小型钢轨损伤自动检测装置的开发

张秀峰

(大连民族大学 机电工程学院，辽宁 大连116605)



小型钢轨损伤自动检测装置的开发

张秀峰

(大连民族大学 机电工程学院，辽宁 大连116605)

摘要：在分析了目前国内外钢轨磨耗检测技术的特点及方法的基础上，结合铁路工务段的实际检测需要，提出了小型钢轨损伤自动监测装置的整体方案。利用光电检测技术、微处理器技术及数据处理技术完成了检测装置的开发，并进行了试验测试，结果表明检测系统具有检测速度快、精度高、性能可靠的特点。开发的装置便于携带,具有人机对话功能，解决了目前检测设备普遍体积过大、携带不方便及检测效率低等问题。

关键词：钢轨磨耗；光电检测；微处理器；检测装置

钢轨主要应用于铁路、电梯、升降机及娱乐设施等和人们生活息息相关的场所，钢轨的技术状态是否良好，直接影响着设备运行的安全性[1]。钢轨状态检测的结果是判断钢轨运行状态的唯一依据，是制定线路大、中、小维修工作计划的基本参数[2-3]。

目前，中国在钢轨状态检测方面有接触卡具测量、涡流检测、光学三角测量等主要方法，检测结果往往取决于检测工人的态度和仪器使用的经验，这些方法存在着检测效率低、检测精度不高等诸多问题，已不能满足目前高速化的发展需要[1,4]。本文设计一种基于光敏电阻阵列的智能化全自动钢轨状态检测装置，能够有效检测钢轨的磨耗、断裂等主要损伤信息，具有体积小、精度高、使用灵活方便的优点。

1检测原理与方案设计

钢轨的损伤主要包括磨耗、断裂和内部损伤[5]，本文主要讨论磨耗和断裂。磨耗主要出现在钢轨的头部，磨耗的包括顶面磨耗和侧面磨耗，检测时必须同时检测这两个数值，来综合判断钢轨的磨耗程度。根据光线在物体表面会产生反射，当钢轨表面出现磨耗时，光的反射面发生变化，使得反射光线偏离原来的路线如图1。确定装置的整体结构，在反射光线照射在接收靶面上的位置发生改变时，反射光线的偏离程度和磨耗量直接相关；通过光敏传感器阵列判断反射光线位置，经过数据分析获得偏离程度，从而确定被检钢轨表面的磨耗量。在检测头上安装两对探针直接与钢轨表面相接触，并具有内置电源，当钢轨断裂时，回路断开，由此判断钢轨的断裂损伤。本文主要讨论钢轨的磨耗检测。

检测装置主要由光源部分、反射光线接收靶面、信号调节单元、主控单元(CPU)、执行单元以及外围电路等几个主要部分组成，整个装置结构如图2。光源采用不可见波段的红外激光器，激光器功率较大；反射光线接收装置采用与光源波长相匹配光敏电阻，13个光敏电阻排列形式如图3。当反射光照射位置发生改变时，各光敏电阻阻值发生相应的变化，使得各点输出电压值发生相应的变化。微处理器对电压信号进行分析，判断反射光照射位置，从而得到轨的磨耗信息，并判断导轨磨耗的具体量值，将导轨的磨耗量和具体位置存储到内部存储器，并通过液晶模块进行实时显示，当磨耗量超限时启动声光报警装置。操作人员可以随时查询导轨磨好信息及报警次数，做出导轨状态的判断，并具体处理；也可以定期将监测数据发送给上位机，通过上位机数据处理软件分析钢轨状态信息，给出维护、更换等决断信息。

图1　反射光线方向变化示意图

图2　检测装置结构图

2数据采集及分析

根据对铁路工务段的走访了解,钢轨磨耗检测系统是需要工作在野外铁道线路上,由铁路巡道工或维护人员操作使用,因此,检测系统的整体结构设计要求是体积紧凑、便于携带、性能可靠并容易操作[6]。铁路钢轨一般里程较长，出于能耗和工作时长等方面考虑，采用蓄电池供电，尽量提高电容量，蓄电池可以通过太阳能充电；另外，由于钢轨磨耗量一般较大，导致激光照射在完整钢轨与有磨耗钢轨的表面上时反射光线方向偏差较大，接收靶面上光斑位置的变化也会比较大，所以光电接收板采用13点式圆盘传感器组设计。接收靶面传感器布局如图3。

图3　传感器排列图

2.1传感器特性与布局

经过大量的实验测试可知，光敏电阻的电阻值与光斑位置有对应关系，当光斑直射光敏电阻时，其处于饱和状态，电阻为极小值；当光线不直射光面电阻表面时，光敏电阻工作在非饱和状态，光敏电阻阻值变化非常小，且有一定的规律。光敏电阻的阻值与光斑位置和光敏电阻中心点的距离有关，距离越近，电阻值越小，距离增大，电阻值也随之增大，但呈非线性关系。设计以光敏电阻为中心，以不同的光照位置时电阻值的量值为参考半径，这样形成一些等电阻值的圆如图4(a)。

图4　传感器特性与光斑位置

光斑与光敏电阻间的距离分度为0.5 mm，测试得到光面电阻的电阻值，建立检测电路输出信号与距离间的分度关系，在两点之间利用线性插值的方法，计算输出信号与距离的对应关系，并建立数据库。

