160 km/h綜合巡檢車軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)巡檢裝置設(shè)計(jì)

劉 偉 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

1 引言

ZXJ-160型綜合巡檢車是基于160 km/h電傳動(dòng)軌道車的集高速鐵路工、電、供關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備和沿線環(huán)境檢測(cè)監(jiān)測(cè)、綜合數(shù)據(jù)分析處理和運(yùn)營維修輔助決策為一體的現(xiàn)代化高鐵綜合巡檢車。軌道結(jié)構(gòu)巡檢裝置是該巡檢車的重要組成部分，其功能是對(duì)軌道結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)病害（包括：鋼軌光帶表面、扣件、軌道板等缺陷）識(shí)別。目前，集團(tuán)公司GTC-80鋼軌探傷車上加裝的車載智能軌道巡檢系統(tǒng)以80 km/h的速度在全局高鐵線路實(shí)現(xiàn)了周期性檢測(cè)，年總檢測(cè)里程達(dá)12萬公里，但未實(shí)現(xiàn)160 km/h檢測(cè)速度下巡檢作業(yè)。為滿足ZXJ-160型綜合巡檢車160 km/h的檢測(cè)要求，結(jié)合綜合巡檢車的總體特征，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)巡檢系統(tǒng)。

2 軌道結(jié)構(gòu)巡檢裝置組成

該裝置采用機(jī)器視覺、面陣列光源結(jié)合線陣列相機(jī)等多種技術(shù)融合的方式完成軌道板結(jié)構(gòu)狀態(tài)的等間距圖像采集。該裝置主要由車底懸掛系統(tǒng)和車內(nèi)控制系統(tǒng)兩大系統(tǒng)組成，其中車底懸掛系統(tǒng)主要包括巡檢主梁、CCD高速線陣成像模塊、面陣列光源模塊、防塵罩等；車內(nèi)控制系統(tǒng)包括圖像采集、存儲(chǔ)、分析處理軟件及相關(guān)設(shè)備組成。具體工作流程為采集卡發(fā)出同步信號(hào)觸發(fā)相機(jī)同時(shí)采集圖像，相機(jī)接收觸發(fā)信號(hào)，逐行拍攝，并將拍攝的圖像傳遞給采集卡，通過采集卡的整合發(fā)送給采集應(yīng)用程序。應(yīng)用程序做相應(yīng)處理后將圖像保存下來。系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程

3 軌道結(jié)構(gòu)巡檢裝置總體布局

ZXJ-160綜合巡檢車搭載十余套檢測(cè)裝置，車底空間緊湊，因此在車底布局巡檢裝置的懸掛系統(tǒng)時(shí)應(yīng)將懸掛系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)安裝、相機(jī)鏡頭參數(shù)調(diào)整、后期維護(hù)及相關(guān)線束布局等進(jìn)行綜合考慮。圖2為軌道結(jié)構(gòu)巡檢裝置車底懸掛系統(tǒng)的總體布局，該裝置安裝在ZXJ-160型綜合巡檢車的Ⅱ端車底的車鉤和轉(zhuǎn)向架之間的一條左右貫通的通道中，因此將懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)成整體梁結(jié)構(gòu)。懸掛系統(tǒng)通過安裝支架與車體底部工字梁上預(yù)留的安裝接口連接固定，圖3為懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該方案中懸掛系統(tǒng)安裝在車體底部主梁處可減少車輛行駛過程中的加速度沖擊，更適應(yīng)160 km/h的檢測(cè)要求。車內(nèi)控制系統(tǒng)的相關(guān)硬件主要安裝在靠近巡檢懸掛系統(tǒng)端的車內(nèi)機(jī)柜中。

