CN101913367A - 铁路车轮踏面擦伤图像动态探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路车轮踏面擦伤图像动态探测装置，属于对铁路机车(车辆)车轮踏面进行检测的机械检测设备结构的技术领域。包括设置复数个内置摄像机的擦伤探测摄像机箱，利用车轮定位***，图像采集***，控制电路，通过工控机对固定设置的摄像机拍摄的轮对图像对轮对安全状态进行探测，该装置可用于铁路正线通过车辆的轮对检测、动车组入库时的轮对检测和机车入库时的轮对检测，能够动态测量正常运行列车轮对踏面的故障状态，包括擦伤、剥离、碾堆等车轮故障，使检修工人能够及时处理列车车轮故障，保证列车安全运行。

Description

铁路车轮踏面擦伤图像动态探测装置

技术领域

本发明涉及一种铁路车轮踏面擦伤图像动态探测装置，属于机械设备检测装置结构的技术领域，具体说属于对铁路机车(车辆)车轮踏面进行检测的机械检测设备结构的技术领域。

背景技术

在铁路运用中，走行部分尤其是轮对运行状态对列车安全具有重要作用。对安全产生重要作用的轮对参数包括：轮缘磨耗、圆周磨耗、踏面擦伤等。当车轮踏面出现擦伤、剥离和碾堆等故障时，在列车运行过程中会对钢轨产生额外的冲击力，使钢轨寿命降低，严重时还可造成裂纹和断裂。在打击钢轨的同时擦伤故障还给车辆本身带来冲击，产生震动，对车辆轴承产生破坏作用。

目前，我国铁路轮对的动态检测还停留在手工阶段，操作条件差、劳动强度大、劳动效率低。而且车辆检修实行计划检修，运行车辆的车轮参数变化状况和突发故障如擦伤等不易及时发现，且人工检查工作量大，易发生漏检。

现有轮对自动测量设备，一般为静态检测设备，检测时需要将轮对从机车车辆的转向架上分解下来，该类设备一般在铁路机车车辆入库检修时使用。在线轮对动态测量设备在国内外也有应用，其对擦伤进行探测的主要方式是采用振动传感器测量的方式，由于振动力的大小和列车运行速度和载重以及传感器的安装位置相关，该方式难以定量检测擦伤故障，同时也无法判断故障类型。

发明内容

本发明铁路车轮踏面擦伤图像动态探测装置提供了一种安装在铁路线路上的安全检测***。该设备可用于铁路正线通过车辆的轮对检测、动车组入库时的轮对检测和机车入库时的轮对检测，以实现能够动态测量正常运行列车轮对踏面的故障状态，包括擦伤、剥离、碾堆等车轮故障，通过图像识别的方式计算擦伤和其它故障的深度面积，对轮对安全状态进行预报，使检修工人能够及时处理列车车轮故障，保证列车安全运行的目的。

为达到上述目的本发明的技术方案是：

一种铁路车轮踏面擦伤图像动态探测装置，包括

十二套擦伤探测摄像机箱，该擦伤探测摄像机箱分别安装位于两钢轨外侧位置，分前、后轮擦伤探测摄像机箱和左、右轮擦伤探测摄像机箱；前轮擦伤探测摄像机箱正对来车方向，两钢轨外侧各安装三个擦伤探测摄像机箱，共六个擦伤探测摄像机箱；后轮擦伤探测摄像机箱背对来车方向，两钢轨外侧各安装三个擦伤探测摄像机箱，共六个擦伤探测摄像机箱；

十二套辅助照明光源箱，该辅助照明光源箱分别安装位于两钢轨外侧位置，分前后轮辅助照明光源箱和左右轮辅助照明光源箱；前轮辅助照明光源箱正对来车方向，两钢轨外侧各安装三个辅助照明光源箱；后轮辅助照明光源箱背对来车方向，两钢轨外侧各安装三个辅助照明光源箱；

一车轮定位***；图像采集***；图像采集和识别软件；控制电路；工控机；该擦伤探测摄像机箱、辅助照明光源箱和车轮定位***分别通过电缆和控制电路与所述的工控机硬件连接；该图像采集***与所述的控制电路硬件连接，该图像采集和识别软件预装在该工控机内存装置中。

该擦伤探测摄像机箱包括呈封闭状的机壳，摄像机及安装座、旋转电磁铁开门机构设置于该机壳内部，安装卡具设置于该机壳外部并与钢轨固定连接。

该擦伤探测摄像机箱内的摄像机以摄像机光轴和摄像机焦点为准，距钢轨内侧距离为200～500mm，低于轨平面100～300mm，光轴与钢轨平面成15～35度角仰拍，采用8～16mm镜头，拍摄距离为2800～2000mm范围。