光敏电阻电路输出电压信号非常微弱，采用高精度滤波运算放大器，实现多级放大；电压信号放大后，通过A/D变换器送到微处理器，实现信号采集。合理设置光源和接收靶面的位置，使光斑初始位置在13个光敏电阻中心即0号光敏电阻上；此时，0号光敏电阻工作在饱和状态，电路输出电压值最大，其他光敏电阻电路输出电压为0。当检测装置在正常导轨上行进检测时传感器组输出信号值与初始状态基本保持一致；当钢轨出现磨耗时，反射光线方向发生改变，照在接收板上的位置随之发生变化，传感器组电路输出信号发生改变。

2.2数据分析

将0号光敏电阻所在位置作为原点建立坐标系，这样有9个光敏电阻分布在坐标轴上，其余4个分别在四个象限内。将传感器按顺序编号，如图3，其中0号和9至C号作为一组，作为粗略方向判断；1至8号，作为精确的光斑位置判断。

在确定光斑位置时，首先判断是否有传感器工作在饱和状态，如果有，则通过该传感器直接确定光板位置。当无传感器工作在饱和状态时，先分析0号和9至C号光敏电阻电路的输出信号，确定光斑所在象限；然后在该象限所包含的光敏电阻序列中进行判断，从中选择3个信号最大的作为判断依据。

在实际系统中，选择至多三个信号最大的传感器作为判断光斑位置的依据，以该三点作为圆心，光斑到该点的距离为半径画等梯度圆，三个圆在三个圆心点之间有唯一的交点如图4(b)，该交点即为光斑所在的位置，从而确定光斑位置坐标，通过光斑与原点的距离以及光斑与原点连线的前倾角，确定钢轨的磨耗程度。

3实验与结果分析

项目研究开发的检测检测装置主要功能是完成对钢轨磨耗数据等主要故障信息的检测及数据处理工作，同时为了进一步分析处理检测数据,形成有效的钢轨磨耗参数报表。检测装置需要检测钢轨磨耗、断裂等损伤信息，进行分析、判断和存储；利用PC机强大的数据分析处理功能,对检测数据进行处理，生成钢轨状态信息的参数表。

检测装置每个位置的测量设定采集三组数据，每组数据包括1-3个光敏电阻，微处理器采集光敏电阻电路的输出信号，通过电压值判断光斑位置，进一步确定光斑中心坐标，计算出光斑中心位置与坐标原点的距离，从而得出磨耗量。光斑中心位置与坐标原点的距离和磨耗量之间的对应关系如下：

(1)

实验选取铁路工务段淘汰钢轨作为测试对象，进行多点测试，从中选择两组具有代表性的数据见表1、表2。两组数据分析得到的对应位置的磨耗量。检测装置的总体检测性能指标为顶面磨耗检测范围:0-20mm,检测精度为:士0.1mm。

表1　检测数据与磨耗值(1)

表2　检测数据与磨耗值(2)

4结语

本文研制的小型钢轨损伤自动检测装置是一个集信号采集、数据实时处、理及显示、超限报警及上位机数据管理分析系统为一体的具有人机对话功能的智能化检测设备，主要是利用传感器技术、微处理器控制技术及数据库技术,结合计算机软件编程技术,研究开发的新型检测装置。该系统具有体积小、重量轻、精度高、时处理、操作简单等特点,解决了目前检测设备体积较大、携带不方便、检测数据精度低及分析处理能力差等缺点,较好地考虑了钢轨磨耗检测的实际需要及新型检测技术的运用，通过实验测试表明,系统具有检测效率高、检测精度好、操作简单和性能可靠等特点,具有很好的实际运用价值。

参考文献：

[1] 王德明，王桂宝，张广明，等. 基于激光轮廓扫描仪的钢轨磨耗检测系统 [J].仪表技术与传感器，2015(10):90-91.

[2] 陈坤. 便携式钢轨磨耗检测系统的研究[D].长沙:中南大学，2007.

[3] JIN Wenrui，ZHAN Xinqun，JIANG Benhe. Non-contact Rail-Wear Inspecting System Based on Image Understanding [C]∥Proceeding of the 2007 IEEE International Conference on Mechatronics And Automation. Harbin, 2007 : 3854-3858.

[4] 郑树彬，柴晓冬，安小雪，等. 基于动态模板的钢轨磨耗测量方法研究[J].中国铁道科学，2013，23(2)：7-11.

[5] 徐会杰，刘启宾，彭华，等. 基于轮轨接触的高速铁路钢轨磨耗量[J].北京交通大学学报(自然科学版), 2014, 38(3):44-49.

[6] 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.

(责任编辑王楠楠)

Development of Miniaturized Detection Device on Rail Damage

ZHANG Xiu-feng

(School of Electromechanical Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

Abstract:Based on the study of current characteristics and methods of steel rail abrasion detection at home and abroad, the scheme of the miniaturized detecting instrument is presented according to the actual need of railway system. Using photoelectric detection, microprocessor and data analysis, a detecting device was developed and tested. The results showed that the detector was fast, accurate and reliable. The developed device which had a human-machine interface is portable, improving many disadvantages of detectors nowadays, such as low-efficiency, big size, unwieldy mass and so on.

Key words:rail abrasion; photoelectric detection; microprocessor ; measurement device

收稿日期：2015-12-22；最后修回日期：2016-03-18

基金项目：大连市科学技术基金计划项目(2013J21DW015);金州新区高新技术项目(2011G03)。

作者简介：张秀峰(1975-)，男，黑龙江绥化人，副教授，博士，主要从事光电检测技术及仪器研究。

文章编号：2096-1383(2016)03-0217-04

中图分类号：TH74

文献标志码：A