潘 實(shí) 吳少培 袁青平

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

0 概述

空鐵交通系統(tǒng)在德國(guó)、日本已運(yùn)營(yíng)多年，技術(shù)成熟且安全可靠，空鐵線路以高架結(jié)構(gòu)形式為主，施工簡(jiǎn)便，空間利用率高且造價(jià)相對(duì)低廉，列車采用橡膠輪胎，爬坡性能良好，產(chǎn)生的噪聲較鋼輪鋼軌系統(tǒng)大幅減小，乘客乘坐列車時(shí)視野寬廣，適宜在景區(qū)設(shè)置，可提供良好的觀光游覽條件[1]。

空鐵交通系統(tǒng)一般采用架空形式進(jìn)行建設(shè)，空鐵列車軌道梁位于列車上方，梁內(nèi)安裝有供電電纜、通信電纜、信號(hào)電纜等重要設(shè)施，軌道梁內(nèi)部巡檢對(duì)于列車的安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要[2]，該文對(duì)軌道梁內(nèi)部巡檢及清掃設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)性的構(gòu)想，為空鐵系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的研制提供了有益的參考。

1 設(shè)備功能需求

空鐵列車轉(zhuǎn)向架位于軌道梁內(nèi)，列車車體位于轉(zhuǎn)向架下方，通過螺栓機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向架連接，懸掛于軌道梁上。軌道梁承載了列車的全部荷載，軌道梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定健康直接關(guān)系著空鐵列車的運(yùn)行安全，為保證空鐵列車運(yùn)營(yíng)安全，需對(duì)空鐵軌道梁進(jìn)行定期巡檢。

空鐵軌道梁通常情況下主要由5 塊鋼制板材焊接而成，軌道梁內(nèi)部?jī)魧挒?80 mm，凈高1 250 mm，軌道梁沿線路縱向每隔一段距離設(shè)置加強(qiáng)肋一處。

軌道梁內(nèi)巡檢作業(yè)空間狹小，軌道梁內(nèi)部?jī)魧拑H780 mm，凈高1 250 mm，依靠檢修人員進(jìn)行巡檢、清潔，作業(yè)強(qiáng)度大，易使巡檢人員產(chǎn)生疲勞感，進(jìn)而增加巡檢作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。亟需研發(fā)一種能替代人力、安全可靠的多功能巡檢及清掃設(shè)備，來承擔(dān)軌道梁軌道梁內(nèi)部巡檢任務(wù)如圖1 所示。

圖1 軌道梁斷面示意圖

軌道梁軌道梁內(nèi)部巡檢的主要內(nèi)容有5 點(diǎn)。1）軌道梁內(nèi)限界檢測(cè)。2）梁體內(nèi)部裂紋、銹蝕檢測(cè)。3）接觸軌安裝情況檢測(cè)。4）梁內(nèi)灰塵、異物的清掃及回收。5）梁內(nèi)其他管線、設(shè)備狀態(tài)的檢測(cè)。

2 設(shè)備方案

2.1 總體技術(shù)方案

軌道梁內(nèi)部巡檢及清掃設(shè)備由運(yùn)行控制系統(tǒng)、動(dòng)力及導(dǎo)向系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、清掃系統(tǒng)、設(shè)備定位系統(tǒng)等組成。巡檢設(shè)備小車頭部安裝有限界檢測(cè)設(shè)施以及圖像檢測(cè)設(shè)施，小車中部安裝有工控機(jī)、PLC 等設(shè)備組成的數(shù)據(jù)采集及控制單元，電動(dòng)機(jī)、變速箱等車輛動(dòng)力單元，車體定位模塊以及無線通信設(shè)施，車底中部安裝超聲波檢測(cè)機(jī)構(gòu)，車體尾部設(shè)置清掃及吸塵設(shè)施，設(shè)備整體采用模塊化設(shè)計(jì)，便于日常使用以及維護(hù)保養(yǎng)?？砧F軌道梁內(nèi)部巡檢及清掃設(shè)備系統(tǒng)組成如圖2 所示，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖2 空鐵軌道梁內(nèi)部巡檢及清掃設(shè)備系統(tǒng)組成示意圖

