(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620)

0 引言

鋼軌波浪形磨耗(以下簡稱波磨)是指鐵路鋼軌在經(jīng)過車體多次通過后，鋼軌軌面出現(xiàn)形似波浪且具有一定規(guī)律的磨損現(xiàn)象。磨損長度(波長)主要集中在50～200 mm，最大磨損深度(波深)達到了1.37 mm[1]。隨著我國鐵路里程和車輛運行時速的不斷增加，波磨現(xiàn)象越來越多。經(jīng)過國內(nèi)外研究顯示對鋼軌波磨早期的預(yù)防和打磨等處理，可以很大程度上降低鋼軌進一步的磨損以及對車體的損害。

目前國內(nèi)外大多波磨檢測儀器測量方式可分為接觸式測量和非接觸式測量[2]。機械式鋼軌磨損測量儀有：英國道比研究中心的鋼軌斷面測量儀，使用測量探頭直接接觸鋼軌表面得到磨損數(shù)據(jù)；德國VOGE公司研發(fā)的SKM1軌頭磨耗檢測裝置，該設(shè)備借助探針對鋼軌表面進行掃描并將探針軌跡繪制在圖紙上[3]。非接觸式測量有：奧地利格拉茲公司研制的手持電子測量儀，通過鋼軌上方傳感器掃描鋼軌得到鋼軌表面磨耗數(shù)據(jù)；瑞士ELAG ELECTRONIC AG公司研制的激光便攜軌道檢測儀[4]。

為了精確快速獲得鋼軌波磨數(shù)據(jù)，研制了自動化便攜式波磨測量儀，并對上海地鐵二號線部分路段進行了實際測量分析。本研究裝置檢測時放置于鋼軌上，主要采用非接觸式激光測距傳感器進行鋼軌軌面掃描，使用步進電機帶動傳感器循環(huán)掃描軌面。數(shù)據(jù)傳輸使用WIFI建立上位機與下位機的通信，使用C#開發(fā)了相應(yīng)的軟件，對采集數(shù)據(jù)進行分析處理。檢測裝置結(jié)構(gòu)簡單，方便攜帶，可靠性好，自動化程度高，能夠精確反應(yīng)鋼軌波磨實際數(shù)據(jù)。

1 激光測量波磨基本方法與原理

弦測法主要應(yīng)用于高精度檢測，隨著檢測傳感器精度的提高，弦測法更廣泛地應(yīng)用于鋼軌磨損檢測。其原理如圖1所示。將儀器縱向放于鋼軌上，以儀器兩側(cè)的連線作為弦，通過中間傳感器測量弦到鋼軌的距離作為鋼軌磨損測量值。當傳感器測點到儀器兩側(cè)距離相等時(a=b)，則稱之為等弦測量；其間距不等時(a≠b)，稱之為不等弦測量[5]。

本設(shè)備檢測方法為不等弦測量，如圖1所示，設(shè)測量弦長為L，在儀器下方安裝激光位移傳感器。假設(shè)鋼軌的縱向不平順為x(t)，儀器實際測量值為y(t)，則x(t)和y(t)之間的關(guān)系可表達為:

圖1 弦測法測量原理圖

(1)

式(1)中，t是傳感器在檢測儀器上運行的距離。

將式(1)中實際值與測量值關(guān)系式進行傅里葉變換，得：

Y(Ω)=H(Ω)·X(Ω)=(1-COS(πL/λ)·X(Ω))

(2)

式(2)中，H(Ω)是頻率傳遞函數(shù)，Ω是空間角頻率，λ是鋼軌波磨的實際長度，L是基于弦測法的檢測儀器弦長。

波磨評估方法對樣本取均方根，均方根(RMS)常用于大樣本采樣數(shù)據(jù)處理，也被稱為樣本有效值，目前在鋼軌表面磨耗評價中大量應(yīng)用。由于一定長度內(nèi)采集到的鋼軌波磨數(shù)據(jù)樣本過大，對樣本取均方根處理后可以更精確地反應(yīng)該區(qū)段內(nèi)鋼軌波磨的實際磨損程度。設(shè)采樣點i=1,2,3...n，各樣本點所對應(yīng)的波磨縱向磨耗為x1,x2,x3...xn，則可通過式1計算出該區(qū)段鋼軌磨耗程度XRMS。

(3)

