钢轨轮廓及磨耗检测系统

■ 王昊

钢轨是铁路线路中最为重要的设备之一，其主要作用是支撑并引导机车车辆的车轮，在列车运行中直接承受来自车轮的载荷和冲击。其状态是否完好直接关系到列车的运行安全。钢轨疲劳损伤后，主要表现为轨头磨耗，包括垂直磨耗、侧面磨耗等，这些损伤直接影响铁路的运营安全，因此对钢轨轨头轮廓进行定期检测十分重要。钢轨轮廓及磨耗检测系统（简称系统）正是基于这一目的研发的动态检测系统。

1 系统结构

系统由三部分组成，包括激光摄像组件、数据处理单元、波形编辑单元（见图1）。安装在构架上由4对激光器、摄像机组成的激光摄像组件将钢轨轮廓图像采集并传输至图像处理计算机，图像处理计算机将采集图像进行模式匹配、图像拟合、特征点分析计算后，将处理结果传输至数据合成及控制计算机，由其完成多路数据采集、里程校对、超限分析等功能，同时通过网络将数据及分析结果发送至波形显示、数据编辑计算机，完成超限编辑、波形显示、报表打印等任务。

2 系统功能

系统是结合使用激光摄像三角测量和图像处理技术的钢轨外形测量系统，用于测量从轨底到钢轨顶面的整个钢轨轮廓。系统结合列车运行条件下钢轨轮廓面特征信息的变化规律，设计出一套钢轨轮廓面信息的自动检测方法，具有高分辨率图像实时采集和处理功能，可快速、高效地识别大数据量信息中的特征值。同时，针对列车晃动与振动等情况，在复杂路况和环境条件下，系统具有较高的稳定性和可靠性。

为提高检测精度，系统的车下激光摄像组件从安装到标定都有着极高的要求。使用时，要求对同一根钢轨内外侧进行检测的2组激光摄像组件在同一坐标系下进行标定，以便两侧半断面图像拟合后的图像拼接和特征点计算提取。

图2为图像处理计算机中运行的钢轨轮廓检测软件界面。左侧两幅小图为半断面采集图像，右侧大图为经过模式识别、图像拟合、特征识别后与标准钢轨比较的效果图。图中白色虚线为标准钢轨截面，绿色虚线为实测钢轨轨头截面。通过与标准钢轨廓形的对比，可以精确计算出钢轨垂直磨耗、侧面磨耗等反映钢轨轮廓状态的参数。

图1 钢轨轮廓及磨耗检测系统结构

图2 图像处理程序界面

数据合成控制计算机采用QNX实时操作系统，主要完成数据合成传输、速度里程校对、同步信号控制等功能。而波形编辑计算机主要完成钢轨磨耗各项参数的波形图显示及超限数据编辑等功能。

为方便在列车行进过程中观测钢轨状态，确认检测系统运行正常，钢轨轮廓及磨耗检测系统还包含了钢轨轮廓检测相机监视系统。该相机监视系统可以非常方便地同时观测四路相机所采集的图像信息，在特殊路段或异常情况下还可以非常方便地保存原始图像信息。

3 系统技术特点

（1）激光摄像检测技术。使用数字摄像机、数字图像处理等技术手段，避免了模拟图像传输和采集过程容易被干扰等问题；使用全新图像处理算法，图像采集和处理速度大大提高，能够满足安装在时速160 km车辆上的正常检测；通过改进算法、提高元器件性能等方法，抗阳光干扰能力大大提高。

（2）机械悬挂方式。系统设计了一种便于安装、维护方便、安全的新型悬挂方式。从检测梁静强度分析图（见图3）可以看出，梁的安全可靠性非常高，满足实际应用需要。

（3）采用全新系统结构，激光摄像组件直接与图像采集计算机连接，省去中间环节。结构简单，便于维修、维护。

图3 检测梁静强度分析图

（4）检测系统设备性能指标：采样间隔为1、2、3、5 m等间距采样，可根据需要调整；磨耗精度为0.2 mm。

4 结束语

钢轨轮廓及磨耗检测系统作为钢轨轮廓状态实时动态检测设备，在我国铁路基础设施检测领域正起着越来越重要的作用。目前该系统已经在包括京沪高速铁路在内的多条高速铁路、既有提速干线上使用，其检测结果的应用分析对探索高速铁路养护维修有着重要的指导意义，同时对于研究高速列车走行状态、轮轨作用关系也起到了积极的参考作用。

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