青島懸掛式單軌軌道梁內(nèi)部巡檢設(shè)備研制

張學(xué)軍 王孔明 徐銀光 孫付春 吳柏強(qiáng)

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司物資部，266031，青島；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院，610031，成都；3.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，610106，成都；4.成都海逸機(jī)電設(shè)備有限公司，610106，成都//第一作者，工程師)

懸掛式單軌交通系統(tǒng)充分利用了城市空間、節(jié)約了寶貴的地面道路資源。該系統(tǒng)在德國(guó)和日本等國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用尚在起步階段。目前，國(guó)內(nèi)規(guī)劃的懸掛式單軌交通系統(tǒng)已超過400 km，上海、青島、成都、貴陽等20多個(gè)城市已對(duì)其開展前期研究和論證工作。懸掛式單軌交通系統(tǒng)市場(chǎng)前景廣闊[1]。

懸掛式單軌交通軌道梁一般架空建設(shè)(離地高度一般約11 m)，列車轉(zhuǎn)向架置于箱型軌道梁內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)列車懸吊于軌道梁下方，且其車底離地高度不低于5 m[1]。軌道梁內(nèi)布置有道岔、供電軌、供電電纜、通信電纜、信號(hào)軌旁設(shè)備及信號(hào)電纜等較多設(shè)備設(shè)施，工程造價(jià)約1.4億元/km。這些高價(jià)值設(shè)備設(shè)施的巡檢、維修和保養(yǎng)對(duì)于懸掛式單軌交通的運(yùn)營(yíng)安全至關(guān)重要[1]。軌道梁內(nèi)空間極為狹窄，不便于維修人員通行和器材運(yùn)輸；另外，突發(fā)故障情況下乘客無法借用軌道梁進(jìn)行疏散，且向地面疏散也極為不便，這對(duì)軌道梁維修保養(yǎng)提出了很高的要求?；诖?，本文詳細(xì)分析了青島四方機(jī)車車輛股份有限公司懸掛式單軌車輛試驗(yàn)線(以下簡(jiǎn)稱“青島懸掛式單軌試驗(yàn)線”)軌道梁巡檢需求，研制了軌道梁內(nèi)部巡檢設(shè)備，為今后國(guó)內(nèi)懸掛式單軌交通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理提供了有益參考。

1 青島懸掛式單軌試驗(yàn)線項(xiàng)目概況

青島懸掛式單軌試驗(yàn)線位于青島市城陽區(qū)中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司南廠區(qū)內(nèi)，能滿足車輛出廠前的組裝、靜態(tài)調(diào)試、動(dòng)態(tài)調(diào)試等需要。試驗(yàn)線全長(zhǎng)約830 m，其中正線長(zhǎng)約630 m，出入庫線長(zhǎng)約200 m。試驗(yàn)線利用既有C10 廠房作為整備庫，庫內(nèi)新增車輛檢修平臺(tái)。試驗(yàn)線平面布置[2]如圖1所示。

試驗(yàn)線主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2]如下：試驗(yàn)線最小曲線半徑為50 m，最大坡度35‰；列車在其單線(正線)上的最高運(yùn)行速度為50 km/h；列車采用3輛編組(全動(dòng)車)，列車尺寸為2.30 m(寬)×32.13 m(長(zhǎng))，最大軸重不大于5 t；供電方式為DC 750 V接觸軌受電。

軌道梁是由5塊鋼質(zhì)板焊接而成且其下部開口的箱型梁結(jié)構(gòu)。軌道梁下部開口寬約210 mm、梁內(nèi)腔寬為780 mm、內(nèi)腔高為1 200 mm，梁內(nèi)上部設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)，梁內(nèi)凈空高度為1 100 mm。接觸軌布置于軌道梁內(nèi)側(cè)，上方接觸軌為DC 750 V正極，下方接觸軌為回流軌。試驗(yàn)線直線段軌道梁斷面布置[2]如圖2所示。

圖1 青島懸掛式單軌試驗(yàn)線平面布置示意圖

圖2 試驗(yàn)線直線段軌道梁斷面布置圖

2 軌道梁內(nèi)部巡檢功能需求

2.1 軌道梁內(nèi)部巡檢、維修檢查需求

軌道梁內(nèi)部巡檢和綜合維修的主要內(nèi)容有：①梁內(nèi)部焊縫裂紋、銹蝕等的檢測(cè)及維護(hù)處理；②梁內(nèi)部限界檢測(cè)；③接觸軌的安裝、連接松動(dòng)檢查及維護(hù)處理；④梁內(nèi)其他軌旁設(shè)備狀態(tài)檢查和維保處理。