通過式(3)算出鋼軌磨耗程度XRMS，將其與ISO-3095: 2005 C(E)標準中規(guī)定的鋼軌軌面理想平整度標準值比較，可得出該區(qū)段鋼軌的實際磨耗嚴重程度。這種鋼軌磨耗評價方法目前主要應(yīng)用于基于弦測法的鋼軌波磨檢測儀器上，對檢測儀器的傳感器精度要求比較高。

設(shè)備傳感器精度為10 μm，可測出約一米范圍內(nèi)單條鋼軌波磨曲線，并對波磨數(shù)據(jù)進行分析。圖2為波磨測量設(shè)備原理圖。測量設(shè)備平放于鋼軌之上，縱梁AB需與鋼軌CD保持大致平行，帶有同步輪的同步帶在步進電機的驅(qū)動下帶動傳感器在鋼軌上水平移動，同時編碼器接收水平移動所產(chǎn)生的脈沖將其發(fā)送給單片機采集板，使用增量式編碼器輸出方波脈沖進行空間等距離采樣控制，采樣步長為5 mm。

圖2 波磨測量設(shè)備原理圖

傳感器檢測的波磨數(shù)據(jù)以模擬量的方式輸出，模擬量與采樣距離呈線性比例關(guān)系，如圖3所示，通過單片機讀取傳感器采集數(shù)據(jù)。

圖3 模擬量與采樣距離線性關(guān)系

為了將上述測量方法應(yīng)用于實際測量，研制了圖4所示的波磨測量設(shè)備(專利號：ZL 2017 2 1425380.9)。設(shè)備主體由縱梁組成，還包括滑動桿、定位腳改、限位釘、滑塊，滑動桿固定在左右側(cè)架之間，滑塊用于安放編碼器和傳感器；定位腳改固定在左右側(cè)架之上，限位釘位于定位腳改的螺孔之中，用于固定檢測裝置和改變位置；還包括采集板，計算機等組成[6]。

圖4 波磨測量儀機械結(jié)構(gòu)圖

裝置使用前需調(diào)節(jié)限位釘位置，使傳感器激光束對準鋼軌中央，并將設(shè)備固定于鋼軌上，防止儀器采集過程中，意外的觸碰導(dǎo)致設(shè)備晃動從而產(chǎn)生誤差；然后將放置傳感器的滑塊推到一端，按下啟動按鈕，傳感器在步進電機帶動下勻速移動。為避免傳感器重復(fù)測量，使用編碼器輸出脈沖作為控制信號，達到傳感器移動與數(shù)據(jù)采集同步的效果。鋼軌波磨數(shù)據(jù)通過單片機采集板發(fā)送到上位機，由軟件系統(tǒng)將磨損數(shù)據(jù)生成波磨曲線圖。

2 波磨檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

本設(shè)備采用以STM32C8T6為芯片的采集板，采集板上嵌入WIFI芯片與上位機進行數(shù)據(jù)傳輸。對傳感器模擬量進行采集，其中步進電機驅(qū)動脈沖由單片機定時器T1的pwm波提供脈沖輸出，同時為了提高檢測速度和步數(shù)的精度，單片機定時器T3對編碼器輸出脈沖進行捕獲來控制定時器T1的脈沖輸出，保證設(shè)備的同步等間距采樣。圖5是硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖5 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

如果步進電機運行時以TL轉(zhuǎn)矩帶動負載，啟動頻率為f2，則步進電機的啟動頻率必須小于步進電機正常運轉(zhuǎn)時的頻率f2，如圖6所示，再將啟動時的低頻f1通過增加步進脈沖頻率的方式加速到正常運行時的頻率f2，由于步進電機的負載轉(zhuǎn)矩在正常運行時維持不變，其電磁轉(zhuǎn)矩降低。

因此正常運行轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩TM-TL之差減小，步進電機從啟動到正常運行期間的加速由TM-TL決定。在步進電機進入穩(wěn)定運行之后，其轉(zhuǎn)矩需要保持在啟動轉(zhuǎn)矩和失步轉(zhuǎn)矩之間，即f1

圖6 加速特性

步進電機在正常運行時，維持最大轉(zhuǎn)矩運行一定時間，之后以停機頻率f2減速直到步進電機停轉(zhuǎn)。若在步進電機啟動加速過程中，轉(zhuǎn)矩和速度呈線性關(guān)系，形成梯形加速曲線；若步進電機轉(zhuǎn)矩和其轉(zhuǎn)軸運行速度關(guān)系呈S型曲線，則形成S型加速曲線。同理，步進電機在減速時與加速過程相同。梯形與X軸所包圍的面積等于步進電機走的總步數(shù)。

