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(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620)

0 引言

隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展，現(xiàn)階段軌道交通已經(jīng)成為城市建設(shè)進(jìn)程中必不可少的元素，進(jìn)而軌道交通的安全問(wèn)題日益凸顯，其中扣件是連接鋼軌和軌枕的中間連結(jié)零件，能夠有效固定軌道間的距離，避免鋼軌的縱橫向移動(dòng)?？奂娜鄙俦厝粺o(wú)法保障人們的出行安全，目前人工巡檢的方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足軌道發(fā)展的需要，為了確保地鐵運(yùn)營(yíng)的安全，研究設(shè)計(jì)一種軌道扣件檢測(cè)系統(tǒng)，具有輕量化、集成度高、維修方便、安全可靠等特點(diǎn)[1]，保證高速運(yùn)行軌檢車(chē)能夠滿(mǎn)足扣件檢修的要求。

目前國(guó)外的檢測(cè)裝置研究開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，比較普遍的是美國(guó)的VIS軌道視頻檢測(cè)系統(tǒng)；法國(guó)的MGV高速綜合檢測(cè)列車(chē)以及德國(guó)的Rail Scan和Rail Check系統(tǒng)[2]，相比于20世紀(jì)90年代開(kāi)始研究的國(guó)內(nèi)，從最開(kāi)始的接觸測(cè)量到現(xiàn)在的非接觸式測(cè)量，首先在國(guó)外軌檢技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了GJ-3型軌檢車(chē)，之后和美國(guó)ENSCO公司合作完成了XGJ-1型軌檢車(chē)，后來(lái)分別在1998年和2001年研發(fā)引進(jìn)了GJ-4以及GJ-5型軌檢車(chē)，目前我國(guó)在軌道上的軌檢設(shè)備已經(jīng)具備相對(duì)規(guī)模，但國(guó)外的技術(shù)相對(duì)的更成熟，自動(dòng)化程度更高。所以本文提出了一種軌道扣件檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行有限元分析以及實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。

1 軌道扣件檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案

軌道扣件檢測(cè)系統(tǒng)分為多個(gè)模塊[3]，主要包括：照明系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)，照明系統(tǒng)提供采集圖像光源，攝像系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)，懸掛系統(tǒng)起到了與車(chē)輛轉(zhuǎn)向架以及主梁體連接的作用，到目前為止,很多扣件檢測(cè)系統(tǒng)都是安裝在軸箱上，但其振動(dòng)會(huì)影響采集圖像的質(zhì)量。所以為了避免上述問(wèn)題，本系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際場(chǎng)地要求，安裝于轉(zhuǎn)向架一系減震彈簧構(gòu)架前端，在復(fù)雜環(huán)境情況下能夠?qū)崿F(xiàn)扣件狀態(tài)的檢測(cè)，整個(gè)扣件檢測(cè)系統(tǒng)由線(xiàn)陣相機(jī)、線(xiàn)性光源、減震墊、機(jī)械懸掛裝置等組成，并針對(duì)系統(tǒng)主要設(shè)備進(jìn)行參數(shù)選型，整個(gè)設(shè)備應(yīng)該易于裝配以及維修，裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 扣件檢測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2 軌道扣件檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)整套扣件檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中，各個(gè)部分都是相互聯(lián)系協(xié)調(diào)作用，不存在孤立的個(gè)體，我們綜合軌道現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境以及測(cè)試的要求[4]，進(jìn)行攝像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備的選型和可行性分析，最終搭建成一個(gè)整體。

2.1 相機(jī)的選型

CCD相機(jī)按照傳感器芯片的結(jié)構(gòu)不同分為線(xiàn)陣相機(jī)和面陣相機(jī)，線(xiàn)陣相機(jī)的傳感器只有一行感光元素，特點(diǎn)是高掃描頻率和高分辨率，面陣相機(jī)可以獲取圖像二維信息，但是所占用的空間較大，會(huì)導(dǎo)致使用過(guò)程中會(huì)降低圖像采集和存儲(chǔ)的速度，在價(jià)格上同等條件的線(xiàn)陣相機(jī)也是低于面陣相機(jī)，因此在要求高分辨率的情況下，線(xiàn)陣相機(jī)更適合本軌道扣件檢測(cè)系統(tǒng)。圖像采集的速率假設(shè)為v(km/h)，圖像的精度要求設(shè)置為0.5 mm，計(jì)算參數(shù)如下：

W=250+100×2=450 mm

(1)

拍攝視場(chǎng)需要覆蓋鋼軌兩側(cè)扣件以及部分軌枕，視野設(shè)計(jì)精度0.5 mm，則相機(jī)的像素?cái)?shù)計(jì)算如下：