2.2 軌道梁內(nèi)部巡檢設(shè)備功能需求

試驗(yàn)線軌道梁內(nèi)部?jī)艨諏拑H為780 mm、高僅為1 100 mm，梁內(nèi)空間極為狹窄，不便于維保人員通行，需開發(fā)軌道梁內(nèi)部巡檢設(shè)備來實(shí)現(xiàn)無人化巡檢、載人檢查和維修作業(yè)，從而降低人工作業(yè)強(qiáng)度以及改善作業(yè)環(huán)境。軌道梁內(nèi)部巡檢設(shè)備平常停放于C10廠房指定區(qū)域，需要開展巡檢作業(yè)時(shí)，將其吊裝至C10廠房?jī)?nèi)的懸掛式單軌檢修平臺(tái)上，由檢修平臺(tái)進(jìn)入軌道梁進(jìn)行巡檢。

軌道梁內(nèi)部巡檢設(shè)備的主要功能需求如下：

(1)可實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)線范圍內(nèi)軌道梁內(nèi)部的焊縫裂紋、銹蝕、限界等自動(dòng)檢測(cè)，在巡檢過程中檢測(cè)出異常后對(duì)異常點(diǎn)進(jìn)行定位。

(2)可載人進(jìn)行軌道梁人工檢查和維護(hù)處理，可通過實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制模式、遙控模式、車載人控等3種模式來完成巡檢作業(yè)。

(3)總體設(shè)計(jì)應(yīng)盡量緊湊，盡可能為巡檢人員檢查作業(yè)提供更多空間。為便于檢查作業(yè)，應(yīng)設(shè)置便于人員乘坐、駕駛、開展維保作業(yè)的條件，如聲光提醒、照明、動(dòng)力插座及上下車通道等。

(4)應(yīng)考慮完善的安全保護(hù)措施，來保護(hù)人員、巡檢設(shè)備和軌道梁內(nèi)部軌旁設(shè)備等安全。

(5)應(yīng)考慮采用蓄電池動(dòng)力方式。

(6)應(yīng)盡量考慮輕量化，不得超過試驗(yàn)線限制軸重(即不超過5 t)。

(7)巡檢設(shè)備整體尺寸不得超出軌道梁內(nèi)部限界。

(8)應(yīng)滿足青島當(dāng)?shù)氐氖褂铆h(huán)境要求。

3 軌道梁內(nèi)部巡檢設(shè)備技術(shù)方案

3.1 總體方案

軌道梁內(nèi)部巡檢設(shè)備由車體、蓄電池、充電系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)向裝置、車載控制器、安全系統(tǒng)以及通信裝置、檢測(cè)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等組成(見圖3)。

巡檢設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)滿足軌道梁內(nèi)部限界要求和承重要求，能在軌道梁內(nèi)以自動(dòng)控制模式、遙控模式和車載人控3種模式完成巡檢作業(yè)。巡檢設(shè)備車身由高性能鋁合金或鋼構(gòu)件加工而成，滿足軌道梁內(nèi)部巡檢要求；配置導(dǎo)向輪實(shí)現(xiàn)設(shè)備在軌道梁內(nèi)運(yùn)行導(dǎo)向；配置高穩(wěn)定性的交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)；設(shè)備自帶動(dòng)力，配置大容量鋰電池作為動(dòng)力電源；配置高亮度照明系統(tǒng)以滿足軌道梁內(nèi)工作亮度要求；超聲波壁障配合車載控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備主動(dòng)安全防護(hù)。設(shè)備材料各項(xiàng)參數(shù)滿足工業(yè)級(jí)要求，滿足青島懸掛式單軌試驗(yàn)線各項(xiàng)技術(shù)要求。

巡檢設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)采用視覺檢測(cè)技術(shù)方案對(duì)軌道梁內(nèi)裂紋和銹斑進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)采用激光技術(shù)對(duì)限界遺物入侵進(jìn)行檢測(cè)。車載高性能工控機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)采集的圖像信息進(jìn)行分析處理，以判斷軌道梁或供電軌異常點(diǎn)位，并給出軌道梁維修的決策建議。

3.2 車體及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

車體是巡檢設(shè)備的基礎(chǔ)部分，其由車架和相應(yīng)的機(jī)械電氣部件如減速箱、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪及導(dǎo)向輪等組成。車架在強(qiáng)度和剛度上滿足車體運(yùn)行和加速時(shí)的要求，其采用高性能金屬件加工而成，外殼為透明材料，便于巡檢人員對(duì)外部進(jìn)行觀察。板上安置電控系統(tǒng)、按鍵及顯示屏等。車體的前后部分還安裝安全擋圈和超聲波傳感器。

