鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法研究

韓志，陳春雷，郝晉斐，傅強(qiáng)

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081）

1 概述

輪軌接觸面輪廓信息檢測(cè)是維護(hù)鐵路安全運(yùn)營(yíng)的重要指標(biāo)，在高速動(dòng)態(tài)條件下準(zhǔn)確獲取鋼軌輪廓檢測(cè)數(shù)據(jù)是軌道養(yǎng)護(hù)維修面臨的重要問(wèn)題。目前鐵路鋼軌廓形檢測(cè)是基于結(jié)構(gòu)光測(cè)量和圖像處理的鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量鋼軌頂面的整個(gè)輪廓，分析獲取準(zhǔn)確的廓形值［1-2］。鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)將直接影響鋼軌廓形檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效性，為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性，需要對(duì)鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)一般安裝在軌檢車(chē)、探傷車(chē)或軌道檢查車(chē)上進(jìn)行檢測(cè)，在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件下，為保證系統(tǒng)發(fā)出的線結(jié)構(gòu)光與軌面的角度固定，鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)安裝后通常無(wú)法拆下校準(zhǔn)，導(dǎo)致鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)難以在較長(zhǎng)的使用時(shí)間下保證測(cè)量精度［3-6］。

量值溯源是測(cè)量結(jié)果通過(guò)具有適當(dāng)準(zhǔn)確度的中間比較環(huán)節(jié)逐級(jí)往上追溯至國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)或國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程。只有經(jīng)過(guò)量值溯源后的測(cè)量結(jié)果才是準(zhǔn)確有效的，實(shí)現(xiàn)量值溯源的最主要技術(shù)手段是校準(zhǔn)和檢定。我國(guó)雖然已有對(duì)鋼軌輪廓檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定方法來(lái)保證系統(tǒng)的測(cè)量精度，然而，其無(wú)法將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行量值溯源，測(cè)量值的有效性難以得到保證［7-9］。基于上述原因，建立一套應(yīng)用于工作現(xiàn)場(chǎng)的鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)方法，并對(duì)廓形檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)估。

2 校準(zhǔn)裝置和使用方法

鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置基于鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)圖像測(cè)量的原理設(shè)計(jì)，采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)能同時(shí)滿足左、右兩側(cè)檢測(cè)裝置的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)裝置主要包括：校準(zhǔn)模塊、承載模塊、穩(wěn)定螺釘、精移平臺(tái)、微分頭、鎖緊螺母等（見(jiàn)圖1）。

圖1 鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置

在鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，校準(zhǔn)裝置的承載模塊安裝在鋼軌上，調(diào)整微分頭，螺桿帶動(dòng)滑動(dòng)模塊沿鋼軌的延伸方向平移，滑動(dòng)模塊帶動(dòng)校準(zhǔn)模塊沿鋼軌的延伸方向平移，使得鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)的線結(jié)構(gòu)光依次落在各校準(zhǔn)面上。由于校準(zhǔn)面是相互平行且等間隔設(shè)置的，校準(zhǔn)面與鋼軌頂面平行，令鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)的激光線平行于相鄰2個(gè)校準(zhǔn)面之間的間隙且垂直鋼軌延伸方向。通過(guò)計(jì)算鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)的線結(jié)構(gòu)光落在不同校準(zhǔn)面時(shí)廓形檢測(cè)系統(tǒng)的垂直磨耗、側(cè)面磨耗測(cè)量數(shù)據(jù)的差值與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)（見(jiàn)圖2）。

圖2 鋼軌廓形校準(zhǔn)裝置工作示意圖

預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)是2個(gè)校準(zhǔn)面厚度的差值，測(cè)量數(shù)據(jù)以廓形值為例，依次讀取鋼軌廓形。檢測(cè)系統(tǒng)的線結(jié)構(gòu)光對(duì)準(zhǔn)2個(gè)不同校準(zhǔn)面時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的差值為Δx，2個(gè)校準(zhǔn)面厚度的差值表示為增量Δy，當(dāng)│Δx-Δy│<Δy/3時(shí)，可以判斷鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)正常。

3 校準(zhǔn)試驗(yàn)和不確定度

在進(jìn)行鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)，為確保采集到的檢測(cè)數(shù)據(jù)有效性，選擇帶有置信概率統(tǒng)計(jì)的格拉布斯準(zhǔn)則，進(jìn)行校準(zhǔn)面上測(cè)量出現(xiàn)的離群值剔除［10-12］，鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)在各校準(zhǔn)面上測(cè)量時(shí)的具體測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。

表1 不同校準(zhǔn)面上鋼軌廓形測(cè)量平均值 mm

表2 正、反行程廓形檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量 mm

由表1數(shù)據(jù)可知，兩相鄰校準(zhǔn)面上測(cè)量的鋼軌廓形檢測(cè)數(shù)據(jù)差值小于預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)（相鄰兩校準(zhǔn)面差值）的1/3，即上述│Δx-Δy│＜Δy/3，可以初步判斷鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)正常。

鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的不確定度主要來(lái)源于鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)多次重復(fù)測(cè)量引入的不確定度、回程誤差引入的不確定度以及校準(zhǔn)裝置自身誤差引入的不確定度。

（1）鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)多次重復(fù)測(cè)量引入的不確定度。鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)在校準(zhǔn)裝置的任意校準(zhǔn)面上多次重復(fù)測(cè)量平均值的不確定度符合A類(lèi)不確定度要求，采用統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行6次重復(fù)測(cè)量，單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差s為：

則測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差引入的不確定度uA記為：

（2）回程誤差引入的不確定度?；爻陶`差是鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，測(cè)量值由小到大變化或由大到小變化時(shí)測(cè)量誤差的累積，按式（3）計(jì)算鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)的回程誤差：

鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)回程測(cè)量誤差引入的不確定度為：

（3）校準(zhǔn)裝置自身誤差Δ引入的不確定度。對(duì)鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)的裝置各校準(zhǔn)面參數(shù)是由計(jì)量院校準(zhǔn)并出具證書(shū)的千分尺校準(zhǔn)得到的，在進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)會(huì)將其不確定度引入鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果中。校準(zhǔn)裝置自身誤差引入的不確定度ur符合不確定度的B類(lèi)評(píng)定要求，按均勻分布處理，校準(zhǔn)裝置自身誤差引入的不確定度ur為：

因此，鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度公式為：

當(dāng)取k=2，擴(kuò)展不確定度U的計(jì)算公式為：

采用該方法對(duì)鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)估（見(jiàn)表3），鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)垂直磨耗測(cè)量的擴(kuò)展不確定度小于0.06 mm，側(cè)面磨耗測(cè)量的擴(kuò)展不確定度小于0.05 mm，說(shuō)明鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)在測(cè)量范圍內(nèi)具有較高的測(cè)量精度。

表3 不同校準(zhǔn)面上鋼軌廓形測(cè)量不確定度評(píng)估 mm

4 結(jié)論

采用鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法對(duì)廓形檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，判斷檢測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)并進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)的不確定度分析。該方法有利于提高廓形檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度，確保系統(tǒng)量值的準(zhǔn)確統(tǒng)一。通過(guò)校準(zhǔn)，將廓形檢測(cè)系統(tǒng)量值與鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)中心計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)之間定期保持量值的溯源關(guān)系，形成封閉的監(jiān)控狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)量值溯源，保證檢測(cè)車(chē)輛測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠和統(tǒng)一，為基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)體系提供有效的監(jiān)管手段。