CN106080661A - 火车导轨轮廓波浪磨耗测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种火车导轨轮廓波浪磨耗测量方法，通过编码器能够判断车轮走过的短小距离，经过图像处理的一系列算法提取到钢轨轮廓主曲线，然后平移至标准曲线，通过直观对比可计算出磨耗值，不需要经过复杂的运算；并且本发明的方法还能够将每一点的具体图像呈现出来，让用户可以直观明了的看到钢轨磨损情况。***每隔1mm‐5mm这样短的距离计算磨耗值，可以更加精确的测出这一段波浪磨耗的波长。

Description

火车导轨轮廓波浪磨耗测量方法

技术领域

本发明属于轨道波磨测量领域，具体涉及一种火车导轨波磨测量技术。

背景技术

重载、繁忙线路上的钢轨，在轮-轨相互作用下，轨面上出现一种类似周期性起伏不平的现象称为波浪磨耗(corrugation)。近些年，中国铁路飞速发展，高铁动车相继增开，给人们出行带来极大方便。然而这不可避免的导致波磨的产生。轨道波磨不仅加剧了轨道结构部件的伤损和轨道状态的变化，而且影响了钢轨的使用寿命，甚至危及行车安全。

从发现波磨至今，国外科研工作者发明了多种测量波磨的设备***。澳大利亚采用轴箱加速度二次积分的办法得到位移，此位移表示来表示波磨幅值，同时采用数字滤波技术消除速度影响。荷兰将采集的轴箱加速度在频域中经过特定的传递函数变成一定的速度下的力信号，然后经过滤波消除速度影响，最终得到波磨。美国有的采用短弦弦测法，通过电涡流传感器或光电位移计获得位移；日本则以惯性法为基础，研制了接触式和非接触式的两种检测方案，同时引入了速度控制的变频滤波器消除速度对检测结果的影响。

这些***都是基于短弦弦测法和惯性法。弦测法的基本原理是利用钢轨上两测点的连线作为测量弦，中间测点到该弦的正矢作为钢轨波浪磨耗的测量值。所谓惯性法指的是加速度进行二次积分得到加速度计安装点相对惯性坐标系的位移。

1、弦测法的基本原理是以首尾两端的连线作为弦，如图1所示，中间的测点到弦的距离则为波磨测量值。当中间测点与首尾间距相等时，则称之为等弦测量；其间距不等时，称为不等弦测量。

国外弦测法以等弦测量为基础，所以下面将着重对等弦测法进行简单分析。如图1中(a)图所示，设弦长为L，在中间安装位移计。假设轨道的不平顺为x(t)，***的测量值为y(t)，则二者之间的关系可表达为：

$y\left(t\right)=x\left(t\right)-\frac{1}{2}\[x(t-\frac{L}{2})+x(t+\frac{L}{2})\]---\left(1\right)$

t为检测设备沿轨道运行的距离。对上式进行傅里叶变换，得：

Y(Ω)＝H(Ω)·X(Ω)＝(1-cos(πL/λ))·X(Ω) (2)

H(Ω)为频率传递函数，H(Ω)＝(1-cos(πL/λ))，Ω为空间角频率，Ω＝2π/λ，λ则为轨道波磨的波长，L为弦测法检测***弦长。

由式(1)可知，该传递函数特性没有畸变，因此测量值不会受到检测设备运行速度的影响。但是，如图2所示，其幅值增益随轨向不平顺的波长变化而变化，变化值在0-2之间，并非一个恒定的值，因此此类方法得到的位移不能直接反应轨道的波磨值。由图3可知，当L<2λ时，传递函数的幅值增益小于1，同时幅值增益随着轨向不平顺波长增加而逐减；当L>2λ时，幅值增益则在0～2之间震荡。当传递函数幅值增益在0-1之间的时候，说明该检测处的检测值是小于轨道真实波磨值的；当传递函数幅值增益在1-2之间时，该检测处的检测值又是大于轨道真实波磨值的。

