，采用LED 燈在光照不足條件下給CCD 攝像機(jī)作補(bǔ)充光源，以提高檢測(cè)精度。該模塊還采用了帶快門的高分辨率CCD 攝像機(jī)，可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào), 輸出圖像式的視頻信號(hào)至圖像采集卡，提供給圖像與數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理。該攝像機(jī)快門在1/50(1/60)～1/100 000 s范圍內(nèi)可調(diào)，操控人員根據(jù)列車運(yùn)行速度和光照條件選用適當(dāng)?shù)目扉T，可避免因光照不足或運(yùn)行速度過快導(dǎo)致的圖像模糊、精度低等問題。

1.2 激光位移和振動(dòng)位移傳感器結(jié)構(gòu)

如圖6、圖7所示，激光位移傳感器和振動(dòng)位移傳感器都用螺釘與支架進(jìn)行固定。激光位移傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的新型測(cè)量傳感器，既可測(cè)量距離還可測(cè)量物體的直徑等精密幾何量，激光具有良好的直線度和高聚光性，相比于超聲波具有更高的檢測(cè)精度。振動(dòng)位移傳感器可對(duì)進(jìn)入測(cè)量范圍內(nèi)的金屬物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行精密的非接觸式測(cè)量，兩者廣泛應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品中的振動(dòng)和位移監(jiān)測(cè)。車輛運(yùn)行時(shí)，車體振動(dòng)會(huì)影響激光位移傳感器的測(cè)量精度，利用振動(dòng)位移傳感器進(jìn)行補(bǔ)償分析。

圖6 激光位移傳感器三維模型

圖7 振動(dòng)位移傳感器三維模型

1.3 角鐵和支架結(jié)構(gòu)

角鐵的作用主要是用于支架和LED燈的固定聯(lián)接，如圖8所示。

如圖9所示，支架起到了車體與激光位移傳感器、振動(dòng)位移傳感器、CCD攝像機(jī)等關(guān)鍵部件的聯(lián)接作用，采用沖壓技術(shù)制成。

圖8 角鐵三維模型

圖9 支架三維模型

2 鋼軌磨損檢測(cè)模塊

該設(shè)計(jì)主要是參照現(xiàn)有的鋼軌磨損檢測(cè)裝置，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，且安裝在速度為80 km/h的軌道檢測(cè)車輛轉(zhuǎn)向架底部（如圖10），主要由4部分組成，分別為CCD攝像機(jī)檢測(cè)模塊、傳感器模塊、圖像采集模塊及圖像與數(shù)據(jù)處理模塊。

圖10 裝置安裝位置

2.1 CCD攝像機(jī)檢測(cè)模塊

該裝置將2個(gè)CCD攝像機(jī)安裝在鋼軌兩側(cè)上方約35°方向的位置，將鋼軌兩側(cè)面圖像經(jīng)過鏡頭聚焦至CCD芯片上，其會(huì)根據(jù)光的強(qiáng)弱積累相應(yīng)比例的電荷，各像素積累的電荷在視頻時(shí)序的控制下，逐點(diǎn)外移，經(jīng)濾波、放大處理后，輸出視頻信號(hào)。視頻信號(hào)連接到監(jiān)視器的輸入端，可觀看拍攝到的視頻圖像。圖像采集卡將收集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并發(fā)送至圖像與數(shù)據(jù)處理模塊，其根據(jù)目標(biāo)的形狀特點(diǎn)確定并分析圖像處理方案，與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比后得出鋼軌磨損值，以判斷出具體的鋼軌磨損形式。CCD攝像機(jī)檢測(cè)參數(shù)原理圖如圖11所示。

圖11 CCD攝像機(jī)檢測(cè)參數(shù)原理

2.2 傳感器模塊

該裝置將激光位移傳感器安裝在鋼軌正上方位置，與振動(dòng)位移傳感器共同檢測(cè)鋼軌表面磨損，該激光位移傳感器通過發(fā)射激光到鋼軌表面進(jìn)行測(cè)距，同時(shí)隨車體移動(dòng)并通過測(cè)量鋼軌上點(diǎn)的二維坐標(biāo)，得到物體表面形貌，并將檢測(cè)的數(shù)值實(shí)時(shí)傳送至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，從而得出鋼軌磨損值。當(dāng)車體發(fā)生振動(dòng)時(shí)，激光位移傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，因此振動(dòng)位移傳感器可檢測(cè)車體振動(dòng)位移的具體數(shù)值。兩種數(shù)據(jù)相互補(bǔ)償，并實(shí)時(shí)傳送至圖像與數(shù)據(jù)處理模塊，將兩種數(shù)據(jù)綜合得出最終數(shù)據(jù)，并對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出所測(cè)鋼軌的磨損值。

2.3 圖像采集與數(shù)據(jù)處理模塊

圖像采集卡（又稱圖像捕捉卡），是一種可獲取數(shù)字化視頻圖像信息并可存儲(chǔ)和輸出的主要設(shè)備，圖像采集卡以隨機(jī)直接內(nèi)存映射存取方式為主，允許主機(jī)隨時(shí)訪問，具有速度快、編程方便等優(yōu)點(diǎn)。在該裝置中的作用主要是轉(zhuǎn)換CCD輸出信號(hào)并將其傳送到數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行圖像處理。

圖像與數(shù)據(jù)處理部分主要由一臺(tái)電腦、圖像處理顯示器、存儲(chǔ)器等硬件組成。當(dāng)接收到振動(dòng)位移傳感器、激光位移傳感器和CCD攝像機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送的信息后，會(huì)將檢測(cè)出的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌等相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比后得到鋼軌磨損程度。圖像與數(shù)據(jù)處理流程如圖12所示。

圖12 圖像與數(shù)據(jù)處理流程圖

2.4 鋼軌磨損檢測(cè)原理

鋼軌側(cè)面磨損檢測(cè)、鋼軌波浪形磨損檢測(cè)使用的是同一檢測(cè)方法，當(dāng)檢測(cè)車運(yùn)行時(shí)，該裝置利用CCD模塊、傳感器模塊、圖像采集和數(shù)據(jù)處理模塊相互協(xié)同作用，將所采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列的濾波、放大處理后，形成視頻信號(hào)輸出。數(shù)據(jù)處理模塊可根據(jù)鋼軌磨損位置及磨損值模擬出圖像，并對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)中的磨損形式判斷鋼軌的磨損形式、位置和磨損量。鋼軌磨損檢測(cè)狀態(tài)圖如圖13所示。

圖13 鋼軌磨損檢測(cè)狀態(tài)

3 結(jié)語(yǔ)

通過查閱相關(guān)資料，簡(jiǎn)要概括了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)所使用的鋼軌磨損檢測(cè)裝置，提出了現(xiàn)階段該技術(shù)存在的不足，并在此基礎(chǔ)上加以完善?；贑CD攝像機(jī)檢測(cè)模塊、傳感器模塊檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)出利用各種傳感器等組成的鋼軌磨損檢測(cè)裝置，并利用圖像采集和數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)鋼軌磨損進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，且增加了一些如在不同光照強(qiáng)度和不同速度工況下對(duì)鋼軌進(jìn)行檢測(cè)的功能。該裝置結(jié)構(gòu)主要按照現(xiàn)階段鐵路車輛的要求、鐵路工務(wù)段所需要檢修的鋼軌進(jìn)行規(guī)劃，可以保證完成日常檢測(cè)任務(wù)。