徐济松，高春雷，王发灯

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

钢轨断面轮廓检测技术研究

徐济松，高春雷，王发灯

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

为满足铁路部门不同的市场需求，在充分调研国内外钢轨断面轮廓检测技术的基础上，研制了基于光学成像原理的钢轨断面轮廓动态检测设备，并对基于激光三角测距原理的静态检测设备的研制进行了探讨。动态检测设备主要适用于铁路钢轨断面轮廓病害的快速查找;静态检测设备则适用于铁路钢轨，特别是道岔区域钢轨轮廓的智能化、高精度检测，利于铁路部门精细化检修。

钢轨 轮廓 检测

随着铁路运营速度和密度的不断提升，轮轨冲击荷载随之增大，导致铁路钢轨的磨损日益严重，直接影响列车运行的安全性、旅客乘坐的舒适性以及钢轨使用寿命。

研究高精度的智能化检测设备来指导钢轨断面的打磨维修，制定科学、合理的钢轨磨损修复策略，重新修整道岔区域钢轨轮廓，恢复道岔区域钢轨设计状态，对提高列车运行的平稳性、舒适性，延缓钢轨病害的产生周期，延长钢轨使用寿命等具有明显的综合效益［1］。

目前，铁路部门对钢轨断面轮廓检测还普遍依赖进口检测设备，存在价格昂贵、适应性不足等问题。因此，开展钢轨断面轮廓检测技术的研究，研制出智能化、高精度、适应性强的钢轨断面廓形精度检测设备，对实现铁路钢轨精细化检修，实现铁路安全运营具有十分重要的意义。

1 钢轨断面检测设备现状

钢轨断面轮廓检测最初是利用机械接触式手工方式进行。随着计算机技术和图像处理技术的发展，国内外铁路部门开始研究利用计算机视觉技术自动测量钢轨断面轮廓［2］。

钢轨断面轮廓检测按测量方式可分为接触式和非接触式两种。目前，典型检测设备有如下4种:

1)接触式钢轨断面检测设备

该检测系统采用接触式手工方式，具有直观、便携等优点，如图1所示。该系统由一台笔记本电脑、一个专用伸缩箱及轮轨测量装置构成。测量单元是一直径很小的磁轮，可靠地接触被测物表面。系统是由两个连接杆构成，并以双角度的方式形成二维自由检测系统。

测量时，人工操作测量杆“描绘”钢轨断面，计算机得到传感器的极坐标数据，然后转化为笛卡尔坐标并计算出被测钢轨断面轮廓，完成钢轨断面轮廓测量。但据现场反应，该设备测量行程略小，探针无法测量到轨颚位置，不利于钢轨磨耗的评估。此外，该设备无法适应道岔区域测量，且存在效率低、人工测量劳动强度大等不足。

2)非接触式钢轨断面静态检测设备

非接触式钢轨断面静态检测设备主要采用激光三角测距原理，通过激光测距传感器横向移动来实现钢轨断面轮廓的测量，如图2所示。

图1 接触式钢轨断面检测设备

图2 非接触式钢轨断面静态检测设备

该设备自带操作屏和存储卡，直接在线检测钢轨断面，具有检测精度高、稳定可靠等优点，但对于国内铁路断面轮廓检测而言，产品功能适应性存在不足。

3)非接触式钢轨断面动态检测设备

非接触式钢轨断面动态检测设备主要采用光学成像原理，利用高速相机实时测量被扫描钢轨断面轮廓的形状，如图3所示。

图3 非接触式钢轨断面动态检测设备

4)轨检车钢轨断面轮廓检测

国内外高速动检车均配有基于光学成像原理的钢轨断面检测装置，利用激光线扫描钢轨轮廓，高速工业相机实时拍摄断面图像，并由服务器数据处理单元对轮廓线进行分析、处理，给出钢轨磨损量等信息。其测量方式如图4所示。

图4 动检车钢轨断面检测示意

2 钢轨断面检测设备研制

2.1 主要研究内容

为了实现铁路钢轨断面轮廓智能化、高精度检测，需开展的研究内容主要有:

1)深入研究国内铁路正在使用及将要使用的各种型号钢轨结构特点，建立智能化的钢轨断面轮廓结构数据库。

2)研究钢轨断面轮廓检测技术，并开发智能化的数据处理与分析系统，实现各型号钢轨检测结果智能分析，为铁路钢轨磨损的精细化维修提供科学依据。

3)开展钢轨断面磨损修复策略研究，制定科学、合理的修复方案，为磨损钢轨设计合适的目标廓形，以改善轮轨接触状态，延长钢轨寿命。

2.2 关键技术

1)根据铁路各型号钢轨结构特点，建立智能化数据库，实现检测结果智能化分析。

2)利用数字滤波技术，消除环境因素干扰，实现钢轨断面轮廓的高精度测量。

3)开发数据处理与分析系统，研究合理的理论算法，实现实测廓形与设计廓形的智能拟合。

4)对钢轨断面磨损进行评估分析，根据线路现场需要，为磨损钢轨设计合适的目标廓形，以改善轮轨接触状态。

2.3 动态检测

2.3.1 钢轨断面动态检测设备原理与结构组成

钢轨断面轮廓动态检测系统主要由激光器、工业相机、计算机处理单元等部分组成，如图5所示。

图5 钢轨断面轮廓动态检测设备组成示意

采用非接触式激光成像原理［3］，利用工业相机对激光器成像进行捕捉，由采集单元进行成像分析处理，提取出轮廓中心线［4-5］，再利用最小二乘法对钢轨实测廓形与理论廓形进行拟合，最终给出钢轨断面轮廓各点法向偏差量，其实现流程如图6所示。

