基于近距檢測的剛性懸掛接觸線磨耗連續(xù)測量裝置研制

盛良

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測中心，北京 100081）

0 引言

架空剛性懸掛接觸網(wǎng)具有安裝凈空需求小、狀態(tài)較穩(wěn)定、無斷線風(fēng)險(xiǎn)、適應(yīng)高速運(yùn)行等特點(diǎn)，成為隧道斷面優(yōu)化后的可選接觸網(wǎng)方案，目前我國已有近20個(gè)鐵路隧道和30多個(gè)城市地鐵線路采用架空剛性懸掛接觸網(wǎng)［1］。“Π”型匯流排具有剛度好、維修及施工成本低的優(yōu)點(diǎn)，在我國鐵路和地鐵均得到廣泛應(yīng)用［2-6］，但由于剛性懸掛彈性差，弓網(wǎng)受流質(zhì)量較為惡劣，加速區(qū)段常由于燃弧較多伴隨局部波浪磨耗產(chǎn)生，若不及時(shí)處理，受電弓滑板和接觸線磨耗量將成倍增長，影響弓網(wǎng)系統(tǒng)壽命及運(yùn)行安全［7-10］。同時(shí)，剛性懸掛接觸網(wǎng)為匯流排夾持接觸線的組合剛體結(jié)構(gòu)，調(diào)整不當(dāng)會(huì)引發(fā)接觸線磨耗面相對匯流排底面偏斜（即偏磨），造成接觸線運(yùn)行壽命縮短、維修成本增加。為了延長接觸線使用壽命、降低運(yùn)維成本、指導(dǎo)現(xiàn)場精準(zhǔn)維修，剛性懸掛接觸線磨耗檢測通常以檢測磨耗量（磨耗面寬度記為Dw）、偏磨量（記為Δw）和波磨位置［8］來判斷接觸線狀態(tài)。

傳統(tǒng)的接觸線磨耗測量裝置主要包括便攜式和車載式2類。便攜式類型較少，目前現(xiàn)場仍廣泛使用游標(biāo)卡尺，但由于接觸線嵌入至匯流排底面，造成接觸線殘高測量難以實(shí)現(xiàn)。其磨耗面寬度及偏磨量檢測誤差均較大且測量效率低。車載式類型較多、檢測效率高，主要包括基于線陣相機(jī)立體視覺和基于面陣相機(jī)激光三角測量2類圖像處理方式，均是通過配合主動(dòng)光源照明實(shí)現(xiàn)接觸線磨耗面像素提取，進(jìn)一步利用空間三角位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)磨耗面寬度檢測。為適應(yīng)不同線路接觸線高度和拉出值，通常需要相機(jī)視野足夠大，如此使得測量圖像中僅有極少量（不足0.03%）像素有效覆蓋接觸線，同時(shí)受車體振動(dòng)、運(yùn)行速度等影響，接觸線及磨耗底面虛化嚴(yán)重，測量精度難以保障，偏磨量和波磨定位的檢測更是尚未達(dá)到應(yīng)用程度［11-14］。

