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1、第33 卷，增刊 2012 年8 月 中 国铁道 科学 V 0 1 3 3 S u p p l e m e n t C H I N AR A I L W A YS C I E N C E A u g u s t ，2 0 1 2 文章编号：l O O l 一4 6 3 2 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 1 1 7 0 5 钢轨几何尺寸自动测量系统研究 王旺华1 ，毛庆洲2 ，熊智敏2 ( 1 武汉铁路局武汉工务大修段，湖北武汉4 3 0 0 5 0 ； 2 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北武汉4 3 0 0 7 9 ) 摘要：在不改变现有钢轨焊接工艺的条件下，研究采用非接触式
2、测量方法的钢轨几何参数在线自动测量 系统。该系统主要由传感器集成控制单元、测量单元以及数据处理与管理单元组成；采用激光三角测量法、三 点等弦弦测法和共面法以及1 6 个相同型号的激光测距传感器，分别完成对钢轨断谣几何尺寸、钢轨平直度和扭 睦度的测量；采用限幅滤波法消除由钢轨表面因素引起的测量误差，采用中值数绝对偏差的决策滤波算法消除 由钢轨运动过程中跳动引起的测量误差。重复性试验和对比试验的结果表明，在采用基恩士I L 一0 6 5 型激光位 移传感器且采集频率为2k H z 、钢轨运动速度不超过1 5m s 叫的情况下，该系统的动态测量精度可达0 2 m m ，能够满足生产实际的需求。 关键
3、词：钢轨；在线测量；几何尺寸；平直度；扭曲度 中图分类号：U 2 1 3 4 ：U 2 1 6 3文献标识码：B d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 6 3 2 2 0 1 2 S 1 2 0 钢轨作为列车运行最直接的工作元件，其平直 度将影响列车的平稳性、旅客的舒适性和运行的安 全陛。无缝钢轨是由许多根标准长度的钢轨焊接而 成，由于其焊缝接头处的平直度将会直接影响整个 轨道的平直度，并且钢轨的外观几何尺寸，特别是 钢轨端部的轨顶宽度、轨底宽度、轨高、平直度和 扭曲度等参数，是影响焊接后钢轨平直度的重要因 素，所以控制焊接前钢轨外观几何尺寸对提高无缝
4、钢轨的质量至关重要。 目前，我国铁路部门现有无缝钢轨焊接生产线 上，主要采用的外观尺寸测量与检测方法是机械式 接触测量方法 1 。机械式接触测量方法工作面的选 取对测量结果影响较大，存在测量速度慢、测量效 率低、人为因素影响较大而且不便于存档等不足。 针对传统机械式接触测量方法的不足，1 9 9 4 年研 制的绘图式钢轨断面测绘仪采用高精度加工的传动 部件和高精微轴承，测量精度较高，但是该方法需 要在钢轨静态情况下进行人工测量。文献E 2 - 1 提 出的手推式钢轨磨耗自动测量系统能够自动检测钢 轨外形尺寸，具有体积小、重量轻、精度高( 0 5 r a m ) 、实时处理、操作方便等特点，工作
5、效率相 对于人工测量有明显提高，但是由于该系统无法完 全实现自动化，其采用的人工手推的工作方式造成 工作效率仍然较低，无法满足高效率的测量需求。 本研究提出的在不改变现有钢轨焊接工艺的条件 下，采用非接触式测量方法进行钢轨几何尺寸在线 测量的技术，对提高钢轨焊前外观尺寸测量的效率 和精度、钢轨焊接的品质和无缝钢轨线路的平直 度，以及满足焊轨基地信息化管理的需求，具有重 要意义。 1 钢轨几何尺寸自动测量系统的结构 钢轨几何尺寸自动测量系统主要由多传感器集 成控制单元、测量单元以及数据处理与管理信息单 元组成。其中，多传感器集成控制单元控制多个传 感器的协同工作，并对各个传感器信号进行预处 理；