该擦伤探测摄像机箱分布在钢轨两侧，每三个为一组，沿钢轨方向形成左前、右前、左后、右后四组，形成每组拍摄一个车轮，左前、右前拍摄车辆转向架前轮踏面，左后、右后拍摄车辆转向架后轮踏面，每台摄像机拍摄两幅图像，每个车轮共拍摄六幅照片的结构，每组擦伤探测摄像机箱内呈均匀分布且两两相距700～1000mm。

该辅助照明光源箱由照明灯、开关门机构、机箱组成，所述照明灯采用卤素灯或高亮LED灯；每个辅助照明光源箱对应一个擦伤探测摄像机箱且设置于该擦伤探测摄像机箱外侧，每组辅助照明光源箱内均匀分布且两两相距700～1000mm；照明光源照射方向与摄像机光轴成20～45度角，辅助照明光源箱距轨500～1200mm。

该车轮定位***由设置于同一根钢轨内侧的三套车轮信号传感器及传感器信号接收电路组成；所述车轮信号传感器分别通过传感器信号接收电路与所述的控制电路硬件相连，该第一车轮信号传感器与第二车轮信号传感器相距3050米，该第二车轮信号传感器与第三车轮信号传感器相距3米±1米；该第二车轮信号传感器与擦伤探测摄像机箱相距2660毫米±500毫米，同时与辅助照明光源箱相距960毫米±300毫米；该第三车轮信号传感器与擦伤探测摄像机箱相距2660毫米±500毫米，同时与辅助照明光源箱相距960毫米±300毫米。

该图像采集***包括四台装有图像采集卡的图像采集工控机，每台采集工控机分别对应采集到同一个轮位图像的三套擦伤探测摄像机箱并与之硬件连接，每台采集工控机对采集到的图像进行图像识别运算并通过控制电路输出。

采用本发明的技术方案由于铁路车轮踏面擦伤图像动态探测装置是一套安装在铁路线路上的安全检测***，该***通过车轮定位***定位、擦伤探测摄像机箱拍摄、拍摄正常行驶的轮对图像数据通过图像采集***和图像采集和识别软件处理。采用摄像机拍摄踏面图像通过图像识别，计算踏面擦伤、剥离掉块等情况，精确测定踏面擦伤深度，能够满足测量精度要求，相对于振动等其他测量的方式来说，由于振动力的大小和列车运行速度和载重以及传感器的安装位置相关，该方式难以定量检测擦伤故障，同时也无法判断故障类型。通过图像测量方式，能够根据故障外部形状和特征判断出故障的类型，包括擦伤、剥离、碾堆等，可实现故障的直观和定量分析。同时，在预报故障时，维修人员可通过故障图像直观判断测量的准确程度，可实现室内故障人工二次确认，极大的提高了预报的准确性，方便工作人员判断和处理故障。提高工作效率。

由于擦伤探测摄像机箱的摄像机安装位置位于钢轨外侧，分前后轮探测箱和左右轮探测箱。前轮探测箱摄像机正对来车方向，左右侧各安装三个探测箱，按车轮轮对面互成120度区域分别拍摄。后轮探测箱摄像机背对来车方向，左右侧各安装三个探测箱，按车轮轮对面互成120度区域分别拍摄。左右探测箱采用对称结构。

该测量装置直接用卡具安装，不用作基础和在轨道上打孔，安装方便，测量精度高，对测量环境要求低，能够满足高速测量的要求。

铁路车轮踏面擦伤图像动态探测装置采用了一体化工业产品设计，安装维护方便，具有良好的互换性。对环境具有良好的适应能力。

附图说明

图1为本发明车辆擦伤探测原理示意图

图2为本发明车辆擦伤探测轨边设备布局示意图

图3为本发明车辆擦伤探测箱内结构示意图

图4为本发明车辆擦伤探测箱轨道上安装示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明应用于车辆在线测量作进一步说明。其它场合如机车和动车测量可参照本实施例进行。

如图1、图2、图3和图4所示铁路车轮踏面擦伤图像动态探测装置，包括

十二套擦伤探测摄像机箱，该擦伤探测摄像机箱分别安装位于两钢轨外侧位置，沿机车运行方向可分前、后轮擦伤探测摄像机箱和左、右轮擦伤探测摄像机箱；前轮左擦伤探测摄像机箱4，5，6和前轮右擦伤探测摄像机箱7，8，9正对来车方向，两钢轨外侧分左右各安装三个擦伤探测摄像机箱，共六个擦伤探测摄像机箱；后轮左擦伤探测摄像机箱10，11，12和后轮右擦伤探测摄像机箱13，14，15背对来车方向，两钢轨外侧分左右各安装三个擦伤探测摄像机箱，共六个擦伤探测摄像机箱；