針對現(xiàn)有檢測裝置不足，基于近距檢測思路，探索研制一款新型剛性懸掛接觸線磨耗連續(xù)測量裝置。

1 技術(shù)方案

1.1 裝置組成

利用“Π”型匯流排與接觸線位置固定且整錨段連續(xù)不間斷的特點(diǎn)［15-17］，可將匯流排作為磨耗測量組件移動(dòng)載體的走行軌道，一方面可以對接觸線實(shí)現(xiàn)超近距離檢測，另一方面可以保持與接觸線在橫截面內(nèi)相對位置固定，有效克服了車載檢測裝置的不足，實(shí)現(xiàn)對接觸線采樣點(diǎn)的數(shù)量級增長，為提高磨耗測量精度，實(shí)現(xiàn)偏磨量及波磨定位檢測提供有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。為提高磨耗測量裝置的便攜、易用性，滿足工程應(yīng)用需要，將磨耗測量裝置設(shè)計(jì)為上、下位機(jī)2部分，二者為無線通信方式，檢測時(shí)操作人員在地面使用上位機(jī)控制下位機(jī)實(shí)時(shí)檢測（見圖1）。其中，懸掛于匯流排上的裝置為下位機(jī)，由機(jī)械載體模塊、磨耗測量模塊、時(shí)空定位模塊、移動(dòng)控制模塊組成。機(jī)械載體模塊搭載并封裝其他模塊，測量時(shí)將其懸吊固定在匯流排上，通過輪對實(shí)現(xiàn)連續(xù)移動(dòng)；磨耗檢測模塊綜合結(jié)構(gòu)光圖像檢測和線陣相機(jī)成像等測量傳感器，實(shí)現(xiàn)對磨耗的多參數(shù)測量；時(shí)空定位模塊由旋轉(zhuǎn)編碼器、同步分頻器組成，負(fù)責(zé)向各檢測模塊發(fā)送多路分頻脈沖觸發(fā)信號，并實(shí)現(xiàn)時(shí)空定位；移動(dòng)控制模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)機(jī)械載體自動(dòng)行進(jìn)。

圖1 總體技術(shù)方案示意

1.2 檢測參數(shù)

弓網(wǎng)滑動(dòng)磨損是在復(fù)雜大氣環(huán)境作用下的多場耦合摩擦學(xué)［17-20］。相關(guān)研究表明，接觸線磨損主要與弓網(wǎng)受流和弓網(wǎng)接觸力有關(guān)，車輛加速過程中，伴隨接觸力波動(dòng)和高能燃弧的交替出現(xiàn)，使部分區(qū)段接觸線磨耗嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)明暗交替波浪磨耗［7-8］（見圖2），嚴(yán)重縮短受電弓滑板與接觸線的使用壽命。由于剛性懸掛為無張力系統(tǒng)，其運(yùn)維重點(diǎn)已從監(jiān)測接觸線剩余截面積，轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)測接觸線相對匯流排的磨耗形位，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并調(diào)整接觸線偏磨處匯流排安裝姿態(tài)，從而延長接觸線使用壽命并防止受電弓滑板磨損匯流排造成受流中斷甚至引起弓網(wǎng)故障［7］。綜合以上分析，剛性懸掛接觸線磨耗檢測除應(yīng)包括檢測磨耗寬度外，還應(yīng)包括偏磨量和波磨位置檢測［8］。

圖2 接觸線波磨特征及磨耗檢測參數(shù)示意圖

2 測量原理

2.1 磨耗量檢測

采用激光三角測量原理，利用單面陣相機(jī)、線激光構(gòu)成掃描頭，將線激光垂直投影在匯流排底面，通過合理調(diào)整曝光及圖像灰度閾值對圖像二值化處理，提取三維環(huán)境物體幾何信息，進(jìn)一步利用圖像上每個(gè)點(diǎn)的位置與空間物體表面幾何約束關(guān)系，建立小孔成像和激光面約束的數(shù)學(xué)模型，將圖像中激光條紋的每個(gè)像素點(diǎn)二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為測量坐標(biāo)系O c-X c Y c Z c下的實(shí)物三維坐標(biāo)，并以點(diǎn)云形式重構(gòu)被測物［21-23］，得到接觸線與匯流排兩側(cè)下表面的二維輪廓數(shù)據(jù)集{W n}，接觸線磨耗寬度及偏磨量檢測原理示意見圖3。

圖3 接觸線磨耗寬度和偏磨量檢測原理示意

對輪廓數(shù)據(jù)集{W n}進(jìn)行去噪處理，采用曲率熵雙窗函數(shù)對其進(jìn)行滑窗遍歷［23］，評估雙窗內(nèi)輪廓曲率變化分布情況，利用接觸線兩側(cè)圓弧區(qū)段間隔固定且曲率熵最大特征，提取接觸線兩側(cè)圓弧區(qū)段，如圖3中BE和CF段和式（1）所示，進(jìn)而獲得接觸線磨耗面及匯流排兩側(cè)下表面的二維輪廓坐標(biāo)集{W EF}、{W AB}和{W CD}，如圖3中EF、AB和CD段所示。