6、测量单元包括3 个子单元。分另! l 完成钢轨断面 几何尺寸测量、钢轨平直度测量和钢轨扭曲度测量 功能；数据处理与管理信息单元负责完成传感器数 据的采集、处理、显示、存档及上传等任务。系统 总体结构如图1 所示。L 、 收稿日期：2 0 1 2 0 1 3 0 ；修订日期：2 0 1 2 0 4 2 5 基金项目：湖北省自然科学基金资助项目( 2 0 1 0 C D B 0 8 4 0 7 ) ；武汉市青年科技晨光计划项目( 2 0 1 1 5 0 4 3 1 1 0 3 ) 作者简介：王旺华( 1 9 6 3 一) ，男，湖北蕲春人，工程师。 万方数据 1 1 8中国铁道科学 第3 3 卷
7、多传感器集成控制单元 测量单元 l 断面尺寸测量ll 平直度测量I l ( 轨顶竟、轨疑厚度、l( 孰顶面平直度、I 扭曲度测量 轨虔竟、孰高)作用面平直度) 数据处理与管理信息单元 图1钢轨几何尺寸自动测量系统总体构成 2 钢轨几何尺寸自动测量系统的工作 原理 钢轨几何尺寸在线自动测量的主要内容包括： 钢轨断面尺寸( 轨顶宽度W 。、轨腰厚度W z 、轨 底宽度W s 、轨高W 。) 、钢轨平直度( 轨顶面平直 度F ，、作用面平直度F 。) 以及钢轨扭曲度D 的测 量等。测量采用激光三角测量法 3 ，使用1 6 个相 同型号的激光测距传感器R 完成系统中相关距离 量的测量。 2 1 钢轨断
8、面尺寸测量 钢轨断面几何尺寸W 。( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 的测 量由激光测距传感器R i 。和R i z 共同完成，其中R i 。 和R z 均对称安装，如图2 所示。 I 广一 y f 凡。，I 图2 钢轨断面几何尺寸测量原理示意图 激光测距传感器R n 和R t z 之间的距离B i 在测 量开始前可以准确获得，它们与测量表面的距离即 传感器输出值L i 。和L i ：可以直接读出并上传到数据 处理单元，则W 。的计算公式为 W ；一B i 一( L n + L 挖)( 1 ) 2 2 钢轨平直度测量 钢轨平直度 4 是指沿钢轨纵向方向上反映波浪 起伏状况的指标。轨顶面平直度
9、是指轨顶面的平顺 度，采用3 台激光测距传感器R 。，R 4 。和R 4 。测量， R 。，与R t 。之间的距离为2m ，R 。安装在R t ，和R 4 。 的中间位置，并保证3 台传感器在同一条直线上， 测量原理如图3 所示。 图3 钢轨平直度测量原理示意图 由图3 可以看出，R 。，R 。和R 。与水平基准 面( 平直度一0 ) 的距离分别为B 4 ，B 。和B 。， 与测量表面的距离即传感器输出值分别为L 。，L 。 和L 。，采用三点等弦弦测法 5 可得轨顶面平直度 F l 为 F ，一旧。一L 4 3 ) 一堕l 二垃 二些二堂I 厶 ( 2 ) 作用面平直度F 2 采用激光测距传
10、感器R z z ， R z 。和R z 。测量，原理与测量轨顶面平直度F ，相同。 2 3 钢轨扭曲度测量 钢轨扭曲度 6 3 是指钢轨纵向的扭转程度，采用 4 台激光测距传感器R 。，R s 2 ，R 。和R 5 。测量。R 。 与R 5 。，R 5 3 与R 。之间的距离均为2m ；R 5 1 与R 5 3 R 。与R 。之间的距离均为0 1 2m 。测量原理如图4 所示。 图4 钢轨扭曲度测量原理示意图 由图4 可以看出，尺s z 与水平基准面的距离为 钢轨儿何尺寸自动测量系统 固 万方数据 增刊 钢轨几何尺寸自动测量系统研究 B 咖与测量表面的距离即传感器输出值为L 同 理，R mR
11、s ，s 和R s t 与水平基准面的距离分别为 B mB 。和B s 。，与测量表面的距离即传感器输出 值分别为L s 。，L 。和L m 采用共面法原理可得钢 轨扭曲度D 为 D l ( B 5 3 + L 5 3 ) + ( B 5 2 + L 5 2 ) 一( B 5 1 + L 5 1 ) 一( B 5 4 + L 5 4 ) I( 3 ) 3 测量数据的处理 钢轨几何尺寸自动测量系统是在钢轨运动过程 中进行在线测量的，并实时采集、计算和显示当前 位置的钢轨测量数据，然而由于在钢轨表面存在锈 蚀和起皮现象，以及钢轨在轧制过程中出现的局部 不平整等因素会造成测量结果产生粗大误差，因此
