关于地铁车辆制动闸片磨耗检测系统的设计

摘要:地铁车辆制动闸片磨耗检测是在列车运行过程中采用激光测量技术自动完成制动闸片磨耗测量的在线自动检测系统,它可在无人值守情况下全天候工作,能提供准确的闸片厚度测量值,对超过闸片磨耗限度的轮对能准确提供故障定位,实现状态跟踪,能及时向指定终端发出故障报警。该系统将激光线光源投射到制动闸片的有效部位上,CCD高速摄像机在车轮传感器的作用下动态抓拍制动闸片激光轮廓线图像,通过图像采集、图像处理、三维重建、尺寸计算等算法实现制动闸片的磨耗测量。

关键词:闸片磨耗检测 图像处理 激光

1系统主要功能

(1)系统能对通过检测区域的车辆制动闸片进行实时在线测量,能提供制动闸片的厚度、磨耗等准确测量值。

(2)具有对测量数据进行分析、存储、查询、状态跟踪的功能。

(3)对超过磨耗限度的制动闸片能准确实现故障定位,同时提供报警信号。可在屏幕 上显示详细的报警信息。

(4)具有测量数据网络共享功能,相关职能部门可通过网络查询测量结果,可以按照时间、车号、辆号、序号、状态等信息查询历史记录。

(5)具有计轴、计辆、测速、车号识别等功能。

2系统技术方案和工作原理

2.1 系统组成

制动闸片检测系统主要由两部分组成,第一是轨边部分,包括激光器、高速摄像机、地面天线、车轮传感器等;第二部分是探测站设备,包括图像采集、处理系统、控制系统、车号识别系统等。如图1所示。

轨边设备构成和布置如图2所示。

如图2所示,制动闸片磨耗测量共采用8组激光器和摄像机,即8个测量工位L1～L4和R1～R4,其中测量单个车轮需要4组,分别安装在钢轨的两侧,按照图2所示,当列车运行到4号磁钢位置时,磁钢产生脉冲信号,此信号连接到主机系统的两块图像采集卡上,两块图像采集卡控制八台摄像机(一块卡控制四台摄像机)同时启动抓拍投射到制动闸片的激光线图像,对一个车轮前后侧共抓拍4幅激光线图像,其中同一位置钢轨内外测分别抓拍一幅激光线图像,图像经过图像滤波、细化、三维重构、数据处理和计算得出系统的测量参数。

2.2 工作原理

系统采用激光器和直线光学透镜作为测量系统的光源照射运动的车轮制动闸片,当车轮通过测量区域的测量位置时,制动闸片被激光照射,形成制动闸片厚度的截面激光线,CCD摄像头动态抓拍激光线的精确位置,采用激光三角测量法原理,实现制动闸片磨耗的精确测量。图3是测量的示意图。

系统采用结构光三维视觉原理即光学三角法测量原理,激光器将线结构光投射于物体表面,在表面上形成由被测物体表面形状所调制的光条图像。该图像由处于另一位置的摄像机探测,获得光条的二维畸变图像,光条的畸变程度取决于激光器与摄像机之间的相对位置。当激光器和摄像机之间的相对位置一定时,由畸变的二维光条图像坐标可重现物体表面三维形廓。

2.3 管理系统显示界面及查询信息

系统测量的纪录信息,可以保存10万辆车的测量纪录,可以通过选择序号、时间、超标信息、故障信息选项查询、分析详细的测量数据和系统超标、故障信息。可以选中列表中的一辆车,点击分析按钮查看该列车每一根轴的详细测量数据。

一列车的详细信息和测量数据由五个模块分别显示,包括:一般信息、超标信息、测量数据、设备故障。

一般信息包括:列车号、通过时间、有效轴数、通过车速、超标轴数、自检信息。

超标信息包括:车号、辆序、轴序、左右轴测量数据。

2.4 主要部件性能介绍

2.4.1 摄像机

为保证测量精度,防止抓拍拖尾现象,对摄象机CCD的技术性能要求较高,我们选择的是美国PULNIX公司面阵CCD。

(1)60Hz逐行扫描,支持异步外触发,靶面面积达1/2;(2)快门触发控制从1/125秒到1/32000秒可选;配套的光学镜头选用的是日本Utron公司光学镜头,C-mount接口,1/2靶面,15mm焦距,1/1000畸变率;(3)分辨率:1024×768。

图像采集卡:

选用加拿大Coreco公司的Vipeo-Quard型图像采集卡。两块图像采集卡,完成八路视频信号的采集工作。

(1)PCI总线接口,软件基于WINDOWS平台,功能强大,界面友好;(2)每路图像采集卡有四路独立的A/D通道,支持异步外触发,可以在外触发信号的控制下同步完成四路图像的采集工作;(3)视频信号允许输入电压300mV~1V,逐行扫描方式;(4)A/D采集的分辨率是11 bit;

激光器

(1)激光波长:650nm±10nm;(2)激光光形机最佳工作距离:一字线光形,最佳工作距离670mm±30mm;(3)激光线轴箱偏差≤5°;(4)激光器制冷及保护温度:制冷温度20℃±3℃,保护温度50℃±3℃;(5)激光二极管正常工作寿命:10000小时;

2.5 软件工作流程如图5-17所示:

3系统的应用前景

随着铁路及城市地铁的快速发展,对车辆走行部及制动系统的安全检测对列车安全运行起到越来越重要的作用,由于列车长期处于动态运行状态,因此如何动态检测走行部及制动系统的故障隐患,将会起到非常重要应用价值的。

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