弦测法存在的缺点

缺点一：弦测法的传递函数在0和2之间变化，不恒等于1，不能真实反映轨道顶面不平顺现象。

缺点二：需要经过一定复杂运算，不够直接快速。

缺点一：弦测法的传递函数在0和2之间变化，不恒等于1，不能真实反映轨道顶面不平顺现象。

缺点二：需要经过一定复杂运算，不够直接快速。

2、惯性基准法，如图4所示，在转向架的左右轴箱上各自安装一个加速度计，采集列车轴箱加速度。因为轴箱加速度的输出与其感受到的加速度值相对应。假定钢轨刚度无限大，轴箱的垂直运动曲线几乎恒等于钢轨表面的垂向不平顺曲线。所以对采集到的轴箱加速度进行两次积分得到的积分值则可以表征轨道的波磨值。

如图4所示的车轮位移，根据不同的参考点，得到的位移值不同；如果假设轮对的垂向位移为x(t)，因位移而产生的加速度为a(t)，则a(t)可以用表示。设车轮垂向位移为d_w，轴箱加速度为a_w，由下式可得出钢轨波磨的计算方法：

d_w＝∫∫a_wdt²+c₁t+c₂ (3)

式中，c₁、c₂为积分常数。但是，现实工程应用中，积分常数往往很难确定，因此只能简单的将c₁、c₂确定为0，这是惯性基准法检测波磨的一重大不足。

惯性基准法的缺点

缺点一：由于低速时加速度信号比较微弱，信噪比低，所以此方法在低速时误差较大。

缺点二：低频信号时，积分运算不稳定。

发明内容

本发明为解决的上述技术问题，提出一种火车导轨轮廓波浪磨耗测量方法，火车导轨面上会出现一段连续不平顺现象，为了准确确定波浪磨耗的波长和幅值，要求***每隔一段相同微小距离测量磨耗值，本申请通过提取火车导轨轮廓图像，经过一系列图像处理，得到真实轮廓曲线，再与标准导轨曲线直接对比，便能精确地计算出导轨磨耗，不需要经过复杂运算所导致不稳定性和不准确性。

本发明采用的技术方案是：火车导轨轮廓波浪磨耗测量方法，包括：

S1、通过测量***对实际火车导轨轮廓进行提取；

S2、通过将实际火车导轨轮廓与标准的火车导轨轮廓曲线进行匹配，得到各个磨耗点的垂直磨耗值，根据垂直磨耗值的最大值与最小值得到波浪磨耗的波长。

进一步地，步骤S1中所述测量***，包括：主板、相机、激光器、编码器、解码器、显示器、电源，所述编码器一端与车轮连接，编码器另一端经由解码器通过USB线与主板连接，所述解码器用于计算编码器转过的圈数得到车轮走动距离；所述激光器与主板相连，当车轮到达采样点，激光器自动开启照出火车导轨轮廓；所述相机与主板相连，用于拍摄经激光器照射出的火车导轨轮廓图片；所述主板用于根据编码器获取到的走动距离以及相机拍摄到的火车导轨轮廓图片处理得到轮廓曲线；所述显示器与主板相连，用于显示经主板处理的轮廓曲线；所述电源用于对主板、相机、激光器、编码器、解码器、显示器供电。

更进一步地，所述主板处理得到轮廓曲线具体为：对相机拍摄到的火车导轨轮廓图像，首先，经过标定还原处理得到真实轮廓；再经去噪，膨胀，连通，滤波，细化，旋转处理得到单像素的实际火车导轨轮廓曲线。

进一步地，还包括建立三维坐标系，具体为：以火车运行方向为z，导轨宽度所在方向为x轴，导轨竖直方向为y轴，建立三维坐标系。

更进一步地，步骤S2所述将实际火车导轨轮廓与标准的火车导轨轮廓进行匹配，包括步骤：

A、寻找实际火车导轨轮廓曲线的基点；

B、根据标准的火车导轨轮廓曲线的基点以及不在A得到的实际火车导轨轮廓曲线的基点，将实际火车导轨轮廓曲线的基点与标准的火车导轨轮廓曲线的基点构成向量；

C、将实际火车导轨轮廓曲线基点沿着步骤B得到的向量的方向移动到标准的火车导轨轮廓曲线的基点，完成实际火车导轨轮廓与标准的火车导轨轮廓的匹配。

更进一步地，所述寻找实际火车导轨轮廓曲线的基点的过程为：根据得到的单值像素的实际火车导轨轮廓曲线为单像素二值化的曲线，从图像的最左下方开始，沿着列寻找，找到的第一个像素值为1的点得到该点y坐标，再从图像的最左下方开始，沿着行寻找，找到第一个像素值为1的点得到该点x坐标，由坐标x、y所确定的点就是实际火车导轨轮廓曲线的基点。

