高鐵鋼軌軌面異物檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

崔聳巍 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

1 研究背景

隨著“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)的不斷完善，中國高鐵營業(yè)里程也在不斷增長。自京滬高鐵開通以來，截止至2021 年12 月，僅上海局管內(nèi)高鐵營業(yè)里程就達(dá)到了6 528 km。如何依靠科技改變傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)維修模式，特別是對高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的巡檢的研究、應(yīng)用以及推動(dòng)高鐵設(shè)備運(yùn)營維護(hù)決策管理科學(xué)化、智能化成為了熱門，眾多巡檢設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。

目前，國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備巡檢系統(tǒng)主要采用主動(dòng)光源照明、線陣CCD（或CMOS）相機(jī)，運(yùn)用等間隔運(yùn)動(dòng)掃描原理。檢測項(xiàng)目普遍以軌道、接觸網(wǎng)、限界等沿線設(shè)施。檢測設(shè)備通常被各專業(yè)加裝于軌道車輛，形成單專業(yè)檢修如：接觸網(wǎng)作業(yè)車加裝4C 裝置、軌道作業(yè)車或探傷車加裝軌道巡檢系統(tǒng)等。

此類加裝雖然緩解了人工巡檢的壓力，但有限的天窗、分散的檢測資源在面對如鋼軌軌面異物的突發(fā)病害時(shí)，仍然無法做到快速檢測定位。因此設(shè)計(jì)一套可快速安裝拆卸，搭載于日常運(yùn)營動(dòng)車組列車上的巡檢系統(tǒng)顯得尤為重要。

2 高鐵鋼軌軌面異物的危害

高鐵鋼軌軌面異物是高鐵病害之一，會(huì)引發(fā)如輪軌鉻傷的嚴(yán)重的傷損。輪軌硌傷會(huì)引起輪軌系統(tǒng)產(chǎn)生突發(fā)沖擊與振動(dòng)，對車輪和鋼軌造成嚴(yán)重破壞，危及行車安全與穩(wěn)定。根據(jù)車輛和工務(wù)部門反映的多起輪軌鉻傷事件，亟需研究制定一套有效、智能和可靠的輪軌鉻傷檢測技術(shù)方案，用于輪軌鉻傷情況跟蹤和排查，為車輪和鋼軌的及時(shí)檢修提供重要依據(jù)。因高鐵鋼軌軌面異物造成的輪對硌傷如圖1所示。

圖1 因硌傷導(dǎo)致的高鐵鋼軌異常

3 高鐵鋼軌軌面異物檢測裝置設(shè)備原理

由GPS 采集設(shè)備采集速度信息，經(jīng)由信號觸發(fā)產(chǎn)生模擬編碼器觸發(fā)信號，觸發(fā)2臺(tái)相機(jī)同時(shí)采集圖像，相機(jī)接收觸發(fā)信號，逐行拍攝，并將拍攝的圖像傳遞給壓縮模塊，通過壓縮模塊的整合發(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。整個(gè)工作流程如圖2所示。

圖2 檢測裝置設(shè)備原理

4 關(guān)鍵設(shè)備選型

（1）高速線陣列攝像機(jī)。相機(jī)各項(xiàng)基本參數(shù)和可編程性都需滿足要求

（2）圖像壓縮模塊。壓縮模塊的選型和性能參數(shù)都需要滿足要以

（3）鏡頭。像素精度=視場/分辨率=840 mm/2048=0.41 mm/線。

（4）光源。光源選擇激光光源。調(diào)整激光的高度與角度，使其與線陣列相機(jī)采集線對齊

（5）磁盤存儲(chǔ)器。設(shè)計(jì)磁盤總?cè)萘?T，可將運(yùn)行2 000 km的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來。

5 現(xiàn)場測量及安裝方案及有限元分析

經(jīng)過對運(yùn)營車輛的數(shù)目，設(shè)備艙大小，運(yùn)行時(shí)速以及現(xiàn)場安裝的多方對比，380BL 型動(dòng)車組列車為檢測設(shè)備的最佳載體。根據(jù)對380BL 型動(dòng)車組各設(shè)備倉內(nèi)空間的觀察和測量，決定將檢測裝置安裝在圖3處的設(shè)備倉內(nèi)。