十二套辅助照明光源箱，该辅助照明光源箱分别安装位于两钢轨外侧位置，分前、后轮辅助照明光源箱和左、右轮辅助照明光源箱；前轮左辅助照明光源箱16，17，18和前轮右辅助照明光源箱19，20，21正对来车方向，两钢轨外侧各安装三个辅助照明光源箱；后轮左辅助照明光源箱22，23，24和后轮右辅助照明光源箱25，26，27背对来车方向，两钢轨外侧各安装三个辅助照明光源箱；

该辅助照明光源箱与擦伤探测摄像机箱错开安装，对于前轮对辅助照明光源箱相对于擦伤探测摄像机箱向后设置，对于后轮对辅助照明光源箱相对于擦伤探测摄像机箱向前设置。

一车轮定位***；图像采集***；图像采集和识别软件；控制电路；工控机；该擦伤探测摄像机箱、辅助照明光源箱和车轮定位***分别通过电缆和控制电路与所述的工控机硬件连接；该图像采集***与所述的控制电路硬件连接，该图像采集和识别软件预装在该工控机内存装置中。

该擦伤探测摄像机箱包括呈封闭状的机壳32，摄像机及安装座30、旋转电磁铁开门机构31设置于该机壳32内部，安装卡具33设置于该机壳32外部并与钢轨29使用卡具直接和钢轨固定。

机箱内安装开关门电机和开关门机构，摄像机及安装座30安装座底部安装减震器，摄像机及安装座30头部安装防护玻璃。开关门电机带动开关门机构，当来车后门自动打开。开关门电机可选用步进电机或转角电机，在开关门位置各安装一个限位开关。

该擦伤探测摄像机箱内的摄像机以摄像机光轴和摄像机焦点为准，距钢轨内侧距离为200～500mm，低于轨平面100～300mm，光轴与钢轨平面成15～35度角仰拍，采用8～16mm镜头，拍摄距离为2800～2000mm范围。

该擦伤探测摄像机箱分布在钢轨两侧，每三个为一组，沿钢轨方向形成左前、右前、左后、右后四组，每组拍摄一个车轮，左前、右前拍摄车辆转向架前轮踏面，左后、右后拍摄车辆转向架后轮踏面，每台摄像机拍摄两幅图像，每个车轮共拍摄六幅照片，每组擦伤探测摄像机箱内呈均匀分布且两两相距700～1000mm。也就是说擦伤探测摄像机箱4，5，6为一组(比如左前组)，彼此相距为700～1000mm，最佳为880毫米；擦伤探测摄像机箱7，8，9为一组(比如右前组)，彼此相距为700～1000mm，最佳为880毫米；擦伤探测摄像机箱10，11，12为一组(比如左后组)，彼此相距为700～1000mm，最佳为880毫米；擦伤探测摄像机箱13，14，15为一组(比如右后组)，彼此相距为700～1000mm，最佳为880毫米；

该辅助照明光源箱16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27由照明灯、开关门机构、机箱组成，所述照明灯采用卤素灯或高亮LED灯；每个辅助照明光源箱对应一个擦伤探测摄像机箱且设置于该擦伤探测摄像机箱外侧，每组辅助照明光源箱内均匀分布且两两相距700～1000mm；照明光源照射方向与摄像机光轴成20～45度角，辅助照明光源箱距轨500～1200mm。实际上辅助照明光源箱因为与擦伤探测摄像机箱对应设置，所以每三个也为一组，可沿钢轨方向形成左前、右前、左后、右后四组，每组供拍摄一个车轮照明，每个对应一个擦伤探测摄像机箱内的摄像机照明；每组辅助照明光源箱内呈均匀分布且两两相距500～1200mm。也就是说辅助照明光源箱16，17，18为一组(比如左前组)，彼此相距为500～1200mm，最佳为880毫米；辅助照明光源箱19，20，21为一组(比如右前组)，彼此相距为500～1200mm，最佳为880毫米；辅助照明光源箱22，23，24为一组(比如左后组)，彼此相距为500～1200mm，最佳为880毫米；辅助照明光源箱25，26，27为一组(比如右后组)，彼此相距为500～1200mm，最佳为880毫米；(图2所示)。