若步進電機步距角設(shè)為θs，步進電機啟動時的加速時間設(shè)為t0，Ta是加速時的負載轉(zhuǎn)矩:

(4)

T=SF(Ta+TL)

(5)

式(4)和(5)中，SF是步進電機正常運行時的安全系數(shù)，一般在1.3～2之間，通過式(4)和(5)可計算出步進電機在額定工作狀態(tài)下所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩T。本設(shè)備所需的動態(tài)拉力約在8 N，選擇35HB27型電機，扭矩為10 N/cm，滿足設(shè)備所需要的動態(tài)拉力。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸方式

激光傳感器采集鋼軌磨損數(shù)據(jù)以模擬量輸出到單片機，再由ADC采集發(fā)送到WIFI芯片。WIFI與上位機的通訊使用透傳模式，芯片使用ESP8266，在通信之前使用ESP8266的AT指令集對檢測儀器進行相關(guān)配置，使單片機與上位機進入可通信狀態(tài)，使用AT+CWMODE=1指令進入STATION模式連接WIFI；并通過TCPIP通信將數(shù)據(jù)通過WIFI發(fā)送到上位機。

在WIFI到上位機的連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸過程中使用循環(huán)緩沖區(qū)即隊列FIFO，遵循先入先出的數(shù)據(jù)進出方式。將WIFI發(fā)送到上位機的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，同時將緩沖區(qū)已存入的數(shù)據(jù)取出進行處理，循環(huán)緩沖區(qū)的工作方式如圖7所示。從緩沖區(qū)頭部輸入數(shù)據(jù)，到達緩沖區(qū)尾部時，新數(shù)據(jù)從頭部再輸入到緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中的一個位置以塊的形式輸出，而頭部輸入的數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)的另一個位置開始存放。這樣，當數(shù)據(jù)輸入速度與數(shù)據(jù)輸出速度相等時，未讀取的數(shù)據(jù)就不會被新數(shù)據(jù)覆蓋。當連續(xù)快速采集數(shù)據(jù)時，循環(huán)緩沖區(qū)的使用使得數(shù)據(jù)不會在傳輸過程中丟失[8]。

圖7 循環(huán)緩沖區(qū)工作方式圖

由于傳感器采集速度較快，會對單個點重復(fù)測量，為提高數(shù)據(jù)精度。因此，在程序中使用TRIMMEAN函數(shù)對ADC每次采集到的7個數(shù)據(jù)進行去最大值和最小值取平均值的處理方法。

2.3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)使用visualsudio作為開發(fā)環(huán)境，進行C#窗體應(yīng)用軟件開發(fā)。軟件系統(tǒng)主要由波磨數(shù)據(jù)采集、波磨數(shù)據(jù)處理和波磨曲線圖顯示子系統(tǒng)三大部分組成[9]。數(shù)據(jù)采集模塊通過激光傳感器進行數(shù)據(jù)實時采集，通過單片機WiFi通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)后，經(jīng)過算法處理，顯示鋼軌波磨數(shù)據(jù)，并在顯示界面顯示磨損曲線圖，采集到的數(shù)據(jù)可存儲到電腦指定位置。

測量顯示子系統(tǒng)給用戶提供了一個測量和管理文件的人際交互界面，將波峰、波谷、峰峰值、峰峰距等數(shù)據(jù)向用戶展示，可進行平滑濾波和帶通濾波，并且支持用戶對數(shù)據(jù)的計算和分析。該操作界面十分友好，提供豐富的操作菜單、視圖信息、標定操作和波磨評估分析。圖8為測量界面。

圖8 軟件測量界面

軟件編程方法主要流程：首先創(chuàng)建一個winform窗體用于PC端和下位機的tcpip通信，再創(chuàng)建一個winform窗體用于生成波磨曲線圖，在tabcontrol控件中存放各個功能界面，實現(xiàn)新建測量以及對歷史數(shù)據(jù)的查看、數(shù)據(jù)測量、波磨評估、設(shè)備標定等功能。通過tcpip通信發(fā)送采集指令給下位機并獲取采集到的波磨數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)顯示在winform界面，采用相應(yīng)的算法對數(shù)據(jù)進行處理，得到波磨數(shù)據(jù)的各項指標，最終實現(xiàn)對波磨數(shù)據(jù)的檢測與評估。圖9是軟件實現(xiàn)流程圖。

