钢轨双边平直度连续式检测仪：设计、验证与智能化应用实践

铁路系统规模发展使维修养护繁重。轨道是铁路主要基础设施，钢轨引导车轮行走，其表面磨损导致的不平顺会影响列车平顺性，甚至脱轨。维修人员需关注钢轨不平顺，及时打磨、更换以维护铁路安全稳定。

钢轨平直度测量从手工平直尺发展到一米检测仪。平直尺结构简单但无法得平顺分布图且有误差，已很少使用。一米检测仪通过传感器获取钢轨纵向不平顺分布，市场设备仅能测一米范围，无法提供完整数据和打磨方案，效率低且不能同时测双股。

为解决传统检测不足，本文提出钢轨双边平直度连续式检测仪，可连续、高效、高精度检测，提供准确数据与智能分析，提高钢轨维护科学性和有效性。

1 检测系统设计原理

钢轨平直度连续式检测仪行车面采集基于三角测量原理，利用激光发射与接收的角度和距离关系经几何计算得出物体位置信息。导向面采用等效替代方法，将导向面位移传感器固定在机箱内直射位移挡板，挡板通过接触轴承与钢轨侧面接触，间接算得钢轨侧面接触位置信息。

2 技术方案

2.1 硬件设计方案

本文设计了总体重量不超 20kg 的拼接式钢轨双边平直度连续式检测仪。为提升便捷性与轻便性，采用铝合金和碳纤维材料，二者质量轻、强度高，前者经济性强，后者抗高温、防腐蚀，适合铁路工务作业。整体为拼接式结构，可折叠、拆分，满足简单、轻便、可拆卸、易运输携带原则，两人 10 秒内可完成组装检测。

设备由左、中、右三部分组装集成，拆装便捷且结构稳固。左右机箱结构镜像，底端有密集排轮支撑，采用动态基准弦结构设计，运行稳定；顶面有把手。左侧机箱外侧面装电源，内侧面有走行轮，配备重载插销和 USB 数据传输口；内部有高精度传感器和编码器，保障数据采集精度并提供位移标识。中间横杆有数据连接线同步两侧机箱数据，可伸缩连杆使设备紧贴钢轨，还装有平板支架装载检测电脑，能实时接收、分析数据，给出平直度测量结果和打磨指导方案。

2.2 系统架构设计

平直度检测仪可检测分析钢轨行车面和导向面纵向不平顺。检测系统由工业级传感器、控制器、分析终端和电源等构成。选用高精度位移传感器，通过三角测量原理测钢轨不平顺值。检测仪采用有线直连方式将两侧机箱与分析终端串联，终端实时接收双轨数据并分析平直度，记录钢轨特征区段、识别焊缝接头处理数据，实现人机交互，对超速、平直度超限等报警，分析保存高密度数据。各功能模块集成在检测机箱，统一电源模块供电实现系统作业。

2.3 系统软件设计

2.3.1 开发环境介绍

QT 是跨平台图形用户界面开发框架，QT 与 C++ 组合是强大工具，在跨平台、性能优化和可扩展性上优势显著。跨平台能力是 QT+C++ 的特色，借助 QML与 C++ 结合，开发者能以高效统一方式构建应用，使其可在 Windows、Linux、macOS 及移动端运行。

2.3.2 软件关键需求分析

钢轨双边平直度检测仪主要功能是与测量工控机通讯，控制下位机主控板，实现人机交互，满足现场作业需求，需具备以下功能：为便于人机交互、数据呈现与结果分析，软件设计了数据采集、数据回放、数据分析三大模块，实现数据从采集到结果生成的流程化管控。

（1）实时采集：设置测量线路、里程等参数，可同时检测单轨或双轨不平顺状态，实时处理数据、显示波形图、当前里程和检测速度。

（2）数据回放：选择已采集数据进行复现，可按不同速度查看病害或重点区段。

（3）数据分析：全面评估钢轨平顺性，统计峰、谷值并输出结果；统计焊接接头数据，评判接头类型、定位超限谷深位置；划分数据等级，摘出严重或超限区段进行评估，结合超限量与维修设备参数出具打磨指导方案。

3 设备验证

钢轨接头平直度评价方法为：在检测段内通过数据筛选得出该区段范围内密集分布的数据，通过计算该段数据中最高点（波峰）与最低点（波谷）之差的绝对值 a_n ，得出每个接头的平直度情况。

为了证明设备采集数据的可靠性与实用性。将钢轨双边平直度检测仪在相同区段不同轨向推行，对设备进行重复性自检。

路不同方向采集的左、右轨波形的幅值差异，结果如表1 所示。

表1 正反推行两次检测幅值差异统计表

经现场测试和分析比对，钢轨双边平直度检测仪在同段钢轨不同轨向采集数据相似度高，正反推行检测结果差异小、重复性好，波形幅值差异均值约0.015mm ，95 分位数在 0.012mm 以内，说明检测系统稳定性好。经精度测试，该检测仪测量精度达 0.01mm ，符合铁总标准。高精度结果表明，它能准确检测钢轨微小不平顺，为铁路养护部门发现和处理钢轨病害提供支持，保障铁路运输安全稳定。

4 实际运用

仪器已在各大线路试用，系统操作便捷、数据准确、人机交互性强，为钢轨行车面、导向面焊缝接头平直度检测提供高效工具，还能出具打磨指导方案，提高现场作业效率。系统基于消除平直度超限区段原则，自动定位接头波谷位置，结合前后钢轨延顺情况和打磨机特性智能化出具打磨指导方案[8]。

5 结论

本钢轨双边平直度连续式检测仪有显著核心优势。其双轨连续检测功能可不间断测量钢轨双边平直度，克服传统检测范围有限、效率低的问题，能全面高效反映钢轨整体平直状况。同时，全流程管控能力覆盖数据采集、分析到打磨方案生成全过程，实现钢轨检测与维护的科学化、智能化，为铁路养护部门提供准确全面数据和科学处理方案，提升了钢轨维护质量和效率。

参考文献：

[1] 储孝巍 . 客运专线轨道检测及维修技术的分析探讨 [J]. 铁道标准设计 ,2005.

[2] 刘月明, 李建勇, 蔡永林, 等. 钢轨打磨技术现状和发展趋势[J]. 中国铁道科学 , 2014.

[3] 丁韦, 李力, 宋宏图, 等. 钢轨焊接接头平直度测量方法及分析[J]. 铁道技术监督 , 2010.

[4] 李帅 , 易杨明 , 王源 , 等 . 基于惯性基准法的高速铁路纵断面线形平顺性研究[J]. 铁道科学与工程学报.

[5] 刘文辉 . 基于弦测法原理的波磨检测小车的设计与实现 [D]. 兰州 : 兰州交通大学 , 2016.

[6] 杨杰 , 王培俊 , 肖俊 , 等 . 基于弦测法与密度聚类的三维结构光波磨检测 [J]. 铁道标准设计 , 2020.

[7] 杨晶, 黄俊, 吴福海. 基于 Qt 的智能家居管理软件设计与实现[J]. 电视技术 , 2015.

[8] 中国国家铁路集团有限公司 . 普速铁路线路修理规则 : TG/GW102—2019[S]. 北京：中国国家铁路集团有限公司，2019.