该车轮定位***由设置于同一根钢轨内侧的至少含有一个传感器的车轮信号传感器1、2、3及传感器信号接收电路组成；所述车轮信号传感器分别通过传感器信号接收电路与所述的控制电路硬件相连，该车轮信号传感器1与车轮信号传感器2相距30～50米，该车轮信号传感器2与车轮信号传感器3相距3米±1米；该车轮信号传感器2与擦伤探测摄像机箱10和13相距2660毫米±100毫米，同时与辅助照明光源箱22和25相距960毫米±100毫米；该车轮信号传感器3与擦伤探测摄像机箱4和7相距2660毫米±100毫米，同时与辅助照明光源箱16和19相距960毫米±100毫米。

该图像采集***包括四台装有图像采集卡的图像采集工控机，每台采集工控机分别对应采集到同一个轮位图像的三套擦伤探测摄像机箱并与之硬件连接，每台采集工控机对采集到的图像进行图像识别运算并通过控制电路输出。

根据目前我国货车转向架情况前轮适合在前部拍摄，后轮适合在后部跟踪拍摄。由于车轮圆周长为840mm×3.14＝2637mm，在列车前进方向一侧依次布置三台摄像机，每台摄像机连续拍摄两张画面共拍摄轮对1/3踏面，如图1所示。

图2是车辆擦伤探测轨边设备布局示意图，擦伤探测摄像机箱安装位置位于钢轨外侧，分前后轮探测箱和左右轮探测箱。前轮探测箱摄像机正对来车方向，左右侧各安装三个探测箱，共六个探测箱，顺列车前进方向依次为左前探测箱4、5、6；右前探测箱7、8、9。后轮探测箱摄像机背对来车方向，左右侧各安装三个探测箱，共六个探测箱，顺列车前进方向依次为左后探测箱10、11、12；右后探测箱13、14、15。左右探测箱采用对称结构。

摄像机30安装在摄像机箱32内，机箱密闭，在摄像机镜头处安装防尘防水玻璃，同时由电机31驱动开、关门装置，当拍摄时打开，拍摄完成后关闭，如图3。

擦伤探测摄像机箱内的摄像机30以摄像机光轴和摄像机焦点为准，距钢轨内侧距离为400mm，低于轨平面150mm，光轴与钢轨平面成25度角仰拍，采用12mm镜头，两张图片的拍摄距离为2660mm和2440mm。左前、右前、左后、右后每三台摄像机箱拍摄一个车轮，左前、右前拍摄车辆转向架前轮踏面，左后、右后拍摄车辆转向架后轮踏面，每台摄象机拍摄两幅图象，每个车轮共拍摄六幅照片，每个摄象机箱相距880mm。

擦伤探测摄像机箱安装如图4所示，33为安装卡具，

如图2所示，在每台摄像机位置，布置辅助照明灯箱。辅助照明光源箱由照明灯、开关门机构、机箱等组成，灯光采用普通卤素灯或高亮度LED灯。辅助照明光源箱16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27位置布局如图2所示。

图像采集，采用工控机内设置图像采集卡的方式，一台工控机可同时安装三块图像采集卡，分别采集三台摄像机图像。

镜头采用12mm固定焦距，定光圈镜头。

像机CCD尺寸4.8×6.5mm，采样频率≥60帧/秒，快门速度≥1/10000，数据线1394，采用外触发方式采集图像，图像分辨率≥656×491。

车轮定位***包括三套车轮信号传感器1、2、3(每套车轮信号传感器至少含有一个传感器)和传感器信号接收电路、工控机和摄像机拍摄外触发信号电路等，1号2个传感器用于判断来车，2号2个传感器用于给后轮摄像机定位，3号两个传感器用于给前轮摄像机定位。

传感器和控制电路相连，通过采集传感器信号，计算车轮位置，由控制工控机发出摄像机拍摄外触发信号，通过串口向图像采集工控机传输本次采集图像的(时间)、辆位、轮位和顺位信号，同时通过I/O卡发出外触发命令，图像采集工控机收到命令后，开始采集图像。图像采集工控机首先采集S1图像，之后再依次采集S2、S3图像。按照现有摄像机的选用参数可满足120km/h的车速的图象采集要求，实现高速采集。

本发明是一种能够探测踏面擦伤、剥离、掉块等情况，精确测定踏面擦伤深度的车辆擦伤探测箱。它能够将正常运行车辆轮对踏面擦伤参数，通过数字摄像机，传感器固定和安装盒，保护门开关机构及防护设备等组成的车辆轮对动态检测***。经过计算机分析，对车辆轮对安全状态进行预报。

Claims (7)