對AB和CD段坐標(biāo)集{W AB}{W CD}進(jìn)行線性擬合，利用AB和CD段關(guān)于匯流排垂直中心線對稱且夾角（記為θ）固定的特征，采用最小二乘法求解AB和CD段最優(yōu)擬合直線方程，見式（2）。根據(jù)兩直線方程，求解其交點(diǎn)J坐標(biāo)，并根據(jù)接觸線與匯流排斷面幾何中心點(diǎn)相對位置固定，計(jì)算接觸線斷面幾何中心點(diǎn)坐標(biāo)O j，進(jìn)一步建立接觸線三維空間坐標(biāo)系O j-X j Y j Z j，（見圖3）。

式中：(x i，y i)、(x j，y j)分別為{W AB}、{W CD}坐標(biāo)，k AB為{W AB}擬合直線斜率，b AB和b CD分別為{W AB}{W CD}擬合直線縱截距。

利用旋轉(zhuǎn)平移矩陣，將接觸線坐標(biāo)集{W EF}由O c-X c Y c Z c坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至O j-X jY jZ j坐標(biāo)系。進(jìn)一步與標(biāo)準(zhǔn)未磨耗接觸線二維輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)［24］，獲得磨耗區(qū)域坐標(biāo)集，記為{W EF}，如圖3中EF區(qū)段，其端點(diǎn)坐標(biāo)分別記為(x E，y E)、(x F，y F)。根據(jù)距離公式求取磨耗寬度D w，偏磨量Δw為磨耗兩端點(diǎn)豎坐標(biāo)代數(shù)差，其正負(fù)表示偏磨方向，見式（3）。

2.2 波磨定位檢測

研究表明，剛性懸掛接觸線波磨主要由高能燃弧交替引起，其特征主要體現(xiàn)在接觸線磨耗面表觀的明暗交替分布，磨耗量無明顯差異［8-10］，采用表觀圖像識別方式可實(shí)現(xiàn)波磨位置檢測。線陣相機(jī)具有高頻和高分辨率優(yōu)點(diǎn)，圖像垂直尺寸不受傳感器分辨率影響，尤其適合一維線動(dòng)態(tài)目標(biāo)測量成像［25］，因此采用線陣相機(jī)對接觸線磨耗表觀進(jìn)行掃描成像。硬件主要由1臺(tái)線陣相機(jī)和2個(gè)矩陣光源組成。為了保證成像視場的光照度和均勻度，光源采用從縱向布置形式，檢測時(shí)里程定位模塊生成等間距脈沖信號，線陣相機(jī)和光源按照時(shí)序設(shè)定分別觸發(fā)獲得一維線像元，將得到的線像元連續(xù)拼接轉(zhuǎn)為接觸線磨耗表觀二維高清圖像。經(jīng)標(biāo)定測試，像元間距小于0.05 mm，對應(yīng)行頻達(dá)到20 kHz。接觸線波磨定位檢測原理示意見圖4。

圖4 接觸線波磨定位檢測原理示意

3 機(jī)械載體

機(jī)械載體模塊主要包括封裝結(jié)構(gòu)、輪對和拆裝機(jī)構(gòu)3部分（見圖5）。封裝結(jié)構(gòu)是對檢測系統(tǒng)各硬件設(shè)備進(jìn)行集成、安裝、防護(hù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。輪對由上、下輪組成，共4組，分別通過上、下臂與封裝結(jié)構(gòu)固定，上輪外形無特殊要求，工作時(shí)懸掛于匯流排兩側(cè)肩架上，承載下位機(jī)整體重量，下輪一側(cè)沿軸心收縮形成斜面，工作時(shí)下輪斜面與匯流排凹槽側(cè)壁踏接，產(chǎn)生一組水平和垂直分力實(shí)現(xiàn)下輪導(dǎo)向。拆裝機(jī)構(gòu)是下位機(jī)工程化應(yīng)用的關(guān)鍵，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和頂升機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由上、下臂組成，上臂可以向兩側(cè)做開合動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)裝置拆裝操作；頂升機(jī)構(gòu)包括撐桿和連接底座，連接底座固定在封裝結(jié)構(gòu)底部，拆裝時(shí)先將撐桿插入連接底座，之后利用撐桿將下位機(jī)送至匯流排下方，通過撐桿控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)上臂開合動(dòng)作，完成下位機(jī)拆裝操作；聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)與頂升機(jī)構(gòu)連接底座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)上下臂機(jī)械連接，將地面人員操作通過撐桿傳遞至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖5 機(jī)械載體模塊組成示意