12、必须自动对测量数据进行滤波，以提高测量数据的 精度与可靠性。 钢轨几何尺寸自动测量系统测量误差的来源主 要包括2 个方面：一方面是钢轨表面因素引起的偶 然误差，另一方面是钢轨运动过程中的跳动引起的 误差。对于外部环境因素引起的偶然误差，采用限 幅滤波法，通过程序判断之前N 次采集数据的变 化幅度，从而消除粗大误差，N 的取值受限于钢 轨运动速度、激光测距传感器的采集频率和钢轨伤 损长度等，钢轨几何尺寸自动测量系统实际取值为 N 一5 0 。对于钢轨跳动引起的误差，采用基于中值 数绝对偏差的决策滤波算法对采集数据进行第1 次 误差处理，然后根据建立的钢轨运动过程中断面偏 移补偿模型对钢轨运动偏移
13、引起的误差进行修正。 以激光测距传感器R 4 。的测量数据L 。，为例， 基于中值数绝对偏差的决策滤波算法原理如下。 ( 1 ) 建立移动数据窗口： L 4 1 一 L 4 1 0 ，L 4 1 1 ，L 4 1 2 ，L 4 l ( ，1 ) ) ( 4 ) 式中：7 r 为移动窗口宽度，即测量次数。 ( 2 ) 用排序法计算出窗口序列的中值z u 。 ( 3 ) 用中值绝对偏差构造一个尺度序列： ( D L 4 1 ) 一 IL 4 1 0 Z L 4 1 ，IL 4 1 1 一Z L 4 ll ， ，IL 4 1 ( 一1 ) 一Z u l1 ) ( 5 ) ( 4 ) 用排序法计算尺度
14、序列的中值D u ，。 ( 5 ) 令中值数绝对偏差 7 为 M A D 一1 4 8 26 D L 4 1( 6 ) ( 6 ) 令q lL 4 l 。一Z u l ( 7 ) 若g 砜( T 为门限参数) ，则k L 4 1 。，否则L 。一Z L 4 1 并标记m 。 使用窗口宽度m 和门限T 这2 个参数调整滤 波算法的特性。窗口宽度m 影响滤波算法的总体 一致性，m 越大，数据窗口的数据越有代表性， 但同时处理时间越长。当钢轨运动较慢，激光测距 传感器采集频率较高时，采集的数据比较密集，m 应取较大的值，避免窗口内数据粗差比例过高。综 合考虑钢轨运动速度、激光测距传感器采集频率和 实
15、时显示对处理速度的要求等因素，钢轨几何尺寸 自动测量系统中窗口宽度m 取值为1 2 8 。门限参数 T 直接决定滤波算法的主动进取程度，T 越大，能 够容忍的误差越大，精度越低；T 过小又会导致误 判，考虑到钢轨几何尺寸自动测量系统的测量精度 需求和数据的正确性，T 在( 0 6 7 2 ，0 6 7 7 ) 内 取值。 4 试验验证 为验证钢轨几何尺寸自动测量系统的测量精 度，进行重复性试验和对比试验。重复性试验选用 基恩士I L 一0 6 5 型激光位移传感器，在5 5 0 5 m m 范围内其测距精度可以达到4 肚m ；对比试验 时人工测量采用千分尺，精度可以达到0 0 2m m 。 试
16、验中，钢轨运动速度最大为1 5m S ，激光 测距传感器采集数据频率为2k H z 。 4 1 重复性试验 重复性试验是为了验证钢轨几何尺寸自动测量 系统的重复测量精度，即对同一测量对象进行多次 重复测量，验证测量结果的一致性。具体操作步骤 是对同一根钢轨同一被测部位进行重复测量1 0 次， 记录测量值，根据测量结果评价系统重复测量精 度。重复性试验数据见表1 。 4 2 对比试验 对比试验是为了验证钢轨几何展寸自动测量系 统的准确度，即对同一测量对象既进行自动测量又 进行人工测量，验证测量结果的准确度。具体操作 步骤是在同一根钢轨上，对间隔1 5m 的1 0 个被 测部位用石笔做好标记，先采
17、用钢轨几何尺寸自动 测量系统进行测量，然后在每个被测部位用量具进 行人工测量，记录自动测量与人工测量的数据。对 比试验数据见表2 。 万方数据 1 2 0中国铁道科学 第3 3 卷 表1 重复性试验测量数据表 r l - l n l 表2自动测量与人工测量数据误差表H 姐 4 3 试验分析 由表1 可知，同一测量项目中，1 0 组重复性 测量数据之间偏移都在0 1 0m m 以内( 以W 。的 测量值为例，最大7 2 9 2m m ，最小7 2 8 9H i m ， 最大偏移为0 0 3m m ) ，标准差小于0 2 0m m ，表 明测量系统的稳定性、重复性和可靠性非常好。由 表2 可知，自
