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便携式钢轨磨耗检测系统：技术创新与应用探索

一、引言

1.1研究背景与意义

随着经济的快速发展和城市化进程的加速，铁路运输作为一种高效、安全、大运量的运输方式，在现代交通运输体系中占据着举足轻重的地位。近年来，我国铁路事业取得了举世瞩目的成就，截至2024年底，全国铁路营业里程达到15.6万公里，其中高速铁路营业里程超过4万公里，铁路运输在国民经济发展中发挥着愈发关键的作用。

在铁路系统中，钢轨是列车运行的基础支撑部件，其性能和状态直接关系到铁路运输的安全与效率。然而，在列车长期运行过程中，钢轨受到车轮的滚动摩擦、滑动摩擦、冲击载荷以及各种复杂环境因素的影响，不可避免地会出现磨耗现象。钢轨磨耗是一个复杂的物理过程，主要包括垂直磨耗、侧面磨耗和波浪形磨耗等形式。垂直磨耗表现为钢轨顶面高度的降低，侧面磨耗则是钢轨侧面的磨损，波浪形磨耗呈现为钢轨表面周期性的凹凸不平。

钢轨磨耗会对铁路运输产生诸多不利影响。首先，严重威胁铁路运输安全。磨耗会导致钢轨的几何形状发生改变，降低其承载能力和稳定性。当钢轨磨耗超过一定限度时，可能引发轨道几何尺寸超限，使列车在运行过程中产生剧烈振动和晃动，增加脱轨、颠覆等安全事故的发生风险，严重危及旅客生命财产安全。例如，20XX年X月X日，某地区铁路因钢轨磨耗严重未及时发现，导致列车在行驶过程中突然脱轨，造成了重大人员伤亡和财产损失。

其次，显著增加铁路运营成本。钢轨磨耗缩短了钢轨的使用寿命，需要频繁进行更换和维修，这不仅耗费大量的人力、物力和财力，还会导致铁路线路的停运，影响运输效率，造成间接经济损失。据统计，每年我国铁路系统因钢轨磨耗而产生的维修和更换费用高达数十亿元。此外，磨耗还会使列车运行阻力增大，增加能源消耗，进一步提高运营成本。

再者，严重影响旅客的乘坐体验。磨耗后的钢轨表面不平整，会使列车运行时产生较大的噪音和颠簸，降低旅客的舒适度，不利于铁路运输服务质量的提升。在竞争激烈的运输市场环境下，这可能导致铁路运输失去部分客源，影响铁路行业的可持续发展。

传统的钢轨磨耗检测方法主要依赖人工巡检和简单的测量工具，如卡尺、样板等。这些方法存在诸多局限性，人工巡检效率低下，检测范围有限，且受检测人员主观因素和工作环境的影响较大，难以保证检测的准确性和及时性；简单测量工具只能进行单点或局部测量，无法全面获取钢轨的磨耗信息。随着铁路运输的快速发展和对运输安全要求的不断提高，传统检测方法已无法满足实际需求。

因此，开发一种高效、准确、便捷的便携式钢轨磨耗检测系统具有重要的现实意义。它能够实现对钢轨磨耗的快速、精确检测，及时发现钢轨的安全隐患，为铁路部门采取有效的维护措施提供科学依据，从而保障铁路运输的安全稳定运行；同时，该系统还能提高检测效率，降低检测成本，减少因检测不及时或不准确而导致的铁路运营事故和经济损失，具有显著的经济效益和社会效益。

1.2国内外研究现状

钢轨磨耗检测技术一直是铁路领域的研究热点，国内外学者和科研机构在该领域开展了大量的研究工作，取得了一系列的研究成果。

在国外，美国、德国、日本等铁路发达国家在钢轨磨耗检测技术方面处于领先地位。美国的IEM公司研发的激光轨道轮廓仪，采用非接触激光传感器测量技术，能够完整测量轨头横断面磨损情况，具有体积小、轻便携带等优点，可满足部分检测场景的需求。不过，其分辨率和精度相对较低，在一些对检测精度要求较高的场合，应用受到一定限制。德国Vogel公司的SKM1采用接触式测量方式进行数据测量，通过轨地面进行机械定位，这种方式在特定规格钢轨测量中能够发挥较好的作用。然而，其只能用于特定规格的钢轨测量，适用范围较为狭窄，难以满足多样化的铁路线路检测需求。

国内在钢轨磨耗检测技术方面也取得了显著进展。许多高校和科研机构针对钢轨磨耗检测开展了深入研究，提出了多种检测方法和技术。例如，基于结构光测量技术的钢轨磨耗测量方法，通过投射结构光到钢轨表面，利用相机采集反射光图像，经过图像处理和分析，能够精确地测量钢轨磨损和轮轨接触面的跑偏情况，为判定钢轨磨损及更换时机提供了科学依据，在测量精度和数据处理上优于传统的测量方法。还有基于线激光-机器视觉的钢轨磨耗检测技术，通过高精度的线激光扫描和机器视觉技术，实现对钢轨磨耗的快速、准确检测。该技术通过线激光扫描器对钢轨进行快速、精确的扫描，工业相机捕捉激光扫描的图像信息，再经过图像采集卡将图像信息传输到计算机进行处理，在图像处理算法和磨耗检测算法的支持下，完成对钢轨磨耗的判断和评估，在实际应用中展现出较高的检测精度和稳定性。

传统的钢轨磨耗检测方法，如目视判断法、铣刀法、光电传感器法等，虽然在一定时期内为钢轨磨耗检测发挥了作用，但存在诸多明显的缺陷。目视判断法主要依赖检测人员的肉眼观察