4 軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理流程

軟件設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理流程主要包括數(shù)據(jù)采集、處理、保存和傳輸4個(gè)部分（見圖6）。檢測時(shí)里程定位模塊由上輪帶動(dòng)產(chǎn)生多路同步脈沖信號，觸發(fā)相機(jī)、光源等裝置，獲得激光條紋圖像、一維線像元數(shù)據(jù)；之后分別調(diào)用磨耗量測量、圖像拼接、時(shí)空定位算法執(zhí)行數(shù)據(jù)處理，獲得當(dāng)前位置接觸線磨耗寬度、偏磨量、磨耗表觀圖像和時(shí)空定位信息；將上述結(jié)果進(jìn)行組合、封裝和存儲(chǔ)；最后，運(yùn)用ZeroMQ等組件，實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)間無線傳輸和遠(yuǎn)程控制。為了適應(yīng)工程化應(yīng)用需求，軟件還具備自動(dòng)關(guān)啟、實(shí)時(shí)展示、數(shù)據(jù)檢索、缺陷標(biāo)注等功能。

圖6 軟件設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理流程示意

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了充分驗(yàn)證磨耗測量性能，將7種磨耗接觸線安裝至同一段匯流排中，采用所述磨耗測量裝置對其進(jìn)行往返多次測量，驗(yàn)證磨耗寬度、偏磨量測量精度和磨耗表觀成像效果（見圖7）。1#~5#線為不同磨耗狀態(tài)接觸線，由鋁合金材質(zhì)經(jīng)過精密機(jī)加工而成；6#線為未磨耗新接觸線；7#線為某條地線線路實(shí)際運(yùn)行產(chǎn)生波磨接觸線。圖8（a）為1#~5#接觸線的二維輪廓數(shù)據(jù)，平均有效測點(diǎn)數(shù)量達(dá)300個(gè)以上，分辨率小于0.05 mm，達(dá)到傳統(tǒng)車載磨耗測量裝置10倍以上［15，25］。磨耗底面寬度和偏磨量相對于標(biāo)準(zhǔn)接觸線測量結(jié)果見圖8（b）、圖8（c），其平均誤差均小于0.2 mm，檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)參考值重復(fù)性較好。磨耗表觀成像結(jié)果可以看出新舊接觸線成像清晰、差異明顯（見圖8（d）），并且7#接觸線波磨的溝壑和亮度清晰可見，經(jīng)測試其分辨率小于0.1 mm，可有效指導(dǎo)波磨定位檢測。

圖7 試驗(yàn)設(shè)置

圖8 接觸線測試結(jié)果對比

6 結(jié)論

（1）隨著剛性懸掛接觸網(wǎng)應(yīng)用范圍的持續(xù)擴(kuò)大，提高磨耗寬度測量精度、實(shí)現(xiàn)偏磨量、波磨定位精確檢測，對降低運(yùn)維成本、指導(dǎo)現(xiàn)場精準(zhǔn)維修意義重大。

（2）利用“Π”型匯流排作為移動(dòng)測量軌道，實(shí)現(xiàn)接觸線超近距離連續(xù)測量，大幅降低磨耗測量難度，使多參數(shù)綜合測量成為可能，并通過運(yùn)用激光三角測量、線陣相機(jī)拼接成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)接觸線磨耗寬度、偏磨量精確測量和磨耗表觀高清成像，為剛性懸掛接觸線磨耗多參數(shù)綜合檢測提供一種全新思路。

（3）通過對7種磨耗狀態(tài)接觸線重復(fù)測試，初步驗(yàn)證了裝置總體方案、機(jī)械結(jié)構(gòu)、檢測原理的合理性，下一步需針對現(xiàn)場復(fù)雜場景開展大量測試優(yōu)化，提升工程化應(yīng)用效果。