圖3 安裝檢測裝置的設(shè)備倉

考慮到盡量減少對設(shè)備倉內(nèi)結(jié)構(gòu)的影響，以及檢測裝置實(shí)際工作的需要，檢測裝置將被架設(shè)在設(shè)備倉內(nèi)兩根橫梁之上，設(shè)備倉底部橡膠將被部分切除，為檢測裝置提供視口。設(shè)備倉內(nèi)因安裝需要涉及到的部位如圖4所示。

圖4 設(shè)備倉內(nèi)因安裝需要涉及到的部位

檢測裝置由連接支架、相機(jī)模塊、動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)檢測模塊、工控機(jī)和電源組成。檢測裝置安裝總圖如圖5所示。

圖5 檢測裝置安裝總圖

連接支架由兩根80×80×8 角鐵、兩根連接撐桿、四個(gè)抱箍和不同厚度的橡膠墊組成，重約24 kg，如圖6 所示。安裝時(shí)，先將角鐵架設(shè)在倉內(nèi)橫梁之上，通過連接撐桿的緊固保證角鐵之間的間距。四個(gè)抱箍將橫梁包絡(luò)其中，分別緊固于角鐵的端部。橫梁與抱箍之間加塞橡膠墊，確保裝拆和使用過程中橫梁不受損傷，并且在抱箍與角鐵緊固之后，依靠橡膠墊的摩擦力防止連接支架相對橫梁發(fā)生移動(dòng)。由于兩根橫梁垂直于地面的高度不一致，因此需要采用不同厚度的橡膠墊來使連接支架上的平面保持水平。緊固采用M8 的不銹鋼螺栓和鎖緊螺母，角鐵長度大于橫梁之間的長度，防止連接支架從橫梁上掉落。

圖6 連接支架

相機(jī)模塊由相機(jī)盒與固定面板組成，重約12kg,如圖7 所示。相機(jī)盒內(nèi)放置相機(jī)組件，固定面板上有滑槽，用來調(diào)整相機(jī)角度。安裝時(shí)，先將固定面板懸掛在連接支架上，再將相機(jī)盒安裝在固定面板上。移動(dòng)固定面板來使相機(jī)視口落在設(shè)備倉底部切割橡膠處。固定面板與連接支架緊固完成之后，再調(diào)整相機(jī)盒的角度，相機(jī)中心對準(zhǔn)鋼軌軌面之后，再將相機(jī)盒緊固在固定面板上，相機(jī)中心與鋼軌軌面的設(shè)計(jì)角度為57°，如圖8所示。緊固采用M10的不銹鋼螺栓和鎖緊螺母，固定面板上部采用卡槽式結(jié)構(gòu)，防止其從連接支架上掉落，相機(jī)盒上有圓孔可以用來穿鋼絲繩，防止其從固定面板上掉落。

圖7 相機(jī)模塊

圖8 相機(jī)中心與鋼軌軌面設(shè)計(jì)角度

連接支架與相機(jī)模塊緊固連接之后，在受到行車方向和垂直方向2 倍重力加速度的情況下，結(jié)構(gòu)整體受力和形變?nèi)鐖D9 和10 所示。從圖中可以看出，最大受力發(fā)生在相機(jī)盒邊角處，最大受力約8.5 MPa,遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度；最大變形發(fā)生在連接撐桿處，最大變形約0.08 mm，變形量在可接受的范圍內(nèi)。因此該套裝置在工作過程中，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠。

圖9 連接支架與相機(jī)模塊整體受力圖

圖10 連接支架與相機(jī)模塊整體形變圖

動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)檢測模塊、工控機(jī)和電源均采用現(xiàn)有的產(chǎn)品，每個(gè)部分均固定在托架上，托架再緊固于連接支架上，即可完成固定工作。托架重約1.4 kg,結(jié)構(gòu)如圖11 所示。托架側(cè)面筋板上的圓孔用來穿鋼絲繩，防止其從連接支架上掉落。

圖11 托架結(jié)構(gòu)

6 結(jié)束語

本文以動(dòng)車組380BL 型動(dòng)車組為載體，利用了Solid works、ANSYS 軟件，設(shè)計(jì)了一套可以快速拆卸安裝的巡檢裝置。在不影響車輛運(yùn)營的情況下，能夠快速尋找高鐵鋼軌軌面異物。為高鐵鋼軌的日常維護(hù)提供了便利。