圖2 巡檢裝置在整車布局中的二維圖

圖3 安裝結(jié)構(gòu)示意圖

4 軌道結(jié)構(gòu)巡檢裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)各相機(jī)的設(shè)計(jì)成像角度，合理布局CCD高速線陣成像模塊，如圖3所示，以確保能夠?qū)壍澜Y(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行完整地拍攝。主梁為巡檢系統(tǒng)的主要承載部件，采用7075高強(qiáng)度鋁合金經(jīng)加工中心精加工成型，以提高其整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。CCD高速線陣成像模塊安裝在橫梁上部，該模塊是巡檢系統(tǒng)的核心部件，對(duì)防塵防潮有極高要求，因此采用模塊式密封設(shè)計(jì)。面陣列光源模塊均布在主梁的底部凹槽里，為提高相機(jī)成像質(zhì)量，通過對(duì)橫梁底部凹槽的合適角度計(jì)算，將光源能量聚集在線陣相機(jī)的成像區(qū)域。分段式不銹鋼防塵罩嵌入橫梁底部，可有效防止灰塵、雨水進(jìn)入成像區(qū)域；本次設(shè)計(jì)中在不銹鋼防塵罩的兩側(cè)布置了光源模塊對(duì)外側(cè)軌腰成像部位進(jìn)行補(bǔ)光設(shè)計(jì)，以適用高速巡檢作業(yè)下對(duì)光源強(qiáng)度的更高需求。

整套軌道結(jié)構(gòu)巡檢裝置總重量約在330 kg左右，其中20 kg是螺栓和線纜的重量。在綜合巡檢車運(yùn)行的過程中，加減速、車輛制動(dòng)以及復(fù)雜的路況都會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生不同的加速度，本文根據(jù)實(shí)際工作條件進(jìn)行模擬仿真計(jì)算。通過計(jì)算得到軌道結(jié)構(gòu)巡檢裝置的應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D。圖4為應(yīng)力云圖，從中可以看出，整套裝置主梁最大的受力在13 MPa以內(nèi)，主梁采用高強(qiáng)度鋁合金，其屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于主梁所受的最大應(yīng)力值，因此巡檢裝置強(qiáng)度可靠。圖5為應(yīng)變?cè)茍D，從中可以看出，整套裝置的最大變形發(fā)生在不銹鋼防塵罩的底部，數(shù)值約為0.58 mm，變形量可以接受，并且在整套裝置的前后有其他部件的遮擋，因此不會(huì)出現(xiàn)最大變形量的情況。

圖4 結(jié)構(gòu)巡檢裝置的應(yīng)力云圖

圖5 結(jié)構(gòu)巡檢裝置的應(yīng)變?cè)茍D

5 軌道結(jié)構(gòu)巡檢裝置應(yīng)用效果

軌道結(jié)構(gòu)巡檢裝置懸掛系統(tǒng)各部件為模塊化設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)室完成了各模塊的裝配并集成在懸掛系統(tǒng)主梁上，在試驗(yàn)室完成功能測(cè)試，在整車廠生產(chǎn)車間完成該裝置的安裝、布線。在整個(gè)裝配和安裝過程中未發(fā)生干涉現(xiàn)象，系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試便捷，因此該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)物圖如圖6所示。ZXJ-160型綜合巡檢車已在上海局集團(tuán)公司投入應(yīng)用，軌道結(jié)構(gòu)巡檢裝置現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)方便，能滿足160 km/h檢測(cè)速度下對(duì)鋼軌光帶、扣件、軌道板等結(jié)構(gòu)狀態(tài)的采集、存儲(chǔ)和分析等功能，采集的圖像清晰，能對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，達(dá)到了預(yù)期效果，圖7、圖8為現(xiàn)場(chǎng)采集的軌道結(jié)構(gòu)圖像。

圖6 軌道結(jié)構(gòu)巡檢裝置的懸掛系統(tǒng)實(shí)物圖

圖7 光帶區(qū)域標(biāo)識(shí)圖

圖8 扣件區(qū)域標(biāo)識(shí)圖

6 結(jié)束語

根據(jù)ZXJ-160型綜合巡檢車的總體結(jié)構(gòu)和功能需求，設(shè)計(jì)了一套加裝在該巡檢車上的軌道結(jié)構(gòu)巡檢裝置。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)方便，能滿足160 km/h下軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的檢測(cè)要求。