图6 动态检测设备数据处理流程示意

2.3.2 技术指标

钢轨断面轮廓动态检测设备主要指标如下:

1)钢轨断面轮廓检测精度:±0.1 mm;

2)检测效率:1 Hz;

3)检测范围:钢轨内侧70°到外侧40°(指断面圆弧法线与钢轨垂直中心线的交角)。

2.3.3 应用情况

2013年5月，在昆明中铁生产的钢轨铣磨车上，完成了钢轨断面轮廓动态检测系统的装车、调试、培训等工作。随整车出厂后，结合现场用户操作要求，对系统软件功能进行了完善和升级。试验现场如图7所示。

图7 钢轨断面轮廓动态检测系统试验现场

2.4 静态检测

2.4.1 静态检测原理与结构组成

钢轨断面轮廓静态检测设备采用激光三角测距原理，通过电机驱动传感器在导轨上横移，实现对钢轨断面轮廓的测量，并将轮廓实测结果与设计值进行比较分析，给出修复方案。其检测原理如图8所示，其结构如图9所示。

图8 静态检测原理示意

图9 静态检测设备结构示意

2.4.2 技术指标

钢轨断面轮廓静态检测设备主要指标检测精度如下:

1)钢轨廓形:±0.05 mm，横断面测量范围为150 mm;

2)尖轨相对于基本轨降低值:±0.05 mm(专指道岔区域);

3)心轨相对于翼轨降低值:±0.05 mm(专指道岔区域);

4)尖轨、基本轨、心轨肥边大小:±0.05 mm(专指道岔区域)。

根据钢轨断面轮廓静态检测设备的市场应用与技术参数要求，进行了方案设计和硬件选型，并搭建试验平台，对选定传感器的性能指标和固定方式进行试验，确定了电气硬件和机械结构的最终方案。试验现场如图10所示。

图10 电气硬件和机械结构方案试验现场

3 结语

在充分调研国内外钢轨断面轮廓检测技术的基础上，研制了基于光学成像原理的动态检测设备，基于激光三角测距原理的静态检测设备也已具备雏形，以满足铁路部门不同的市场需求。

随着钢轨铣磨车的市场应用与推广，钢轨断面轮廓动态检测设备也将得到越来越多的市场应用。通过后期系统的不断完善与改进，钢轨断面轮廓动态检测设备还可应用于地铁铣轨、打磨等钢轨维修车上，具有非常广阔的市场前景。

钢轨断面轮廓静态检测设备主要应用于检测道岔区域钢轨断面磨损，指导道岔区域钢轨的打磨维修。随着高速铁路运营速度和密度的不断提升，道岔区域钢轨因其结构和承载方式有所差异，钢轨的磨损尤为突出。因此，道岔区域钢轨磨损的日常检修将是铁路相关部门必须面临的一个全新课题，而钢轨断面轮廓静态检测设备将在此领域得到广泛应用。

［1］陈东生，田新宇.中国高速铁路轨道检测技术发展［J］.铁道建筑，2008(10):82-86.

［2］孟佳，高晓蓉.钢轨磨耗检测技术的现状与发展［J］.铁道技术监督，2005(1):34-36.

［3］孙军华，王伟华，刘震，等.基于结构光视觉的钢轨磨耗测量方法［J］.北京航空航天大学学报，2010，36(9):1026-1029.

［4］王伟华，孙军华，刘震，等.钢轨磨耗动态测量结构光条纹中心提取算法［J］.激光与红外，2010，40(1):87-90.

［5］贾倩倩，王伯雄，罗秀芝.光切法形貌测量中光条中心的亚像素提取［J］.光学精密工程，2010，18(2):390-396.

Research on inspection technology for rail profile contour

XU Jisong，GAO Chunlei，WANG Fadeng
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

To meet different railway department market requirements，based on sufficient investigation and research of domestic and foreign rail section contour detection technology，the rail section contour dynamic detection device according to optical imaging principle was manufactured，and the static detection device development according to laser triangulation principle was studied.The dynamic detection device is used for quick search of rail section contour diseases and the static device is used for intelligent and high precision rail contour detection，especially in turnout zone，which could be conductive to the railway department for the fine inspection and repair of rails.

Rail;Contour;Detection

U216.67

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.19

1003-1995(2015)01-0084-04

(责任审编 李付军)

2014-11-15;

2014-12-20

徐济松(1982—)，男，江西瑞昌人，助理研究员，硕士。