圖3 空鐵軌道梁內(nèi)部巡檢及清掃設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 控制系統(tǒng)

設(shè)備可選擇人員無線控制、自主巡檢兩種模式進(jìn)行作業(yè)。在人員無線控制模式下操作人員可通過控制臺(tái)對(duì)設(shè)備小車的運(yùn)行及作業(yè)情況進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。設(shè)備自主巡檢模式下，巡檢設(shè)備可依靠設(shè)備小車內(nèi)的工控機(jī)及PLC系統(tǒng)，按照預(yù)先寫入的程序進(jìn)行自主巡檢并將巡檢結(jié)果存儲(chǔ)在設(shè)備小車的工控機(jī)內(nèi)。

2.3 動(dòng)力及導(dǎo)向系統(tǒng)

設(shè)備采用蓄電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)為巡檢小車提供走行動(dòng)力，蓄電池同時(shí)為巡檢設(shè)備控制系統(tǒng)以及各檢測(cè)、清掃等功能模塊提供電力。設(shè)備構(gòu)架采用鋁合金結(jié)構(gòu)，構(gòu)架上設(shè)置走行輪、導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪，驅(qū)動(dòng)輪設(shè)置在小車后部靠近車輛動(dòng)力單元，從動(dòng)輪位于小車前部，設(shè)備小車轉(zhuǎn)向時(shí)由導(dǎo)向輪及穩(wěn)定輪提供轉(zhuǎn)向力。采用閘瓦制動(dòng)為設(shè)備小車提供制動(dòng)力。小車的蓄電池、電動(dòng)機(jī)、減速箱等組成的動(dòng)力單元位于小車中后部。巡檢小車端部設(shè)置有應(yīng)急牽引連掛裝置，在巡檢小車運(yùn)行產(chǎn)生故障時(shí)提供救援條件。

2.4 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)為該巡檢及清掃設(shè)備的重要組成部分，包含空鐵軌道梁內(nèi)部限界檢測(cè)系統(tǒng)、圖像檢測(cè)系統(tǒng)以及超聲波檢測(cè)系統(tǒng)。

2.4.1 限界檢測(cè)系統(tǒng)

限界檢測(cè)系統(tǒng)采用激光掃描對(duì)軌道梁內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量模塊位于巡檢小車前端，可在巡檢設(shè)備運(yùn)行過程中不斷對(duì)軌道梁內(nèi)部斷面進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)傳入設(shè)備小車工控機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采集的空間距離信息經(jīng)空間坐標(biāo)變換建立軌道梁內(nèi)部的二維斷面圖[3]，與標(biāo)準(zhǔn)軌道梁內(nèi)部限界圖進(jìn)行分析比對(duì)，自動(dòng)識(shí)別出侵界位置，將檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并發(fā)出預(yù)警信號(hào)提醒巡檢設(shè)備操作人員。

2.4.2 圖像檢測(cè)系統(tǒng)

圖像檢測(cè)系統(tǒng)配有一臺(tái)工業(yè)高清紅外線點(diǎn)陣攝像機(jī)，該攝像機(jī)將采集到的圖像信息傳輸至巡檢設(shè)備工控機(jī)內(nèi)，經(jīng)過工控機(jī)預(yù)處理后通過無線網(wǎng)傳輸給控制臺(tái)顯示終端，顯示終端可通過圖像自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)軌道梁內(nèi)部情況進(jìn)行檢測(cè)，監(jiān)測(cè)梁內(nèi)接觸軌及其他設(shè)備的安裝情況，智能識(shí)別裂紋、焊縫、銹跡及其他異物，并與數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的軌道梁以往圖像進(jìn)行對(duì)照，對(duì)裂紋、焊縫、銹跡的產(chǎn)生及變化情況進(jìn)行分析并生成報(bào)表，同時(shí)圖像信息也將在顯示在控制臺(tái)顯示終端，控制人員可在控制室內(nèi)監(jiān)控軌道梁內(nèi)部情況，如圖4 所示。

圖4 圖像檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

2.4.3 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)