1.一种铁路车轮踏面擦伤图像动态探测装置，其特征在于：包括

十二套擦伤探测摄像机箱，该擦伤探测摄像机箱分别安装位于两钢轨外侧位置，分前、后轮擦伤探测摄像机箱和左、右轮擦伤探测摄像机箱；前轮擦伤探测摄像机箱(4)，(5)，(6)和(7)，(8)，(9)正对来车方向，两钢轨外侧各安装三个擦伤探测摄像机箱，共六个擦伤探测摄像机箱；后轮擦伤探测摄像机箱(10)，(11)，(12)和(13)，(14)，(15)背对来车方向，两钢轨外侧各安装三个擦伤探测摄像机箱，共六个擦伤探测摄像机箱；

十二套辅助照明光源箱，该辅助照明光源箱分别安装位于两钢轨外侧位置，分前后轮辅助照明光源箱和左右轮辅助照明光源箱；前轮辅助照明光源箱(16)，(17)，(18)和(19)，(20)，(21)正对来车方向，两钢轨外侧各安装三个辅助照明光源箱；后轮辅助照明光源箱(22)，(23)，(24)和(25)，(26)，(27)背对来车方向，两钢轨外侧各安装三个辅助照明光源箱；

一车轮定位***；图像采集***；图像采集和识别软件；控制电路；工控机；该擦伤探测摄像机箱、辅助照明光源箱和车轮定位***分别通过电缆和控制电路与所述的工控机硬件连接；该图像采集***与所述的控制电路硬件连接，该图像采集和识别软件预装在该工控机内存装置中。

2.如权利要求1所述的铁路车轮踏面擦伤图像动态探测装置，其特征在于该擦伤探测摄像机箱包括呈封闭状的机壳(32)，摄像机及安装座(30)、旋转电磁铁开门机构(31)设置于该机壳(32)内部，安装卡具(33)设置于该机壳(32)外部并与钢轨(29)固定连接。

3.如权利要求2所述的铁路车轮踏面擦伤图像动态探测装置，其特征在于该擦伤探测摄像机箱内的摄像机以摄像机光轴和摄像机焦点为准，距钢轨内侧距离为200～500mm，低于轨平面100～300mm，光轴与钢轨平面成15～35度角仰拍，采用8～16mm镜头，拍摄距离为2800～2000mm范围。

4.如权利要求1所述的铁路车轮踏面擦伤图像动态探测装置，其特征在于该擦伤探测摄像机箱分布在钢轨两侧，每三个为一组，沿钢轨方向形成左前、右前、左后、右后四组，形成每组拍摄一个车轮，左前、右前拍摄车辆转向架前轮踏面，左后、右后拍摄车辆转向架后轮踏面，每台摄像机拍摄两幅图像，每个车轮共拍摄六幅照片的结构，每组擦伤探测摄像机箱内呈均匀分布且两两相距700～1000mm。

5.如权利要求1所述的铁路车轮踏面擦伤图像动态探测装置，其特征在于该辅助照明光源箱(16)、(17)、(18)、(19)、(20)、(21)、(22)、(23)、(24)、(25)、(26)、(27)由照明灯、开关门机构、机箱组成，所述照明灯采用卤素灯或高亮LED灯；每个辅助照明光源箱对应一个擦伤探测摄像机箱且设置于该擦伤探测摄像机箱外侧，每组辅助照明光源箱内均匀分布且两两相距700～1000mm；照明光源照射方向与摄像机光轴成20～45度角，辅助照明光源箱距钢轨500～1200mm。

6.如权利要求1所述的铁路车轮踏面擦伤图像动态探测装置，其特征在于该车轮定位***由设置于同一根钢轨内侧的车轮信号传感器(1)、(2)、(3)及传感器信号接收电路组成；所述车轮信号传感器分别通过传感器信号接收电路与所述的控制电路硬件相连，该车轮信号传感器(1)与车轮信号传感器(2)相距30-50米，该车轮信号传感器(2)与车轮信号传感器(3)相距3米±1米；该车轮信号传感器(2)与擦伤探测摄像机箱(10)和(13)相距2660毫米±100毫米，同时与辅助照明光源箱(22)和(25)相距960毫米±100毫米；该车轮信号传感器(3)与擦伤探测摄像机箱(4)和(7)相距2660毫米±100毫米，同时与辅助照明光源箱(16)和(19)相距960毫米±100毫米。

7.如权利要求1所述的铁路车轮踏面擦伤图像动态探测装置，其特征在于该图像采集***包括四台装有图像采集卡的图像采集工控机，每台采集工控机分别对应采集到同一个轮位图像的三套擦伤探测摄像机箱并与之硬件连接，每台采集工控机对采集到的图像进行图像识别运算并通过控制电路输出。

Images