160 km/h液力傳動(dòng)綜合巡檢車研制

張亞軍，茍?jiān)茲?/p>

（1.金鷹重型工程機(jī)械有限公司，湖北襄陽 441000；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

0 引言

目前，鐵路工、電、供各系統(tǒng)使用的檢測車功能較為單一，如軌檢車、接觸網(wǎng)檢測車等，工、電、供系統(tǒng)檢測都是分開的，由于受到天窗點(diǎn)時(shí)間限制，各系統(tǒng)分開檢測，耗時(shí)長，作業(yè)效率低，不能滿足現(xiàn)場檢測要求，也不能滿足鐵路部門工、電、供三大專業(yè)融合管理需求［1-3］。

因此，急需研制一種能同時(shí)進(jìn)行工、電、供檢測的多功能綜合巡檢車，能夠在160 km/h運(yùn)行狀態(tài)下同時(shí)對(duì)工、電、供的主體設(shè)備進(jìn)行綜合檢測，以提高檢測效率［4-5］。2015年金鷹重型工程機(jī)械有限公司（簡稱金鷹重工）和中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司（簡稱鐵科院集團(tuán)公司）基于《國家發(fā)展改革委關(guān)于中國標(biāo)準(zhǔn)高速動(dòng)車組及高鐵關(guān)鍵裝備研發(fā)試驗(yàn)工程項(xiàng)目可行性研究報(bào)告的批復(fù)》（發(fā)改產(chǎn)業(yè)〔2014〕1373號(hào)），結(jié)合我國高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施巡檢需求，聯(lián)合研制了高速鐵路綜合巡檢車，成功解決了功能單一的檢測車作業(yè)效率低、天窗點(diǎn)內(nèi)無法完成三大專業(yè)設(shè)備檢測的問題。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

綜合巡檢車由于檢測項(xiàng)目全面、檢測效率高、數(shù)據(jù)分析管理綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)，在國內(nèi)外已經(jīng)為鐵路運(yùn)維部門所接受。其中較具代表性的有日本、德國、法國、美國等國家。

1.1 國外現(xiàn)狀

日本是世界上最早開通高速鐵路的國家之一，其于1964年開通了東京—大阪的新干線。截至目前，其新干線運(yùn)營里程約3 000 km，在建線路里程超過400 km，規(guī)劃線路里程為200 km左右。日本高速鐵路檢測包括軌道檢測、鋼軌探傷、隧道檢測、接觸網(wǎng)檢測、通信信號(hào)檢測等，上述項(xiàng)目主要通過高速綜合檢測列車（見圖1）、鋼軌探傷車、隧道檢查車等進(jìn)行。

圖1 日本“黃色醫(yī)生”綜合檢測列車

德國鐵路運(yùn)營里程約42 000 km，其中電氣化里程20 500 km，高速鐵路里程1 500 km。此外，通過既有線升級(jí)改造，時(shí)速在200 km左右的線路里程約1 500 km。德國包括高鐵線路在內(nèi)的鐵路線路多采用客貨共線模式，基礎(chǔ)設(shè)施檢測多側(cè)重于工務(wù)專業(yè)。德國沒有配備專業(yè)的綜合檢測列車，工務(wù)、電務(wù)、供電專業(yè)的檢測主要采用專業(yè)檢測車完成（見圖2）。

圖2 德國OMWE軌道檢測車

法國鐵路運(yùn)營里程約29 500 km，其中電氣化里程15 000 km，高速鐵路里程超過3 000 km。法國鐵路檢測主要包括軌道狀態(tài)、鋼軌探傷、隧道襯砌、接觸網(wǎng)、通信信號(hào)等項(xiàng)目。2006年，法國鐵路通過對(duì)一列TGV動(dòng)車組的改造，研制成功了IRIS320綜合檢測列車（見圖3），該車能以320 km/h的最高設(shè)計(jì)速度在線路上進(jìn)行檢測。