N=450÷0.5=900(Pixel)

(2)

所以至少選擇分辨率大于1024(pixel)的相機(jī)。

線(xiàn)掃描速率與車(chē)速以及圖像精度有關(guān)：

(3)

得到了線(xiàn)陣相機(jī)最重要的兩個(gè)參數(shù)。除此之外還需要考慮圖像的顏色和相機(jī)的輸出接口形式，可以綜合相機(jī)性能選出合適的線(xiàn)陣相機(jī)。

2.2 鏡頭的選型

鏡頭按焦距是否可以調(diào)節(jié)分為定焦和變焦兩大類(lèi)，根據(jù)實(shí)際環(huán)境情況，定焦的成像往往好于變焦，并且我們根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)的要求，該攝像系統(tǒng)用于高速運(yùn)動(dòng)下拍攝物體，安裝高度是一定的，不需要進(jìn)行視場(chǎng)的變換，所以我們?cè)诒鞠到y(tǒng)當(dāng)中選擇定焦鏡頭，我們對(duì)鏡頭的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

在軌道扣件圖像采集系統(tǒng)當(dāng)中，線(xiàn)陣CCD相機(jī)的拍攝視場(chǎng)大約450 mm，其焦距計(jì)算公式：

(4)

其中：f為焦距;w為相機(jī)成像面尺寸;W為視野;L為相機(jī)最大工作距離。

根據(jù)實(shí)際環(huán)境最大工作距離約500 mm，假設(shè)相機(jī)的像素尺寸為10 μm，由公式計(jì)算相機(jī)焦距:

(5)

搜索資料，最終我們選擇焦距為25 mm的定焦鏡頭，型號(hào)23HR2541C。

2.3 光源系統(tǒng)的選型

由于拍攝情況照明嚴(yán)重不足，如果不采用主動(dòng)打光會(huì)導(dǎo)致圖像處理平臺(tái)無(wú)法正常運(yùn)行，所以需要在圖像采集端安裝照明設(shè)備,照明系統(tǒng)可以選擇持續(xù)性照明或者頻閃照明，但是由于地鐵線(xiàn)路光線(xiàn)較為復(fù)雜，雖然頻閃光源在一定程度上能夠減少能耗，但是從檢測(cè)的效果來(lái)講還是需要采用持續(xù)照明。本系統(tǒng)采用激光照明，采用兩側(cè)打光的方式對(duì)地鐵扣件進(jìn)行照射，進(jìn)行圖像的收集。

光源可以弱化外部光照對(duì)扣件檢測(cè)的影響，并且絕大部分檢測(cè)時(shí)間都是在夜晚，所以要采用主動(dòng)照明方式，參照照明系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型如圖2 所示。

圖2 照明系統(tǒng)模型

其中:d代表光源的總寬度，Δh為扣件區(qū)域高度，θ為光線(xiàn)的入射角，有效光帶最低點(diǎn)與扣件區(qū)域上表面的距離為Hg，相機(jī)感光區(qū)域與區(qū)域上表面的距離為Hf，有效光帶最低點(diǎn)與相機(jī)感光區(qū)域最遠(yuǎn)處的投影之間的距離為l。其中l(wèi) 由三部分組成，所以:

l=(Hg+Hf+Δh)·tanθ

(6)

在確定相機(jī)型號(hào)時(shí)，光線(xiàn)的入射角就被確定下來(lái)了，相機(jī)感光區(qū)域與上表面距離在50～60 cm之間，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

激光光源的波長(zhǎng)要和選擇相機(jī)的光譜響應(yīng)性相匹配，波長(zhǎng)為650 mm。

2.4 減振橡膠的選型

在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，會(huì)有振動(dòng)的沖擊，我們需要減振器進(jìn)行沖擊防護(hù)，設(shè)計(jì)減振器最重要的是是確定兩個(gè)參數(shù)，剛度和阻尼比，其中阻尼比由材料本身決定無(wú)法改變(在合理范圍內(nèi)發(fā)生小變化)，結(jié)合扣件檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際需求，減振器的固有頻率要在運(yùn)行的條件下盡可能的小并且避開(kāi)外界的激勵(lì)頻率，橡膠減振器的本征頻率大約為20 Hz,這套系統(tǒng)采用一對(duì)橡膠減振器對(duì)稱(chēng)安裝，整體重量包括相機(jī)、光源、箱體等質(zhì)量大約40 kg，根據(jù)減振原理：

Kd=(2πfn)2M

(7)

其中：fn為橡膠減振器本征頻率;Kd為動(dòng)剛度；M為承受載荷。

在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中一般選用靜剛度，動(dòng)剛度與靜剛度的比值n大于1，一般在1.2～1.5之間，我們選取1.3，所以最終靜剛度：