巡檢設(shè)備為箱形梁特殊定制，故其方向可由導(dǎo)向輪進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)裝置由車輪、減速器、制動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)及速度控制器等組成。驅(qū)動(dòng)控制包括自動(dòng)控制方式、遙控方式和車載人控方式，3種方式可通過互鎖進(jìn)行切換，在定模式下需要在巡檢設(shè)備上手動(dòng)切換才能更換控制模式。處于安全考慮，可在系統(tǒng)中設(shè)置頂層管理密碼，持有頂層管理密碼者可對(duì)巡檢設(shè)備的運(yùn)行模式在控制中心做任意切換。采用車載人控方式時(shí)，需配置加速踏板、制動(dòng)踏板和駐車制動(dòng)拉桿。

巡檢設(shè)備采用24 V蓄電池作為動(dòng)力源，其續(xù)航能力支持設(shè)備運(yùn)行6 km以上。

3.3 檢測(cè)系統(tǒng)

青島懸掛式單軌試驗(yàn)線較短，對(duì)檢測(cè)效率要求有限，但同時(shí)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求較高?；诖耍疚难邪l(fā)了一種適用于試驗(yàn)線較經(jīng)濟(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)僅設(shè)置1套檢測(cè)裝置，檢測(cè)裝置安裝于巡檢設(shè)備尾端的三軸移動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)上、下、左、右4個(gè)方向的移動(dòng)；配合檢測(cè)裝置本身的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，可通過單次巡檢對(duì)軌道梁內(nèi)部1個(gè)面實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，故分5次巡檢便可對(duì)5個(gè)面實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。這樣可最大程度上降低檢測(cè)裝置成本以及提高檢測(cè)裝置的利用率。

檢測(cè)裝置主要包括1套專用工業(yè)攝像機(jī)、1組一字線激光陣列發(fā)射器及相應(yīng)的照明設(shè)備，其中，攝像機(jī)作為圖像采集設(shè)備終端連接到1臺(tái)高性能的工控機(jī)上。隨著巡檢設(shè)備在軌道內(nèi)部移動(dòng)，攝像頭拍攝空軌內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖片，然后將其通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)，考慮空軌內(nèi)部光線可能較暗，所以需要光源對(duì)其補(bǔ)光；紅外激光模塊是由一字線激光器組成，用于在空軌內(nèi)部形成一條或者多條可見光直線，然后通過攝像頭模塊拍照，記錄該直線和空軌的表面。即攝像機(jī)在激光陣列及照明系統(tǒng)的配合下，采集軌道內(nèi)部各個(gè)面的視頻圖像，并進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，以便后續(xù)的檢測(cè)與回放之用。

3.4 定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)采用測(cè)速定位與RFID(射頻識(shí)別)技術(shù)相結(jié)合的方法。首先，由安裝在走行輪上的輪轂編碼器記錄走行輪旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，然后由公式計(jì)算出巡檢車行駛里程；另外，在軌道梁內(nèi)部每間隔10 m設(shè)置一處電子標(biāo)簽，巡檢車行駛到該位置時(shí)，通過RFID技術(shù)識(shí)別標(biāo)簽內(nèi)容，從而校正巡檢設(shè)備行駛的里程數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巡檢設(shè)備的實(shí)時(shí)定位。

3.5 控制系統(tǒng)

巡檢設(shè)備配置車載控制器，它類似于機(jī)器人控制器，用以對(duì)巡檢設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控?？刂破饔?jì)算機(jī)通過通信系統(tǒng)從地面站接受指令并報(bào)告自己的狀態(tài)。控制器可完成以下工作：手動(dòng)控制、安全裝置啟動(dòng)、蓄電池狀態(tài)、制動(dòng)器解脫、行走燈光、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制等。

控制系統(tǒng)配置了工業(yè)遙控器。遙控器采用鋰電池充電，一次充電可連續(xù)使用不小于8 h。另外，工業(yè)遙控器上安裝有監(jiān)控顯示器。該顯示器要求能實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控畫面，能控制軌道梁巡檢設(shè)備前行、惰行、制動(dòng)、后退、停放，以及能監(jiān)控車輛自身信息和故障提示等。

3.6 安全系統(tǒng)