圖9 軟件實現(xiàn)流程圖

3 波磨的測量與分析

對上海虹橋站至徐涇東區(qū)間進行車廂振動測試，車輛在上海虹橋站駛出后40～55 s區(qū)間內(nèi)振動和噪聲較大，并在48 s左右出現(xiàn)了輪軌刺耳嘯叫聲，此時的振動幅度也較大。圖10為振動全局頻譜分析，可見振動的主要頻率成分布在100～300 Hz左右。其中車廂振動和噪聲較大區(qū)域的振動頻率為100～200 Hz，即第一個峰值附近。出現(xiàn)輪軌刺耳嘯叫區(qū)域的振動頻率大約為300 Hz，即第2個峰值附近。

圖10 上海虹橋站至徐涇東區(qū)間車廂振動全局頻譜分析

對打磨現(xiàn)場情況進行了打磨前的查看和測量，發(fā)現(xiàn)曲線外軌有波磨，波深約0.2 mm，波長約50～70 mm。如圖11所示。從動力學(xué)角度來說，當列車經(jīng)過大波深和繁忙路段時，列車會對自身車體和軌道產(chǎn)生很大的沖擊能量。這種沖擊時間越久對鐵路列車系統(tǒng)損傷越嚴重。

圖11 上海虹橋站至徐涇東區(qū)間嘯叫噪聲局部波形

將濾波結(jié)果與標準波磨損檢測譜進行比較，得到各頻帶的個數(shù)和百分比如表1所示。由表1可知，在30～1 000 mm波段中，100 mm波段的波磨損值最高，因此該波段磨削波的主要波長為30～100 mm。

表1 每個頻帶內(nèi)超限數(shù)量和百分比

利用Matlab將檢測數(shù)據(jù)與標準值比較得到6個不同檢測弦長下波磨的曲線圖，如圖12所示。

圖12 不同弦長下檢測數(shù)據(jù)和構(gòu)造波磨軌道數(shù)據(jù)對比圖

由圖10可知，由于弦測法的傳遞函數(shù)不恒等于1的原因，根據(jù)實際波磨數(shù)據(jù)所模擬得到的檢測數(shù)據(jù)曲線圖和所構(gòu)造的鋼軌磨耗數(shù)據(jù)有相應(yīng)的差距。為了比較不同檢測弦長下實際波磨檢測數(shù)據(jù)和構(gòu)造的波磨數(shù)據(jù)之間的區(qū)別。取出實際波磨檢測數(shù)據(jù)和構(gòu)造的波磨數(shù)據(jù)的誤差最大值max和平均值α以及標準值σ對檢測儀器在不同檢測弦長下衡量，如表2所示。

表2 不同檢測弦長下實際檢測值和模擬值誤差表

由表分析可知在檢測弦長等于350 mm時實際檢測值和模擬值的各項誤差均為最小值，因此當L=350 mm時檢測儀器精度最高。

檢測裝置精度為10 μm，為便于分析將測量結(jié)果精確到小數(shù)點后兩位。鋼軌波磨檢測首先要對波磨進行標定，通過弦測法使用激光傳感器獲取波磨測量值，再將標定值與測量值進行比較得出實際鋼軌磨損值。圖13顯示的是1 000 mm測量范圍內(nèi)鋼軌波磨曲線圖，通過測量軟件可獲取波磨的波峰、波谷等數(shù)據(jù)。

圖13 測量波磨曲線圖(MAX：0.04 mm)

通過查閱文獻得知，當鋼軌波磨超出鋼軌輕傷標準規(guī)定的波深0.5 mm 后，應(yīng)及時對此路段鋼軌進行打磨處理。進行鋼軌打磨后，鋼軌表面不平整度應(yīng)小于0.2 mm。鋼軌維護人員將檢測裝置軟件系統(tǒng)檢測結(jié)果與建議值比較，從而為鋼軌后續(xù)打磨提供數(shù)據(jù)支持[10]。

4 結(jié)論

本文在研究分析波磨測量方法與原理的基礎(chǔ)之上，設(shè)計研發(fā)了激光式波磨自動檢測裝置，實現(xiàn)了鋼軌波磨的精確自動化測量，非接觸式的測量設(shè)計有效避免了接觸式測量所固有的缺陷，為鋼軌維護提供了必要的測量方法和數(shù)據(jù)支持，而且極大地提高了鋼軌檢測和維護的效率。檢測裝置體積小，重量輕，適用于各種復(fù)雜的檢測現(xiàn)場，實現(xiàn)了對波磨集中路段的及時測量，節(jié)省了大量人力和物力。