钢轨磨损检测装置结构设计探究

钢轨磨损检测装置结构设计探究

摘要:针对铁路钢轨磨损现状,通过对现有钢轨磨损检测装置的结构创新,设计了一种新型钢轨磨损检测装置;首先通过CCD摄像机检测模块、传感器模块对钢轨进行磨损检测,再利用图像采集模块和数据处理模块对检测数据进行分析,最后得到钢轨的磨损形式和磨损量。该装置的应用提高了钢轨磨损检测的效率和准确率,同时可对已损伤钢轨进行预警,有效延长了钢轨的使用寿命,减轻了工人的工作强度。

关键词:钢轨磨损;结构设计;传感器;数据处理

0引言

近年来,随着铁路运营里程的增长,铁路运输技术也取得了举世瞩目的成绩。钢轨是铁路轨道系统中的重要组成部件之一,钢轨的状态直接影响轮轨间接触和受力情况,间接影响了车辆的安全性、舒适性和稳定性。钢轨承载着列车的静、动态载荷,经过车轮反复碾压,会导致钢轨磨损加重、钢轨轮廓变形、使用寿命缩短等现象,严重时还会影响行车安全[1-3]。随着高速、重载列车的兴起,加快了钢轨磨损速度,钢轨磨损是铁路研究中最为普遍存在的问题。钢轨磨损是指轮轨之间摩擦使轨头产生磨损的现象,在直线和曲线段有不同的磨损形式。钢轨磨耗主要有钢轨垂向磨耗、钢轨轨距角侧磨、钢轨波浪形磨损,以及轮轨擦伤所引起的钢轨磨损。大部分文献中钢轨磨耗主要是指小半径曲线上钢轨侧面磨耗和轨顶纵向波浪形磨耗,磨耗程度随着列车轴重和通过总重的增加而增大[4]。其中,列车通过小半径曲线时,会发生横移现象,轮轨通常会出现两点接触的情况,轮轨的摩擦与滑动是造成外轨侧磨的主要原因[5-7]。钢轨波浪形磨耗是指钢轨顶面上出现的波浪形不均匀磨耗,钢轨波磨会引起高频轮轨振动噪声,加速轨道车辆及相关零部件的损坏,严重时还会威胁行车安全,其发展速度快于侧磨,是更换钢轨的主要原因之一,因此应当对钢轨状态进行检测,以便保证列车的行驶安全[8]。进入21世纪后,随着我国检测和计算机技术的发展,我国钢轨检测技术有了质的飞跃。目前我国最新研制出的GJ-6型轨检车,其速度可达到400km/h,是目前检测速度最快的轨检车[9]。其利用了由接触式弦测法衍变的惯性基准法,并采用了激光摄像检测技术,省略了模拟图像传输步骤,对检测到的数字图像直接进行处理分析,节省了大量时间,但其也有成本高、使用不灵活、调度困难等缺点。而在现有技术中,便携式钢轨磨损检测仪通常采用纯机械卡尺测量方式对钢轨进行检测[10-12]。但纯机械卡尺测量方式的测量仪器对人工要求较高,长时间使用会使卡尺磨损,导致测量精度下降,并且不能连续检测整段钢轨的磨损程度。针对现有检测装置的检测缺点,在其结构基础上设计出一种新型钢轨磨损检测装置结构,该装置可安装在大型检测车底部,适合多种环境工况下的钢轨磨损检测。

1结构设计

该装置结构设计利用CREO6.0软件建模,结构设计主要采用模块化设计方法,依次进行草图绘制、三维建模及装配设计。该装置主要由CCD摄像机、LED灯、激光位移传感器、振动位移传感器和支架等主要零件组成,如图1、图2所示。图3为该装置爆炸示意图。

1.1CCD摄像机和LED灯结构。如图4、图5所示,CCD摄像机、LED灯均采用塑料外壳,CCD摄像机是一种半导体成像元器件,具有灵敏度高、畸变小、体积小、寿命长、抗振等优点;LED灯具有强耐低温、强防水、高效透光、强散热等优点。CCD摄像机安装在支架顶部,LED灯与角铁用螺纹连接,并安装在支架腰部。在车辆运行时对钢轨磨损进行检测,在动态工况下为保持检测精度,采用LED灯在光照不足条件下给CCD摄像机作补充光源,以提高检测精度。该模块还采用了带快门的高分辨率CCD摄像机,可以将光信号转换成电信号,输出图像式的视频信号至图像采集卡,提供给图像与数据处理模块进行处理。该摄像机快门在1/50(1/60)~1/100000s范围内可调,操控人员根据列车运行速度和光照条件选用适当的快门,可避免因光照不足或运行速度过快导致的图像模糊、精度低等问题。