圖3 法國IRIS320綜合檢測列車

1.2 我國現(xiàn)狀

我國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施綜合檢測經(jīng)過多年發(fā)展，也形成了“三檢一平臺(tái)”的檢測裝備體系。最具代表性的綜合性檢測裝備是高速鐵路綜合檢測車［6-8］。伴隨著我國高鐵發(fā)展，鐵科院集團(tuán)公司與中國中車聯(lián)手，相繼成功研發(fā)出時(shí)速350 km的CRH2-061C、068C、150C高速綜合檢測列車和時(shí)速380～400 km的高速綜合檢測列車。

縱觀國內(nèi)外現(xiàn)狀，目前綜合檢測列車均適合高鐵線路開通前的聯(lián)調(diào)聯(lián)試綜合檢測，運(yùn)行速度均在300～400 km/h，不適合線路區(qū)間、天窗點(diǎn)日常檢測作業(yè)；日常檢測作業(yè)均采用功能單一的檢測作業(yè)車，時(shí)速小于120 km，檢測功能單一、速度慢、檢測效率低，不能滿足線路檢測要求。

2 綜合巡檢車總體布局及組成

2.1 總體布局

綜合巡檢車（見圖4）高度集成工、電、供專業(yè)巡檢系統(tǒng)，替代人工上線，減少安全風(fēng)險(xiǎn)，為鐵路基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維提供數(shù)據(jù)支撐?？伸`活機(jī)動(dòng)地對(duì)區(qū)間、天窗點(diǎn)等線路進(jìn)行檢測。為解決目前軌道車不能單機(jī)在高鐵線路上運(yùn)行、長大坡道“跑不動(dòng)、剎不住”等問題，綜合巡檢車采用液力傳動(dòng)，雙動(dòng)力系統(tǒng)，最高運(yùn)行速度160 km/h，25‰坡道上速度可達(dá)95 km/h，基礎(chǔ)制動(dòng)采用盤形制動(dòng)器，能夠適用于高鐵長大坡道制動(dòng)控速。

圖4 綜合巡檢車

綜合巡檢車主要由車體、轉(zhuǎn)向架、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、車鉤緩沖裝置、檢測裝置等部分組成。檢測裝置包括工務(wù)巡檢系統(tǒng)、接觸網(wǎng)巡檢系統(tǒng)、電務(wù)軌旁設(shè)備巡檢系統(tǒng)、定位同步系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高速鐵路工、電、供三大專業(yè)主要設(shè)備外觀狀態(tài)全方位綜合巡檢，為高速鐵路養(yǎng)護(hù)維修提供技術(shù)支撐。

綜合巡檢車車內(nèi)設(shè)有前后司機(jī)室、檢測間、軟包間、電氣間與衛(wèi)生間，能夠滿足車輛處于不同工況狀態(tài)對(duì)車內(nèi)平面布置的要求，同時(shí)可根據(jù)用戶需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。綜合巡檢車總體布局見圖5。

圖5 綜合巡檢車總圖布局

2.2 主要組成

2.2.1 車體

綜合巡檢車為滿足列尾附掛要求和檢測設(shè)備安裝，車體采用整體承載框架式結(jié)構(gòu)，由車棚和底架組成，為全鋼焊接結(jié)構(gòu)。為滿足160 km/h檢測速度要求，車體采用流線型設(shè)計(jì)，以減小運(yùn)行風(fēng)阻。車棚骨架采用冷彎型鋼、幾字形桿件焊接結(jié)構(gòu)，車體外蒙板采用整板張拉電磁調(diào)平工藝以保證外表面平整度。底架由邊梁（型鋼）、端梁（鋼板）、牽引梁（鋼板）拼焊而成。

為保證整車的密封效果，進(jìn)入車體內(nèi)部的管線以快速軟管接頭進(jìn)行密封。車內(nèi)地板采用多層結(jié)構(gòu)，最底層為鐵地板，鐵地板上噴涂阻尼膠，鐵地板上為木地板（經(jīng)防腐和阻燃處理），鐵地板和木地板之間填充隔熱材料，木地板表面粘貼阻燃地板革。車體外蒙板內(nèi)側(cè)噴涂阻尼膠，墻板、頂板、地板處填充隔熱材料。經(jīng)過上述綜合處理，整車具有較好的隔熱、隔音、阻燃性能。