巡檢設(shè)備的安全系統(tǒng)既要實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢設(shè)備的保護(hù)，又要實(shí)現(xiàn)對(duì)人和其它軌旁設(shè)備的保護(hù)。巡檢設(shè)備配置有主動(dòng)安全系統(tǒng)，在其運(yùn)行過程中主動(dòng)安全系統(tǒng)是默認(rèn)開啟狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到前方或側(cè)壁有異物影響巡檢設(shè)備運(yùn)行時(shí)，巡檢設(shè)備自動(dòng)緊急停止。巡檢設(shè)備配置有高清監(jiān)控?cái)z像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控巡檢設(shè)備上的人員狀況，并通過WIFI(無線網(wǎng)絡(luò))將監(jiān)控畫面實(shí)時(shí)傳至控制中心與遙控設(shè)備。車門關(guān)閉巡檢設(shè)備方可啟動(dòng)，以防止巡檢人員在巡檢設(shè)備運(yùn)行過程中將手或其他東西裸露到車體外部。巡檢設(shè)備上設(shè)置緊急呼叫功能，若巡檢人員在軌道梁內(nèi)發(fā)生意外，可按動(dòng)緊急呼叫按鈕來啟動(dòng)聲光報(bào)警。當(dāng)采用車載人控方式時(shí)，遇到異常情況，巡檢人員按動(dòng)緊急呼叫按鈕后，車輛控制可自動(dòng)轉(zhuǎn)換到遙控控制，可將巡檢人員運(yùn)送至軌道梁就近檢修孔或C10廠房。

巡檢設(shè)備內(nèi)配置應(yīng)急治療箱，當(dāng)需要時(shí)，巡檢人員可通過該治療箱內(nèi)的藥品或工具進(jìn)行自救。

緊急情況下，巡檢人員可將巡檢設(shè)備前端的透明車殼拆卸或破壞并逃生。車內(nèi)配置有相應(yīng)的專用工具。

當(dāng)巡檢設(shè)備動(dòng)力系統(tǒng)失效時(shí)，通過拖車將巡檢設(shè)備拖回。

3.7 主要技術(shù)指標(biāo)

軌道梁內(nèi)部巡檢設(shè)備尺寸應(yīng)嚴(yán)格按照軌道梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：①巡檢設(shè)備3 300 mm(長(zhǎng))×750 mm(寬)×1 050 mm(高)；②滿載質(zhì)量不大于400 kg；③走行輪軸距不超過1 730 mm，導(dǎo)向輪軸距不超過2 754 mm；④列車最高運(yùn)行速度為50 km/h；⑤檢測(cè)速度不大于10 km/h；⑥設(shè)備以最高速度運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行噪音不大于65 dB；⑦最小焊縫裂紋檢測(cè)寬度2 mm；⑧裂紋檢測(cè)精度為±0.5 mm；⑨最小銹蝕檢測(cè)面積為5 mm2；限界檢查精度為±5 mm；銹蝕檢測(cè)識(shí)別率不低于80%；爬坡能力大于60‰；最小曲線半徑為50 m；巡檢設(shè)備可搭乘1名巡檢人員(體重不超過70 kg)及必要的檢修工具(不超過20 kg)；支持自動(dòng)控制模式、遙控模式、車載人控3種控制方式，且相互之間無障礙切換；自帶動(dòng)力，采用蓄電池驅(qū)動(dòng)，充滿電時(shí)間不超過8 h，續(xù)航能力支持設(shè)備運(yùn)行6 km；巡檢設(shè)備的相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)及影像信息，通過無線方式將數(shù)據(jù)及影像發(fā)送給控制中心，數(shù)據(jù)保存時(shí)間大于15 d(采用先進(jìn)先出方式)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

基于上述巡檢設(shè)備技術(shù)方案，生產(chǎn)制造了青島懸掛式單軌試驗(yàn)線軌道梁內(nèi)部巡檢設(shè)備。在通過室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試后，對(duì)巡檢設(shè)備檢測(cè)效果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。鑒于試驗(yàn)線軌道梁剛投入運(yùn)營(yíng)，不存在裂紋和銹斑，因此為了測(cè)試驗(yàn)證巡檢設(shè)備的檢測(cè)效果，在試驗(yàn)線軌道梁右內(nèi)側(cè)壁設(shè)置1處模擬的裂紋(最小寬度為2 mm)和銹斑(面積約4 mm2)，結(jié)果表明檢測(cè)效果良好。

后續(xù)經(jīng)過一系列的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試，驗(yàn)證了巡檢設(shè)備總體技術(shù)方案是合理可行的，其滿足各項(xiàng)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)指標(biāo)。整個(gè)巡檢設(shè)備系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，已順利通過業(yè)主組織的驗(yàn)收，目前已投入正常使用中。

5 結(jié)語

以青島懸掛式單軌試驗(yàn)線為工程背景，提出了軌道梁內(nèi)部巡檢設(shè)備功能需求，研究確定了該線軌道果內(nèi)部巡檢設(shè)備的總體設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)介紹了檢測(cè)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)以及主要技術(shù)指標(biāo)?；谏鲜鲅矙z設(shè)備技術(shù)方案，生產(chǎn)制造了青島懸掛式單軌試驗(yàn)線軌道果內(nèi)部巡檢設(shè)備，并在該線成功應(yīng)用。未來將緊密跟蹤現(xiàn)場(chǎng)用戶反饋意見，對(duì)其做進(jìn)一步優(yōu)化。