进一步地，步骤S2中所述垂直磨耗值为距离火车导轨非工作边的轨头宽度的2/3点处垂直方向磨损的厚度。

更进一步地，步骤S2中所述垂直磨耗值为在磨耗点处垂直方向磨损的厚度。

进一步地，步骤S2中所述根据垂直磨耗值的最大值与最小值得到波浪磨耗的波长的具体过程为：每个采样点对应一个垂直磨耗值，在已知被测火车导轨测长度下得到若干垂直磨耗值，将若干垂直磨耗值连接形成一条连续的曲线，找出曲线上垂直磨耗值的最大值以及最小值，通过建立的三维坐标系，找出曲线上垂直磨耗值的最大值以及最小值所对应的横坐标值，通过下式计算得出波浪磨耗的波长；

$\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2}=Z_{max}-Z_{min};$

其中，λ表示导轨波浪磨耗的波长，Z_max表示垂直波磨值的最大值所对应的横坐标值，Z_min表示垂直波磨值的最小值所对应的横坐标值。

进一步地，所述编码器每转100个脉冲，测量距离精度为1mm。

本发明的有益效果：本发明的火车导轨轮廓波浪磨耗测量方法，通过编码器和解码器能够判断车轮走过的短小距离，经过图像处理的一系列算法提取到钢轨轮廓主曲线，然后平移至标准曲线，通过直观对比计算出磨耗值不需要经过复杂的运算；并且本发明的方法还能够将每一点的具体图像呈现出来，让用户可以直观明了的看到钢轨磨损情况。***每隔1mm‐5mm这样短的距离计算磨耗值，可以更加精确的测出这一段波浪磨耗的波长。

附图说明

图1为弦测法示意图；

其中，图(a)为等弦测量，图(b)为不等弦测量。

图2为0.5m弦长弦测法传递函数幅频特性示意图。

图3为弦长、不平顺波长以及传递函数之间的关系示意图。

图4为惯性法测量示意图。

图5为波浪磨耗测量***框架图示意图；

其中，1为主板，2为钢轨，3为车轮，4为编码器，5为激光器，6为相机。

图6为波浪磨耗测量流程图。

图7为图像处理过程中，钢轨轮廓曲线变化图；

其中，图(1)未经处理的轮廓曲线；图(2)标定还原的曲线；图(3)滤波之后的曲线细化；图(4)旋转之后单像素轮廓曲线。

图8为图像匹配后标准曲线和实际曲线。

图9为基点定义图；

其中，91为基点，92为直线部分，93为圆角，94为轨颚。

图10为垂直磨耗定义点。

图11为本申请实施例提供的三维坐标系。

图12为波浪形曲线。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

本发明的技术方案为：火车导轨轮廓波浪磨耗测量方法，包括：

S1、通过测量***对实际火车导轨轮廓进行提取；

S2、通过将实际火车导轨轮廓与标准的火车导轨轮廓进行匹配，得到各个磨耗点的垂直磨耗值，根据垂直磨耗值的最大值与最小值得到波浪磨耗的波长。

所述测量***，包括：主板、相机、激光器、编码器、解码器、显示器、电源，所述编码器一端与车轮连接，编码器另一端经由解码器通过USB线与主板连接，所述解码器用于计算编码器转过的圈数得到走动距离；所述激光器与主板相连，当车轮到达采样点，激光器自动开启照出火车导轨轮廓；所述相机与主板相连，用于拍摄经激光器找出的火车导轨轮廓图片；所述主板用于根据编码器获取到的走动距离以及相机拍摄到的轮廓图片处理得到轮廓曲线；所述显示器与主板相连，用于显示经主板处理的轮廓曲线；所述电源与主板相连，用于给主板、显示器、电源、相机、激光器、解码器以及解码器供电。主板、显示器、电源、相机、激光器、编码器以及解码器这些部件组合在一个小车内，可以在轨面上推动进行作业。波浪磨耗测量***框架图示意图如图5所示：