2.2.2 轉(zhuǎn)向架

轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架、輪對(duì)、軸箱、支承裝置、牽引裝置、盤形制動(dòng)單元等組成。采用成熟的160 km/h技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行研發(fā)制造，保障整車安全性與可靠性。轉(zhuǎn)向架滿足整車速度160 km/h的運(yùn)行要求。采用單拉桿牽引并設(shè)置橫向、縱向、垂向減振器，二系安裝高圓簧，以改善車輛運(yùn)行品質(zhì)，提高穩(wěn)定性與乘坐舒適度?；A(chǔ)制動(dòng)采用盤形制動(dòng)器，能夠滿足長大坡道制動(dòng)要求。轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)示意見圖6。

圖6 綜合巡檢車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3 制動(dòng)系統(tǒng)

制動(dòng)系統(tǒng)參照和諧型機(jī)車，采用DK-1G型電空制動(dòng)系統(tǒng)，包括空氣制動(dòng)系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置?？諝庵苿?dòng)系統(tǒng)由DK-1G型電空制動(dòng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、空氣凈化裝置等組成?？諝鈮嚎s機(jī)集成在發(fā)動(dòng)機(jī)上，打風(fēng)速度快?；A(chǔ)制動(dòng)采用盤形制動(dòng)器，可靠性高，并帶有駐車制動(dòng)功能。適用于高鐵長大坡道車輛控速要求。

2.2.4 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

為了提高乘坐舒適性，綜合巡檢車采用動(dòng)力下沉布置，2套動(dòng)力單元且互為備用，動(dòng)力單元模塊集成了發(fā)動(dòng)機(jī)、液力傳動(dòng)箱、進(jìn)排氣系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、蓄電池箱等輔助系統(tǒng)。為了滿足高鐵長大坡道運(yùn)行要求，經(jīng)過反復(fù)計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)功率388 kW，排放滿足歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，單套動(dòng)力驅(qū)動(dòng)最高運(yùn)行速度120 km/h，2套動(dòng)力驅(qū)動(dòng)最高運(yùn)行速度160 km/h。

液力傳動(dòng)具有平穩(wěn)無沖擊、換擋控制方便、維修工作量小等優(yōu)勢，通過調(diào)研，比較國內(nèi)外多種液力傳動(dòng)箱的性能和運(yùn)用情況，選用臥式液力傳動(dòng)箱，傳動(dòng)箱長距離無火回送時(shí)不需拆卸傳動(dòng)軸。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)示意見圖7。

2.2.5 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)包括DC 24 V控制系統(tǒng)和交流系統(tǒng)。DC 24 V控制系統(tǒng)主要由柴油機(jī)啟動(dòng)控制、液力傳動(dòng)箱換向和換擋控制、儀表監(jiān)視、軸溫報(bào)警裝置、照明及刮水器等輔助裝置控制等組成。交流系統(tǒng)由車下安裝的AC 380 V、58 kW發(fā)電機(jī)組提供電源，為集便器控制、空調(diào)控制、檢測裝置及車內(nèi)生活設(shè)施等供電。

圖7 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

3 巡檢系統(tǒng)

綜合巡檢車主要用于高速鐵路綜合巡檢，實(shí)現(xiàn)對(duì)工、電、供三大專業(yè)主要設(shè)備外觀狀態(tài)檢查及部分幾何參數(shù)的檢測。其中檢測系統(tǒng)包括外觀狀態(tài)檢測、幾何形位檢測、視頻監(jiān)測和綜合平臺(tái)。巡檢系統(tǒng)架構(gòu)見圖8。

圖8 巡檢系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 工務(wù)檢測

3.1.1 軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)

軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，采用先進(jìn)的激光源成像組件，通過精確定位的空間采樣，實(shí)現(xiàn)軌道表面和鋼軌扣件的連續(xù)拍攝，提供智能分析功能，可對(duì)鋼軌表面擦傷、扣件異常進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。軌道巡檢結(jié)構(gòu)示意見圖9。

3.1.2 軌道幾何參數(shù)及鋼軌廓形檢測系統(tǒng)

軌道幾何參數(shù)及鋼軌輪廓檢測系統(tǒng)可以完成對(duì)軌道幾何不平順、鋼軌廓形、磨耗等參數(shù)的動(dòng)態(tài)測量。軌道幾何參數(shù)及鋼軌廓形檢測結(jié)構(gòu)示意見圖10。

3.1.3 限界檢測系統(tǒng)

采用激光掃描技術(shù)獲取線路周邊建筑物、設(shè)備斷面輪廓，檢測橋隧、線路設(shè)備、軌旁設(shè)備等的限界數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維立體建模管理（見圖11），形象直觀地展示建筑物和設(shè)備的限界狀態(tài)。

圖9 軌道巡檢結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 軌道幾何參數(shù)及鋼軌廓形檢測結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 電務(wù)檢測

3.2.1 軌旁信號(hào)設(shè)備外觀巡檢系統(tǒng)

通過圖像可檢查應(yīng)答器、應(yīng)答器尾纜（含表面破損）、軌間補(bǔ)償電容、軌間軌道接續(xù)線（含表面破損）、軌腰外側(cè)塞釘、電務(wù)軌旁箱盒等軌旁信號(hào)設(shè)備的可視外觀狀態(tài)。軌旁信號(hào)設(shè)備外觀巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖12。

3.2.2 軌旁通信設(shè)備外觀巡檢系統(tǒng)

軌旁通信設(shè)備外觀巡檢系統(tǒng)通過圖像可檢查隧道內(nèi)通信漏纜、接觸網(wǎng)桿上加裝的攝像機(jī)等軌旁通信設(shè)備的可視外觀狀態(tài)。軌旁通信設(shè)備外觀巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖13。

圖11 限界檢測數(shù)據(jù)管理

圖12 軌旁信號(hào)設(shè)備外觀巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖13 軌旁通信設(shè)備外觀巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 供電檢測

3.3.1 接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)高清成像系統(tǒng)

接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)高清成像系統(tǒng)基于精確定位、觸發(fā)抓拍、多相機(jī)同步采集等技術(shù)，對(duì)接觸網(wǎng)檢測區(qū)域進(jìn)行圖像采集，成像范圍覆蓋支持裝置、接觸懸掛（吊弦、線夾等）、附加懸掛、吊柱座區(qū)域，圖像清晰度足夠分辨支持裝置及接觸懸掛零部件的異常狀態(tài)。接觸網(wǎng)懸掛高清相機(jī)組件單元見圖14。

圖14 接觸網(wǎng)懸掛高清相機(jī)組件單元

3.3.2 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)基于雙目視覺測量原理，融合高速同步線掃描攝像、高速接觸線圖像定位、圖像連續(xù)后向追蹤等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸線高度、拉出值的連續(xù)測量。基于視覺測量原理，使用高速高清攝像組件，對(duì)接觸網(wǎng)視頻進(jìn)行高速、高清圖像采集。融合高速圖像處理、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)定位器坡度的在線測量。接觸網(wǎng)幾何參數(shù)相機(jī)組件見圖15。

圖15 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)相機(jī)組件

3.3.3 地磁通量檢測系統(tǒng)

在車輛下部靠近轉(zhuǎn)向架區(qū)域左右兩側(cè)對(duì)稱安裝2套地磁測量組件，行車中當(dāng)?shù)卮艤y量組件經(jīng)過地面磁感應(yīng)器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度不等的電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)過分相裝置的地面磁感應(yīng)器磁通量的測量，在線判斷磁極磁感應(yīng)強(qiáng)度異常、磁極脫落狀態(tài)等超限。地磁通量檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖16。

圖16 地磁通量檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 綜合平臺(tái)