空軌列車在運(yùn)行過程中膠輪會(huì)與軌道梁產(chǎn)生摩擦、擠壓以及沖擊作用，軌道梁體與承重輪接觸的部分直接承受由橡膠輪施加的荷載，在列車車輪長(zhǎng)期碾壓下，軌道梁體內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在產(chǎn)生損傷的可能性。圖像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)梁體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷難以進(jìn)行有效的識(shí)別，超聲波檢測(cè)系統(tǒng)能很好地對(duì)圖像檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充，對(duì)軌道梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷情況進(jìn)行檢測(cè)。

超聲波檢測(cè)系統(tǒng)（圖5）通過收集分析其所發(fā)射的超聲波在被測(cè)物體缺陷部分反射回的信號(hào)，來獲得被測(cè)物體的內(nèi)部缺陷信息，超聲波反射法具有定位精確、檢測(cè)靈敏以及操作方便的優(yōu)點(diǎn)[4-5]。超聲波檢測(cè)系統(tǒng)包括超聲波探頭，噴淋耦合機(jī)構(gòu)，信號(hào)發(fā)射、采集、分析處理器以及配套軟件系統(tǒng)。首先由超聲波檢測(cè)系統(tǒng)向軌道梁發(fā)射超聲波，之后對(duì)反射回的超聲波進(jìn)行收集，收集的信號(hào)經(jīng)處理后傳輸至工控機(jī)內(nèi)，在工控機(jī)內(nèi)通過軟件進(jìn)一步分析，完成對(duì)軌道梁損傷的識(shí)別與損傷信息的存儲(chǔ)任務(wù)。

圖5 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

2.5 清掃系統(tǒng)

由于空鐵列車采用膠輪系統(tǒng)，在列車啟動(dòng)、制動(dòng)、加減速、轉(zhuǎn)向的過程中，橡膠輪胎與箱梁內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的橡膠碎屑會(huì)存留在箱梁內(nèi)部，同時(shí)風(fēng)沙也會(huì)將灰塵等通過箱梁下部的開口處吹送入箱梁內(nèi)部，需對(duì)箱梁內(nèi)部進(jìn)行定期清掃，本設(shè)備在巡檢過程中首先采用毛刷對(duì)箱梁內(nèi)部進(jìn)行全方位預(yù)清掃，之后用吸塵裝置將清掃的灰塵等進(jìn)行收集，保證了箱體內(nèi)部的清潔，防止了箱體內(nèi)存留灰塵等異物對(duì)車輛運(yùn)行造成的不良影響。

2.6 定位系統(tǒng)

巡檢及清掃設(shè)備采用RFID（射頻識(shí)別）定位技術(shù)與輪對(duì)編碼器測(cè)距相結(jié)合的方式完成設(shè)備小車的定位，軌道梁內(nèi)部每隔一段距離設(shè)置一處無源電子標(biāo)簽，通過巡檢小車上的讀取器發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，電子標(biāo)簽接收到射頻信號(hào)后將里程信息反饋給讀取器[6]，再通過采集走行輪輪轂上安裝的編碼器旋轉(zhuǎn)圈數(shù)對(duì)設(shè)備的走行距離進(jìn)行校正，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的準(zhǔn)確定位，如圖6 所示。

圖6 定位系統(tǒng)示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)空鐵軌道梁內(nèi)部巡檢及清掃設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)性的構(gòu)想，根據(jù)空鐵軌道梁巡檢需求，設(shè)計(jì)巡檢設(shè)備的各功能模塊，使各模塊有機(jī)結(jié)合，將超聲波檢測(cè)系統(tǒng)、清掃系統(tǒng)創(chuàng)新性地引入到了空鐵軌道梁巡檢設(shè)備的設(shè)計(jì)之中，較國(guó)內(nèi)目前研發(fā)的巡檢設(shè)備功能更加完善，預(yù)計(jì)可有效降低巡檢人員的作業(yè)強(qiáng)度，提高巡檢效率。在未來實(shí)際應(yīng)用過程中還將根據(jù)運(yùn)營(yíng)單位反饋的意見對(duì)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化。