小车车轮3在火车导轨2上滚动，带动编码器4，通过解码器计算可以得到小车走过的距离。小车到达采样点，***自动开启激光器5，照出火车导轨轮廓。相机6拍摄火车导轨轮廓图片，再将图像数据传给***软件处理，得到轮廓主曲线。然后将主曲线与火车导轨标准轮廓进行对比，就可以得到磨耗点的垂直磨耗值。采集完毕后，找出垂直磨耗值的最大值和最小值，那么这两点间距就是λ/2，λ即波浪磨耗的波长；大致流程如图6所示。图5中还包括钢轨1，车轮2，以及箭头所指的小车运行方向。

编码器可实现每转发送100个脉冲，编码器每发送一个脉冲，解码器接收到便可将其转换成转过的圈数，所以编码器可以实现的精度是将一圈分成100份。接在编码器上的轮子周长为10cm，***可以得到小车走过1mm的距离。所述解码器不仅可以计算编码器转过的圈数还能够将USB接口转成串口，以便实现编码器与***程序的通信。

由于相机拍摄到的图像会出现失真现象，因此本申请通过标定还原处理还原成真实轮廓。再经过去噪，连通，细化，旋转之后便能得到单像素的实际火车导轨轮廓曲线，如图7所示。对采集到的钢轨断面轮廓图像经上述处理后，得到的是钢轨断面的单像素轮廓曲线。本申请所述的标定还原、去噪、连通、细化、旋转均为本领域的常规技术，此处不做详细说明，具体的标定还原技术可以参考：吴福华自动图像标定及其在钢轨磨耗测量***中的应用[D]电子科技大学2012。至于去噪、连通、细化，都是图像处理中的常见知识，详见Rafael C Gonzalez Richard E Woods数字图像处理(第二版)；本申请将单像素火车导轨轮廓曲线和标准的火车导轨轮廓曲线进行对比，从而计算出钢轨的侧面磨耗和垂直磨耗，本申请中只需要计算出钢轨的垂直磨耗值便可以得到波磨。

图8所示为计算垂直磨耗值时显示的标准火车导轨轮廓曲线和实际火车导轨轮廓曲线。其中，实线表示的是理论上的火车轮轨标准曲线，是根据生产钢轨图纸中的模型预先画好的，虚线表示的是实际采集到的钢轨轮廓经过处理后得到的单像素曲线骨架。实际曲线的基点和标准曲线的基点构成一个向量，将实际曲线沿着该向量的方向移动至标准曲线基点处就可以成功匹配图像。这里找到实际曲线的基点至关重要。实际曲线基点寻找方法：

以小车行走的方向为Z轴，导轨宽度所在方向为x轴，导轨竖直方向为y轴，建立一个如下图的三维坐标，如图11所示。

得到的轮廓曲线为单像素二值化的曲线，从图像的最左下方开始，沿着列寻找，找到的第一个像素值为1的点得到该点y坐标，再从图像的最左下方开始，沿着行寻找，找到第一个像素值为1的点得到该点x坐标，由坐标x、y所确定的点就是实际火车导轨轮廓曲线的基点；如图9所示，在标准的钢轨轨头下方有一段直线区域92，直线区域92与轨颚94连接处为圆角93，基点定义为直线区域92与轨颚94的向外延伸的交点处，图9中为便于显示，由钢轨截面对称性，将黑色交点91展示在另一侧，按照定义标准火车导轨轮廓曲线存在两个基点，分别位于工作边一侧以及跟工作边对称一侧，但是本申请实际上只需要测导轨的工作边一侧，因此工作边一侧的基点即为本申请中的所说的标准火车导轨轮廓的基点。然后可通过磨耗点的定义计算出该点处实际的和理论的像面坐标，即可求出对应的垂直磨耗值。图10中A点为磨耗点定义处，A点处的垂直磨耗是指距离钢轨非工作边的轨头宽度的2/3点处垂直方向磨损的厚度。

如图11所示。小车每到达一次测量点就能显示对应的垂直磨耗值Δy_i(i＝1,2,3,4......)。一段波浪磨耗测量完毕后，将所有Δy连接形成一条连续的波浪形曲线，如图12。横轴Z表示小车走过的距离，Δy表示垂直磨耗值，建立坐标系。找出Δy最小值Min和最大值Max对应的横坐标值Z_min、Z_max。则：

$\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2}=Z_{max}-Z_{min}---\left(4\right)$

其中，λ表示导轨波浪磨耗的波长。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.火车导轨轮廓波浪磨耗测量方法，其特征在于，包括：