1.2激光位移和振动位移传感器结构。如图6、图7所示,激光位移传感器和振动位移传感器都用螺钉与支架进行固定。激光位移传感器是利用激光技术进行测量的新型测量传感器,既可测量距离还可测量物体的直径等精密几何量,激光具有良好的直线度和高聚光性,相比于超声波具有更高的检测精度。振动位移传感器可对进入测量范围内的金属物体的运动参数进行精密的非接触式测量,两者广泛应用于机械产品中的振动和位移监测。车辆运行时,车体振动会影响激光位移传感器的测量精度,利用振动位移传感器进行补偿分析。

1.3角铁和支架结构。角铁的作用主要是用于支架和LED灯的固定联接,如图8所示。如图9所示,支架起到了车体与激光位移传感器、振动位移传感器、CCD摄像机等关键部件的联接作用,采用冲压技术制成。

2钢轨磨损检测模块

该设计主要是参照现有的钢轨磨损检测装置,在其基础上进行改进,且安装在速度为80km/h的轨道检测车辆转向架底部(如图10),主要由4部分组成,分别为CCD摄像机检测模块、传感器模块、图像采集模块及图像与数据处理模块。

2.1CCD摄像机检测模块。该装置将2个CCD摄像机安装在钢轨两侧上方约35°方向的位置,将钢轨两侧面图像经过镜头聚焦至CCD芯片上,其会根据光的强弱积累相应比例的电荷,各像素积累的电荷在视频时序的控制下,逐点外移,经滤波、放大处理后,输出视频信号。视频信号连接到监视器的输入端,可观看拍摄到的视频图像。图像采集卡将收集到的电信号转换成相应的数字信号,并发送至图像与数据处理模块,其根据目标的形状特点确定并分析图像处理方案,与标准钢轨相关参数进行对比后得出钢轨磨损值,以判断出具体的钢轨磨损形式。CCD摄像机检测参数原理图如图11所示。

2.2传感器模块。该装置将激光位移传感器安装在钢轨正上方位置,与振动位移传感器共同检测钢轨表面磨损,该激光位移传感器通过发射激光到钢轨表面进行测距,同时随车体移动并通过测量钢轨上点的二维坐标,得到物体表面形貌,并将检测的数值实时传送至数据处理系统,从而得出钢轨磨损值。当车体发生振动时,激光位移传感器测量的数据会出现不稳定的情况,因此振动位移传感器可检测车体振动位移的具体数值。两种数据相互补偿,并实时传送至图像与数据处理模块,将两种数据综合得出最终数据,并对比标准钢轨的相关参数,计算出所测钢轨的磨损值。

2.3图像采集与数据处理模块。图像采集卡(又称图像捕捉卡),是一种可获取数字化视频图像信息并可存储和输出的主要设备,图像采集卡以随机直接内存映射存取方式为主,允许主机随时访问,具有速度快、编程方便等优点。在该装置中的作用主要是转换CCD输出信号并将其传送到数据处理模块进行图像处理。图像与数据处理部分主要由一台电脑、图像处理显示器、存储器等硬件组成。当接收到振动位移传感器、激光位移传感器和CCD摄像机实时发送的信息后,会将检测出的数据与标准钢轨等相关数据对比后得到钢轨磨损程度。图像与数据处理流程如图12所示。

2.4钢轨磨损检测原理。钢轨侧面磨损检测、钢轨波浪形磨损检测使用的是同一检测方法,当检测车运行时,该装置利用CCD模块、传感器模块、图像采集和数据处理模块相互协同作用,将所采集到的数据经过一系列的滤波、放大处理后,形成视频信号输出。数据处理模块可根据钢轨磨损位置及磨损值模拟出图像,并对比数据库中的磨损形式判断钢轨的磨损形式、位置和磨损量。钢轨磨损检测状态图如图13所示。

3结语

通过查阅相关资料,简要概括了现阶段国内所使用的钢轨磨损检测装置,提出了现阶段该技术存在的不足,并在此基础上加以完善。基于CCD摄像机检测模块、传感器模块检测技术,设计出利用各种传感器等组成的钢轨磨损检测装置,并利用图像采集和数据处理模块对钢轨磨损进行数据处理分析,且增加了一些如在不同光照强度和不同速度工况下对钢轨进行检测的功能。该装置结构主要按照现阶段铁路车辆的要求、铁路工务段所需要检修的钢轨进行规划,可以保证完成日常检测任务。

作者:赵紫莹 王泽远 王菁 温锦中 魏晓姮 单位:华东交通大学机电与车辆工程学院