18、动测量和人工测量值对比，误差主要 分布为( - - 0 2 0m m ，0 2 0r a m ) ，( 因为游标卡尺 只能卡住钢轨头部的轨腰进行测量，向下无法进 行，所以轨腰的手工测量对比只测了钢轨头部一 处) ，标准差均小于0 1 5m m ，绝对差值( 测量值 与真值的误差范围) 优于+ 0 2 0m m ，满足T B T 2 3 4 4 2 0 0 3 标准中4 3 - - 7 5k g m - 1 热轧钢轨订货 技术条件规定的型式尺寸及允许偏差的要求( 其具 体要求为垂直方向4 0 5m m 3 m ，水平方向4 0 7 r a m 1 5m ，全长扭转全长的1 1 00 0 0 )
19、。 5 结语 本文介绍了钢轨几何尺寸自动测量技术，可以 全面在线测量和检测整个钢轨的断面尺寸、平直度 和扭曲度，整个测量过程实现全自动化，测量精度 达到- + - 0 2m m ，可以替代传统的人工测量方法。 该系统自2 0 1 1 年5 月在武汉铁路局武汉工务大修 段武南焊轨基地进行试运行，期间运行情况良好， 各项技术指标满足了实际生产的需要，极大地减少 了人为测量误差，降低了作业人贾劳动强度r ，对燥 轨基地工作效率提升显著，具有推广应用价值。 钢轨几何尺寸在线测量技术主要完成钢轨几何 尺寸的测量，但是针对钢轨缺陷检测还需要进一步 研究，以最终实现钢轨焊前外观几何尺寸测量和缺 陷检测的全盘
20、自动化。 万方数据 增刊 钢轨几何尺寸自动测量系统研究 1 2 1 1 2 3 4 5 6 7 参考文献 盂佳，高晓蓉钢轨磨耗检测技术的现状与发展 J 铁道技术监督，2 0 0 5 ( 1 ) ：3 4 3 6 于莉，王黎，高晓蓉，等手推式钢轨外形几何尺寸测量系统 刀光电工程，2 0 0 5 ，3 2 ( 1 2 ) ：9 4 9 6 ( Y UL i ，W A N GL i ，G A OX i a o r o n g ，e ta 1 D e v e l o p m e n to fT r o l l e yf o rR a i lP r o f i l eM e a s u r e m e
21、n t J O p t o - E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ，2 0 0 5 ，3 2 ( 1 2 ) ：9 4 9 6 i nC h i n e s e ) 蒋本和，靳文瑞，纪淑波车载式钢轨磨耗近红外动态测量装置原理 J 激光与红外，2 0 0 4 ，3 2 ( 4 ) ：9 1 - 9 3 ( J I A N GB e n h e ，J I NW e n r u i ，J IS h u b o T h eP r i n c i p l eo fL o c o m o t i v eD e v i c eo fR a i lA b r
22、a s i o nN e a rI n f r a r e dD y n a m i c D e t e c t i o n J L a s e r 高晓蓉 钢轨磨耗检测技术的现状与发展期刊论文-铁道技术监督 2005(01) 2.于莉;王黎;高晓蓉 手推式钢轨外形几何尺寸测量系统期刊论文-光电工程 2005(12) 3.蒋本和;靳文瑞;纪淑波 车载式钢轨磨耗近红外动态测量装置原理期刊论文-激光与红外 2004(04) 4.祁宝金 钢轨平直度测量仪的研制期刊论文-测量技术 2006(08) 5.李真花 钢轨断面高精度动态检测系统设计学位论文 2008 6.沙克强 钢轨扭转变形的检测方法期刊论文-铁道技术监督 1999(06) 7.HAMPEL F R The Influence Curve and Its Role in Robust Estimation 1974(346) 本文链接：