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        空鐵軌道梁內(nèi)部巡檢及清掃設(shè)備構(gòu)想

        2020-07-16 03:02:14吳少培袁青平
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2020年9期
        關(guān)鍵詞:空鐵工控機小車

        潘 實 吳少培 袁青平

        (中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300308)

        0 概述

        空鐵交通系統(tǒng)在德國、日本已運營多年,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,施工簡便,空間利用率高且造價相對低廉,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、信號電纜等重要設(shè)施,軌道梁內(nèi)部巡檢對于列車的安全運營至關(guān)重要[2],該文對軌道梁內(nèi)部巡檢及清掃設(shè)備進行系統(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)系著空鐵列車的運行安全,為保證空鐵列車運營安全,需對空鐵軌道梁進行定期巡檢。

        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)部凈寬為780 mm,凈高1 250 mm,軌道梁沿線路縱向每隔一段距離設(shè)置加強肋一處。

        軌道梁內(nèi)巡檢作業(yè)空間狹小,軌道梁內(nèi)部凈寬僅780 mm,凈高1 250 mm,依靠檢修人員進行巡檢、清潔,作業(yè)強度大,易使巡檢人員產(chǎn)生疲勞感,進而增加巡檢作業(yè)的安全風(fēng)險。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。1)軌道梁內(nèi)限界檢測。2)梁體內(nèi)部裂紋、銹蝕檢測。3)接觸軌安裝情況檢測。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。

        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)備由運行控制系統(tǒng)、動力及導(dǎo)向系統(tǒng)、檢測系統(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設(shè)施以及圖像檢測設(shè)施,小車中部安裝有工控機、PLC 等設(shè)備組成的數(shù)據(jù)采集及控制單元,電動機、變速箱等車輛動力單元,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機構(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,便于日常使用以及維護保養(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行作業(yè)。在人員無線控制模式下操作人員可通過控制臺對設(shè)備小車的運行及作業(yè)情況進行控制和監(jiān)測。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)的工控機及PLC系統(tǒng),按照預(yù)先寫入的程序進行自主巡檢并將巡檢結(jié)果存儲在設(shè)備小車的工控機內(nèi)。

        2.3 動力及導(dǎo)向系統(tǒng)

        設(shè)備采用蓄電池驅(qū)動電機為巡檢小車提供走行動力,蓄電池同時為巡檢設(shè)備控制系統(tǒng)以及各檢測、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)動輪設(shè)置在小車后部靠近車輛動力單元,從動輪位于小車前部,設(shè)備小車轉(zhuǎn)向時由導(dǎo)向輪及穩(wěn)定輪提供轉(zhuǎn)向力。采用閘瓦制動為設(shè)備小車提供制動力。小車的蓄電池、電動機、減速箱等組成的動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,在巡檢小車運行產(chǎn)生故障時提供救援條件。

        2.4 檢測系統(tǒng)

        檢測系統(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)部限界檢測系統(tǒng)、圖像檢測系統(tǒng)以及超聲波檢測系統(tǒng)。

        2.4.1 限界檢測系統(tǒng)

        限界檢測系統(tǒng)采用激光掃描對軌道梁內(nèi)部進行檢測,測量模塊位于巡檢小車前端,可在巡檢設(shè)備運行過程中不斷對軌道梁內(nèi)部斷面進行測量,將測量數(shù)據(jù)傳入設(shè)備小車工控機內(nèi)進行數(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)部限界圖進行分析比對,自動識別出侵界位置,將檢測結(jié)果數(shù)據(jù)存儲并發(fā)出預(yù)警信號提醒巡檢設(shè)備操作人員。

        2.4.2 圖像檢測系統(tǒng)

        圖像檢測系統(tǒng)配有一臺工業(yè)高清紅外線點陣攝像機,該攝像機將采集到的圖像信息傳輸至巡檢設(shè)備工控機內(nèi),經(jīng)過工控機預(yù)處理后通過無線網(wǎng)傳輸給控制臺顯示終端,顯示終端可通過圖像自動識別系統(tǒng)對軌道梁內(nèi)部情況進行檢測,監(jiān)測梁內(nèi)接觸軌及其他設(shè)備的安裝情況,智能識別裂紋、焊縫、銹跡及其他異物,并與數(shù)據(jù)庫內(nèi)的軌道梁以往圖像進行對照,對裂紋、焊縫、銹跡的產(chǎn)生及變化情況進行分析并生成報表,同時圖像信息也將在顯示在控制臺顯示終端,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 圖像檢測系統(tǒng)示意圖

        2.4.3 超聲波檢測系統(tǒng)

        空軌列車在運行過程中膠輪會與軌道梁產(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。圖像檢測系統(tǒng)對梁體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷難以進行有效的識別,超聲波檢測系統(tǒng)能很好地對圖像檢測系統(tǒng)進行補充,對軌道梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷情況進行檢測。

        超聲波檢測系統(tǒng)(圖5)通過收集分析其所發(fā)射的超聲波在被測物體缺陷部分反射回的信號,來獲得被測物體的內(nèi)部缺陷信息,超聲波反射法具有定位精確、檢測靈敏以及操作方便的優(yōu)點[4-5]。超聲波檢測系統(tǒng)包括超聲波探頭,噴淋耦合機構(gòu),信號發(fā)射、采集、分析處理器以及配套軟件系統(tǒng)。首先由超聲波檢測系統(tǒng)向軌道梁發(fā)射超聲波,之后對反射回的超聲波進行收集,收集的信號經(jīng)處理后傳輸至工控機內(nèi),在工控機內(nèi)通過軟件進一步分析,完成對軌道梁損傷的識別與損傷信息的存儲任務(wù)。

        圖5 超聲波檢測系統(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、制動、加減速、轉(zhuǎn)向的過程中,橡膠輪胎與箱梁內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的橡膠碎屑會存留在箱梁內(nèi)部,同時風(fēng)沙也會將灰塵等通過箱梁下部的開口處吹送入箱梁內(nèi)部,需對箱梁內(nèi)部進行定期清掃,本設(shè)備在巡檢過程中首先采用毛刷對箱梁內(nèi)部進行全方位預(yù)清掃,之后用吸塵裝置將清掃的灰塵等進行收集,保證了箱體內(nèi)部的清潔,防止了箱體內(nèi)存留灰塵等異物對車輛運行造成的不良影響。

        2.6 定位系統(tǒng)

        巡檢及清掃設(shè)備采用RFID(射頻識別)定位技術(shù)與輪對編碼器測距相結(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,電子標(biāo)簽接收到射頻信號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)對設(shè)備的走行距離進行校正,從而實現(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

        該文對空鐵軌道梁內(nèi)部巡檢及清掃設(shè)備進行了系統(tǒng)性的構(gòu)想,根據(jù)空鐵軌道梁巡檢需求,設(shè)計巡檢設(shè)備的各功能模塊,使各模塊有機結(jié)合,將超聲波檢測系統(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)計之中,較國內(nèi)目前研發(fā)的巡檢設(shè)備功能更加完善,預(yù)計可有效降低巡檢人員的作業(yè)強度,提高巡檢效率。在未來實際應(yīng)用過程中還將根據(jù)運營單位反饋的意見對設(shè)備進行進一步的改進和優(yōu)化。

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