双轨式钢轨超声波探伤与表面图像监控集成检测研究

2023-11-20马占生

国防交通工程与技术 2023年6期

马占生, 李璐

(湖南高速铁路职业技术学院,湖南衡阳 421001)

我国主要采取三种方式进行钢轨探伤,一种是采用大型钢轨探伤车、一种是使用手推式钢轨探伤仪,还有一种是采用介于大型钢轨探伤车与手推式钢轨探伤仪之间的双轨式钢轨超声波探伤仪。大型钢轨探伤车检测速度可达80 km/h,有轨面监控功能,能同时兼顾内部探伤和钢轨表面监控,但它价格昂贵,且与双轨式钢轨超声波探伤仪适用的检测标准和检验规则不一样;手推式钢轨探伤仪因其检测速度只有2～3 km/h,可以实现内部探伤结合目视钢轨表面即时查看。双轨式钢轨超声波探伤仪主要根据超声波回波的相位和振幅确定轨道伤损的位置和大小,这对探头配置和探头与钢轨之间的接触程度有很高的要求,在钢轨近表面存在检测盲区,主要对钢轨内部进行超声波检测[1]。超声波探伤仪检测速度达15～20 km/h,现场操作人员很难及时观察轨面信息并对线路上焊缝、接头、导线孔及原有伤损进行标记,影响对钢轨表面的纹理和细小缺陷(鱼鳞伤或剥落掉块)的精确检出和智能识别;同时,在数据回放过程中,若回放人员不能结合现场钢轨轨面状态进行分析,可能会造成漏检、误判情况。

基于此,开展了双轨式钢轨超声波探伤与表面图像监控集成系统研究,通过超声波探伤对钢轨内部进行检测,通过基于视觉处理的图像监控技术对钢轨表面进行监控。集成系统可以实现双轨同时检测与监控,并能实现超声波探伤数据与图像监控数据同步播放。在数据回放中便于探伤人员利用钢轨表面图像判断钢轨表面状态,如钢轨轨面光带、钢轨错牙、高低接头、坡度在内引起的线路异常等,与探伤系统中B显图像(显示被检工件的纵断面图像及指示反射体大致尺寸及其相对位置的超声信息显示方式)结合判断钢轨表面伤损如擦伤、掉块、鱼鳞伤等。同时可将现场采集到的钢轨表面缺陷、异物入侵照片作为图像智能识别素材,提升钢轨伤损识别和检测的全面性和准确性,为后续智能判伤提供重要数据支持。

1 钢轨表面图像监控方法

目前对钢轨表面进行图像监控和缺陷检测的轨道巡检仪器主要采用明场照明法对钢轨表面进行拍摄。这种方法优点在于拍摄的图片对比度很高,其对拍摄道床(漫反射)比较有利,但受钢轨光带和轨距角磨耗影响,在钢轨顶面和轨距角位置会产生图像过曝、图像质量不清晰的问题,这种过曝现象会严重影响钢轨表面的纹理和细小缺陷(鱼鳞纹或掉块)的精确检出和智能识别,对钢轨状态的真实情况监测带来不利影响。

集成检测采用的钢轨表面图像监控是利用CCD(Charge Coupled Device)工业相机、激光光源和图像传感器,在高速状态下对钢轨图像进行采集。通过调整光源的中心光轴和图像采集单元光轴的夹角,避免大部分光源打在钢轨表面形成镜面反射,对钢轨的顶面图像拍摄形成暗场照明,解决了钢轨顶面的图像过曝问题,有利于钢轨顶面掉块和裂纹等细小缺陷观察和检测[2]。通过调整图像采集单元光轴与钢轨横截面的夹角,解决钢轨内侧轨距角的图像过曝问题,有利于对钢轨内侧轨距角鱼鳞纹、掉块、擦伤的观察和检测。结合数字图像处理技术和计算机视觉理论,对采集到的钢轨图像进行分析,从图像中获取钢轨表面状态和缺陷等信息,擦伤、剥离掉块、表面裂纹、锈蚀、压陷等缺陷各自具有相应的形状、颜色和纹理特征,适合用视觉方法进行识别[3]。利用视觉技术对钢轨表面状态和缺陷进行检测的方法具有准确性高、非接触、快速、高效、无遗漏等优点[4]。