(8)

3 軌道扣件檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)扣件檢測(cè)系統(tǒng)滿(mǎn)足相機(jī)拍攝高度距扣件500 mm, 整體結(jié)構(gòu)采用拼焊栓接形式，系統(tǒng)關(guān)于軌道中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)。并且可以在惡劣天氣比如雨雪、暴風(fēng)下進(jìn)行非接觸性檢測(cè)，并將拍攝的圖片立即反饋與軟件中進(jìn)行判斷為維修提供便利。主梁體中包括各傳感器安裝，懸掛系統(tǒng)連接車(chē)體轉(zhuǎn)向架為主要受載體，重點(diǎn)設(shè)計(jì)主梁體和懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[5]。

3.1 梁體的設(shè)計(jì)

檢測(cè)梁體是安裝傳感器的載體，材質(zhì)選用Q345E鋼板，要求可以承受-40°的低溫，能夠保證設(shè)備之間穩(wěn)固，并且設(shè)備本身也具有抗擊沖擊的能力，通過(guò)柔性套管外包不銹鋼保護(hù)管對(duì)布線(xiàn)進(jìn)行保護(hù)，在安裝及連接環(huán)節(jié)考慮安全余量，設(shè)計(jì)多級(jí)安全保護(hù)[6]。其中為減輕整體梁體質(zhì)量，兩邊開(kāi)減重孔,總體梁體成密封箱體，防止灰塵進(jìn)入，頂部預(yù)留傳感器的安裝孔便于拆裝傳感器底部安裝玻璃進(jìn)行封底，既可以進(jìn)行拍攝又保護(hù)設(shè)備，減重孔四周用防塵罩擋住。最后在整體梁的外表面進(jìn)行噴涂防潮、防水并且不易脫落的油漆，可以使設(shè)備使用壽命延長(zhǎng)，防止被腐蝕氧化。

圖3 扣件檢測(cè)系統(tǒng)梁體

3.2 懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

懸掛系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)體懸出面過(guò)大，在這樣的情況下結(jié)構(gòu)本身的連接面所能承受的載荷有限，所以則在兩側(cè)的公共垂直面上安裝加強(qiáng)筋，增強(qiáng)懸掛系統(tǒng)的強(qiáng)度，下方安裝橡膠減震器，主要是為了減少高速檢測(cè)時(shí)由于軌道不平順帶來(lái)的振動(dòng)與沖擊，之間安裝用來(lái)微調(diào)梁體與軌面之間高度的調(diào)整墊片，在懸掛系統(tǒng)與構(gòu)架連接處開(kāi)6個(gè)螺栓孔[7-9]。懸掛系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 懸掛系統(tǒng)

4 軌道扣件檢測(cè)系統(tǒng)的強(qiáng)度分析

4.1 懸掛系統(tǒng)與車(chē)體構(gòu)架連接螺栓強(qiáng)度分析

軌道扣件檢測(cè)系統(tǒng)的總質(zhì)量約50 kg，空氣的阻力P忽略不計(jì)，在整個(gè)軌道檢測(cè)車(chē)實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)會(huì)受到?jīng)_擊加速度的影響，這個(gè)加速度大概是重力加速度的15倍左右，所以懸掛系統(tǒng)和車(chē)體構(gòu)架之間的最大作用力為：

∑Fmax=M×16g≈50×160=8000 N

(9)

螺栓的選擇必須是高強(qiáng)度的也就是8.8級(jí)以上的螺栓，這里選擇12.9級(jí)的M20螺栓，一共6個(gè)所以每個(gè)螺栓承受的最大工作剪力1333 N。

螺栓桿與固定支座的擠壓強(qiáng)度為：

(10)

螺栓桿的固定支座的剪切強(qiáng)度為：

(11)

其中：F為螺栓受到的工作剪力；d0為螺栓剪切面的直徑(可以取螺栓孔的直徑)；Lmin為螺栓桿與孔壁擠壓面的最小厚度(mm)。

許用切應(yīng)力、許用擠壓應(yīng)力安全系數(shù)Sτ、Sp均取為6.8，那么得出螺栓的許用切應(yīng)力和許用擠壓應(yīng)力均為137 MPa，所以螺栓的強(qiáng)度足夠。

4.2 懸掛系統(tǒng)與梁體雙頭螺栓連接強(qiáng)度分析

去除吊臂的部分剩余的質(zhì)量大概40 kg，同理15倍的加速度沖擊也就是6400 N，我們一共選用兩個(gè)螺栓，每個(gè)螺栓最大承受3200 N，這兩個(gè)螺栓受力的方向和重力方向相同，受到拉伸力作用，所以雙頭螺栓桿的拉伸強(qiáng)度為：

