钢轨廓形检测系统现场校准方法研究

韩志，陈春雷，郝晋斐，傅强

（中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081）

1 概述

轮轨接触面轮廓信息检测是维护铁路安全运营的重要指标，在高速动态条件下准确获取钢轨轮廓检测数据是轨道养护维修面临的重要问题。目前铁路钢轨廓形检测是基于结构光测量和图像处理的钢轨廓形检测系统，测量钢轨顶面的整个轮廓，分析获取准确的廓形值［1-2］。钢轨廓形检测系统的工作状态将直接影响钢轨廓形检测数据的有效性，为保证检测数据的准确性和有效性，需要对钢轨廓形检测系统进行校准。钢轨廓形检测系统一般安装在轨检车、探伤车或轨道检查车上进行检测，在现场作业条件下，为保证系统发出的线结构光与轨面的角度固定，钢轨廓形检测系统安装后通常无法拆下校准，导致钢轨廓形检测系统难以在较长的使用时间下保证测量精度［3-6］。

量值溯源是测量结果通过具有适当准确度的中间比较环节逐级往上追溯至国家计量基准或国家计量标准的过程。只有经过量值溯源后的测量结果才是准确有效的，实现量值溯源的最主要技术手段是校准和检定。我国虽然已有对钢轨轮廓检测系统的标定方法来保证系统的测量精度，然而，其无法将测量结果进行量值溯源，测量值的有效性难以得到保证［7-9］。基于上述原因，建立一套应用于工作现场的钢轨廓形检测系统校准方法，并对廓形检测系统测量不确定度进行评估。

2 校准装置和使用方法

钢轨廓形检测系统校准装置基于钢轨廓形检测系统图像测量的原理设计，采用对称结构能同时满足左、右两侧检测装置的校准，校准装置主要包括：校准模块、承载模块、稳定螺钉、精移平台、微分头、锁紧螺母等（见图1）。

图1 钢轨廓形检测系统校准装置

在钢轨廓形检测系统进行校准时，校准装置的承载模块安装在钢轨上，调整微分头，螺杆带动滑动模块沿钢轨的延伸方向平移，滑动模块带动校准模块沿钢轨的延伸方向平移，使得钢轨廓形检测系统的线结构光依次落在各校准面上。由于校准面是相互平行且等间隔设置的，校准面与钢轨顶面平行，令钢轨廓形检测系统的激光线平行于相邻2个校准面之间的间隙且垂直钢轨延伸方向。通过计算钢轨廓形检测系统的线结构光落在不同校准面时廓形检测系统的垂直磨耗、侧面磨耗测量数据的差值与预设标准数据进行比较，实现钢轨廓形检测系统的校准（见图2）。

图2 钢轨廓形校准装置工作示意图

预设标准数据是2个校准面厚度的差值，测量数据以廓形值为例，依次读取钢轨廓形。检测系统的线结构光对准2个不同校准面时，检测系统测量结果的差值为Δx，2个校准面厚度的差值表示为增量Δy，当│Δx-Δy│<Δy/3时，可以判断钢轨廓形检测系统的工作状态正常。

3 校准试验和不确定度

在进行钢轨廓形检测系统校准时，为确保采集到的检测数据有效性，选择带有置信概率统计的格拉布斯准则，进行校准面上测量出现的离群值剔除［10-12］，钢轨廓形检测系统在各校准面上测量时的具体测量数据见表1、表2。

表1 不同校准面上钢轨廓形测量平均值 mm

表2 正、反行程廓形检测系统测量 mm

由表1数据可知，两相邻校准面上测量的钢轨廓形检测数据差值小于预设标准数据（相邻两校准面差值）的1/3，即上述│Δx-Δy│＜Δy/3，可以初步判断钢轨廓形检测系统的工作状态正常。

钢轨廓形检测系统测量结果的不确定度主要来源于钢轨廓形检测系统多次重复测量引入的不确定度、回程误差引入的不确定度以及校准装置自身误差引入的不确定度。

（1）钢轨廓形检测系统多次重复测量引入的不确定度。钢轨廓形检测系统在校准装置的任意校准面上多次重复测量平均值的不确定度符合A类不确定度要求，采用统计分析方法进行6次重复测量，单次测量的标准差s为：

则测量标准差引入的不确定度uA记为：

（2）回程误差引入的不确定度。回程误差是钢轨廓形检测系统测量时，测量值由小到大变化或由大到小变化时测量误差的累积，按式（3）计算钢轨廓形检测系统的回程误差：

钢轨廓形检测系统回程测量误差引入的不确定度为：

（3）校准装置自身误差Δ引入的不确定度。对钢轨廓形检测系统进行校准的装置各校准面参数是由计量院校准并出具证书的千分尺校准得到的，在进行校准时会将其不确定度引入钢轨廓形检测系统的测量结果中。校准装置自身误差引入的不确定度ur符合不确定度的B类评定要求，按均匀分布处理，校准装置自身误差引入的不确定度ur为：

因此，钢轨廓形检测系统的合成标准不确定度公式为：

当取k=2，扩展不确定度U的计算公式为：

采用该方法对钢轨廓形检测系统进行测量不确定度评估（见表3），钢轨廓形检测系统垂直磨耗测量的扩展不确定度小于0.06 mm，侧面磨耗测量的扩展不确定度小于0.05 mm，说明钢轨廓形检测系统在测量范围内具有较高的测量精度。

表3 不同校准面上钢轨廓形测量不确定度评估 mm

4 结论

采用钢轨廓形检测系统现场校准方法对廓形检测系统进行校准，判断检测系统的工作状态并进行检测系统的不确定度分析。该方法有利于提高廓形检测系统的测量精度，确保系统量值的准确统一。通过校准，将廓形检测系统量值与铁路基础设施检测中心计量标准之间定期保持量值的溯源关系，形成封闭的监控状态。实现量值溯源，保证检测车辆测量结果的准确、可靠和统一，为基础设施动态检测、监测体系提供有效的监管手段。