2 集成系统组成及功能

双轨式钢轨超声波探伤与轨面图像监控集成系统安装于在钢轨上行进的小车走行平台上(如图1所示),包括计算机及显示器、探伤数据采集处理器、超声波左右探轮、CCD左右轨工业相机、数据采集处理器和同步编码器;超声波左右探轮分别连接探伤数据采集处理器和同步编码器,用以发射和接收对钢轨内部进行探伤的超声波信号,实现两股钢轨同时探伤; CCD左右轨工业相机分别连接数据采集处理器和同步编码器,用以拍摄钢轨表面图像。

图1 超声探伤数据系统与轨面图像数据采集系统集成

2.1 超声探伤数据系统

探伤数据处理系统由超声波左右探轮、多通道高速超声波信息采集处理器、同步编码器和伤损数据分析软件组成。其中每轨采用9个通道的轮式探头组,在15～20 km/h的最高检测速度下,双轨式钢轨探伤仪每个探头超声脉冲发射距离间隔为2.67 mm,即在双轨探伤仪沿钢轨纵向移动2.67 mm的时间ΔT=720 μs内,超声仪器所有通道均至少发射脉冲一次,同时对左右两股轨道钢轨的轨头、轨腰、轨底等部位进行探伤[5]。

探伤数据采集处理器分别连接超声波左右探轮和上位计算机,根据同步编码器的指令触发工作,用以采集超声波左右探轮对钢轨进行探测的探伤数据,并将经同步编码器编号处理后的探伤数据上传给计算机及显示器用于保存和显示。结构原理如图2所示,探伤数据采集装置如图3所示。

图2 探伤数据系统工作原理

图3 探伤数据采集装置

2.2 轨面图像数据监控采集

CCD(Charge Coupled Device)数据采集系统主要是对钢轨表面进行检测并采集数据,由激光光源、图像采集单元、同步编码器等组成,其中图像采集单元包括CCD数据采集处理器、CCD左右轨工业相机等。数据采集处理器分别连接CCD左右轨工业相机和计算机,根据同步编码器的指令触发工作。CCD左右轨工业相机拍摄的钢轨表面图像数据,经同步编码器编号处理后上传给计算机及显示器用于保存和显示。轨面图像数据采集系统组成如图4所示,采集数据装置如图5所示。

图4 轨面图像数据采集系统组成

同时,系统具备光源调节能力,适应不同作业场合使用激光光源对被检钢轨进行照射,使图像采集单元的取景视野中心范围对准钢轨的顶面和内侧轨距角,照射范围覆盖钢轨的顶面、内侧轨距角及轨底,轨面图像显示界面如图6所示。

图5 轨面图像数据采集装置

图6 轨面图像显示界面

2.3 超声探伤数据与轨面监控图像的集成

通过超声探伤数据系统中超声波信号处理软件和轨面图像数据采集系统中的CCD数据处理软件同步编码,实现超声探伤B显(图像显示)与CCD轨面图像集成在一起同步播放。集成系统可实现数据实时显示及处理,具有对被检探伤数据和轨面图像CCD数据的分析、处理、报警能力,并将处理结果保存到文件中,以供回放、打印和数据分析;通过实时显示软件可准确、灵活的检查轨面和轨道伤损情况。集成系统工作流程如图7所示。

图7 集成系统工作流程

3 性能测试

双轨式钢轨超声波探伤仪在南宁工务段、怀化工务段、武汉高铁工务段等地的试用过程中,伤损检出效果好,能有效检出轨头核伤、螺孔裂纹、轨底横向裂纹等缺陷,轨面监控图像清晰,结合轨面图像能有效判断出轨头踏面擦伤、钢轨内侧轨距角鱼鳞纹等问题。数据回放界面如图8所示(注:数据回放界面上半部分显示的是左股钢轨B显图像,下半部分是右股钢轨B显图像),对应轨面监控图像如图9所示。