S1、通过测量***对实际火车导轨轮廓进行提取；

S2、通过将实际火车导轨轮廓与标准的火车导轨轮廓曲线进行匹配，得到各个磨耗点的垂直磨耗值，根据垂直磨耗值的最大值与最小值得到波浪磨耗的波长。

2.根据权利要求1所述的火车导轨轮廓波浪磨耗测量方法，其特征在于，步骤S1中所述测量***，包括：主板、相机、激光器、编码器、解码器、显示器、电源，所述编码器一端与车轮连接，编码器另一端经由解码器通过USB线与主板连接，所述解码器用于计算编码器转过的圈数得到车轮走动距离，并且将USB接口转串口实现与***软件通信；所述激光器与主板相连，当车轮到达采样点，激光器自动开启照出火车导轨轮廓；所述相机与主板相连，用于拍摄经激光器照射出的火车导轨轮廓图片；所述主板用于根据编码器获取到的走动距离以及相机拍摄到的火车导轨轮廓图片处理得到轮廓曲线；所述显示器与主板相连，用于显示经主板处理的轮廓曲线；所述电源用于对主板、相机、激光器、编码器、解码器、显示器供电。

3.根据权利要求2所述的火车导轨轮廓波浪磨耗测量方法，其特征在于，所述主板处理得到轮廓曲线具体为：对相机拍摄到的火车导轨轮廓图像，首先，经过标定还原处理得到真实图像；再经去噪，膨胀，连通，细化，旋转处理得到单像素的实际火车导轨轮廓曲线。

4.根据权利要求3所述的火车导轨轮廓波浪磨耗测量方法，其特征在于，还包括建立三维坐标系，具体为：以火车运行方向为z，导轨宽度所在方向为x轴，导轨竖直方向为y轴，建立三维坐标系。

5.根据权利要求4所述的火车导轨轮廓波浪磨耗测量方法，其特征在于，步骤S2所述将实际火车导轨轮廓与标准的火车导轨轮廓进行匹配，包括步骤：

A、寻找实际火车导轨轮廓曲线的基点；

B、根据标准的火车导轨轮廓曲线的基点以及不在A得到的实际火车导轨轮廓曲线的基点，将实际火车导轨轮廓曲线的基点与标准的火车导轨轮廓曲线的基点构成向量；

C、将实际火车导轨轮廓曲线基点沿着步骤B得到的向量的方向移动到标准的火车导轨轮廓曲线的基点，完成实际火车导轨轮廓与标准的火车导轨轮廓的匹配。

6.根据权利要求5所述的火车导轨轮廓波浪磨耗测量方法，其特征在于，所述寻找实际火车导轨轮廓曲线的基点的过程为：根据得到的单值像素的实际火车导轨轮廓曲线为 单像素二值化的曲线，从图像的最左下方开始，沿着列寻找，找到的第一个像素值为1的点得到该点y坐标，再从图像的最左下方开始，沿着行寻找，找到第一个像素值为1的点得到该点x坐标，由坐标x、y所确定的点就是实际火车导轨轮廓曲线的基点。

7.根据权利要求1所述的火车导轨轮廓波浪磨耗测量方法，其特征在于，步骤S2中所述垂直磨耗值为距离火车导轨非工作边的轨头宽度的2/3点处垂直方向磨损的厚度。

8.根据权利要求7所述的火车导轨轮廓波浪磨耗测量方法，其特征在于，步骤S2中所述根据垂直磨耗值的最大值与最小值得到波浪磨耗的波长的具体过程为：每个采样点对应一个垂直磨耗值，在已知被测火车导轨测长度下得到若干垂直磨耗值，将若干垂直磨耗值连接形成一条连续的曲线，找出曲线上垂直磨耗值的最大值以及最小值，通过建立的三维坐标系，找出曲线上垂直磨耗值的最大值以及最小值所对应的横坐标值，通过下式计算得出波浪磨耗的波长；

其中，λ表示导轨波浪磨耗的波长，Z_max表示垂直波磨值的最大值所对应的横坐标值，Z_min表示垂直波磨值的最小值所对应的横坐标值。

9.根据权利要求1所述的火车导轨轮廓波浪磨耗测量方法，其特征在于，所述编码器每转100个脉冲，测量距离精确度为1mm。