(12)

其中：F為螺栓受到的工作剪力；d0為雙頭螺栓的直徑(mm)。

我們選用的雙頭螺柱的材料為40Cr，這種材料的屈服強(qiáng)度是785 MPa，算出拉伸的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，所以強(qiáng)度符合要求可以使用。

5 軌道扣件檢測(cè)系統(tǒng)的有限元分析與實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

5.1 扣件檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有限元分析

整個(gè)流程包括將建立好的三維模型構(gòu)成的有限元模型導(dǎo)入分析系統(tǒng)當(dāng)中，之后對(duì)材料進(jìn)行設(shè)置，劃分網(wǎng)格，施加載荷和約束條件，通過(guò)內(nèi)置的求解器進(jìn)行求解分析[10-12]。

首先將SolidWorks軟件中繪制的軌道檢測(cè)系統(tǒng)三維模型導(dǎo)入Workbench中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型必須簡(jiǎn)化才能節(jié)約分析的時(shí)間[13-15]，這個(gè)模型主要包括吊臂、減震橡膠、主梁體,為了簡(jiǎn)化分析吊臂和主梁體都是加載Q345E鋼板材料，分析檢測(cè)設(shè)備在工作過(guò)程中的受力和變形情況我們認(rèn)為與車(chē)體連接部分添加為固定約束，沖擊加速度取最大，大約重力加速度的15倍，利用meshing模塊劃分網(wǎng)格，最終得到個(gè)13307個(gè)單元，33053個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 扣件檢測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)格劃分圖

圖6 扣件檢測(cè)系統(tǒng)車(chē)載結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D

圖7 扣件檢測(cè)系統(tǒng)車(chē)載結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖6和圖7分別是扣件檢測(cè)系統(tǒng)受到工作載荷下的應(yīng)變以及應(yīng)力云圖，由圖6可知，變形由兩邊向中間逐步增大，根據(jù)圖中的標(biāo)識(shí)和數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)最大等效變形量為1.3464 mm左右，變形量在可以承受的范圍之內(nèi)，所以認(rèn)為該結(jié)構(gòu)可以保證正常巡檢，根據(jù)圖7可以發(fā)現(xiàn)最大等效應(yīng)力為0.247 Mpa，主要分布在底板玻璃附近，查相關(guān)資料，玻璃的屈服強(qiáng)度1.6～2.3 GPa，最大等效應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)所用材料的屈服強(qiáng)度，符合系統(tǒng)要求。

5.2 軌道扣件檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

表1 控制變量實(shí)驗(yàn)取值

圖8 改變Hf的成像效果圖

圖9 改變l的成像效果圖

Hf的改變并沒(méi)有對(duì)成像效果產(chǎn)生明顯變化，而l的改變對(duì)成像影響則比較明顯，因此在實(shí)際調(diào)節(jié)過(guò)程中，控制l的大小，即可使線(xiàn)陣相機(jī)獲得較好的攝像環(huán)境。

為了驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的性能，利用攝像系統(tǒng)拍攝到的扣件狀態(tài)輸入到檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)圖像采集端進(jìn)行拍攝扣件的圖像，在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)進(jìn)行50次拍攝，得到扣件拍攝圖像，如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)采集扣件圖像實(shí)例

像素距離可以通過(guò)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換為扣件表面離相機(jī)表面距離，所以可以通過(guò)判斷特征距離與設(shè)定像素距離為904.5 mm的差值大小來(lái)判斷扣件處于扣緊還是非扣緊狀態(tài)，系統(tǒng)選定誤差偏離20 mm為未扣緊扣件，試驗(yàn)結(jié)果顯示扣件編號(hào)為123455的扣件特征距離為1078 mm左右，偏離較大，故為未扣緊扣件，標(biāo)記紅色，單獨(dú)存儲(chǔ)。因此可以得出結(jié)論扣件檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)軌道車(chē)輛整體環(huán)境的測(cè)量與研究，設(shè)計(jì)了軌道扣件檢測(cè)系統(tǒng)。重點(diǎn)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析與計(jì)算，在此基礎(chǔ)上結(jié)合車(chē)輛自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)主梁體和懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，校核懸掛系統(tǒng)的螺栓強(qiáng)度，驗(yàn)證是滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的，可以安全使用，通過(guò)有限元分析，得到軌道扣件車(chē)載檢測(cè)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和剛度，最后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬運(yùn)行試驗(yàn)，重點(diǎn)驗(yàn)證系統(tǒng)光源照明效果影響因素以及整體系統(tǒng)的檢測(cè)可行性。為軌道扣件圖像的采集提供了有效的參考。