3.4.1 定位同步及環(huán)境視頻監(jiān)測系統(tǒng)

定位同步及環(huán)境視頻監(jiān)測系統(tǒng)將安裝在軸頭的光電編碼器產(chǎn)生的距離脈沖信號(hào)分配給分布在全車的各檢測系統(tǒng)，并具有主備光電編碼器熱備功能。同時(shí)結(jié)合光電編碼器、高速電子標(biāo)簽RFID及GNSS等定位手段，作為里程定位數(shù)據(jù)源，并將這些定位信息融合，獲取并計(jì)算實(shí)時(shí)里程數(shù)據(jù)，可為各車載檢測系統(tǒng)提供精確、可靠、連續(xù)的實(shí)時(shí)線路里程信息，可極大提高現(xiàn)場查找病害的效率。

3.4.2 檢測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)

檢測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)管理綜合巡檢車上的檢測數(shù)據(jù)，匯聚各檢測項(xiàng)目的原始檢測數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)一規(guī)范集中存儲(chǔ)與管理，為后續(xù)檢測數(shù)據(jù)應(yīng)用提供支撐。檢測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)架構(gòu)見圖17。

4 試驗(yàn)及運(yùn)用

160 km/h液力傳動(dòng)綜合巡檢車于2017年3月順利通過中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證中心有限公司組織的型式試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)全部合格，滿足型式試驗(yàn)大綱要求，動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到優(yōu)級(jí)水平，取得型式試驗(yàn)報(bào)告；2017年5月—2018年9月，在中國鐵路太原局集團(tuán)有限公司大西高鐵線（北段試驗(yàn)線、南段運(yùn)營線）完成車輛和檢測系統(tǒng)性能運(yùn)用考核相關(guān)內(nèi)容，考核合格，獲得運(yùn)用考核及解體檢查報(bào)告；2018年11月，綜合巡檢車通過原中國鐵路總公司科技和信息化部組織的技術(shù)評(píng)審，整車技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，獲得技術(shù)評(píng)審證書；2018年12月，獲得國家鐵路局頒發(fā)的型號(hào)許可證書；2018年12月底，獲得原中國鐵路總公司8臺(tái)車的采購訂單，該批車于2019年2月陸續(xù)交付沈陽、北京、武漢等8個(gè)鐵路局集團(tuán)公司正式使用。

圖17 檢測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)架構(gòu)

5 結(jié)束語

綜合巡檢車是基于視覺檢測技術(shù)對(duì)鐵路工、電、供三大專業(yè)固定設(shè)施進(jìn)行綜合巡檢的大型檢測裝備，可滿足最高160 km/h速度條件下的鐵路固定設(shè)施圖像及視頻數(shù)據(jù)的采集工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)固定設(shè)施外觀狀態(tài)的綜合集中管理；可對(duì)固定設(shè)施圖像中的典型異常進(jìn)行智能識(shí)別，包括鋼軌表面?zhèn)麚p、扣件異常、接觸網(wǎng)懸掛裝置零部件結(jié)構(gòu)異常、軌腰塞釘外觀異常、應(yīng)答器外觀異常等缺陷。綜合巡檢車的投入使用顯著提升了線路巡檢作業(yè)效率，提升了我國高鐵線路設(shè)施維護(hù)水平。

綜合巡檢車成功解決了工、電、供三大專業(yè)各自為政、檢測監(jiān)測資源分散、作業(yè)天窗利用率低等問題。不同專業(yè)檢測車按各自不同檢測周期進(jìn)行檢測，不僅影響正常運(yùn)輸生產(chǎn)，而且檢測信息不能共享，難以同步進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，效率低下，不能滿足現(xiàn)場檢測需求等問題。利用大數(shù)據(jù)、人工智能、北斗定位等先進(jìn)技術(shù)，為高速鐵路一體化運(yùn)維、檢測技術(shù)融合發(fā)展起到了促進(jìn)作用，提高了檢測效率，檢測作業(yè)安全性也得到進(jìn)一步提高。