悬挂式单轨箱型轨道梁外部缺陷巡检小车的设计.pdf

国防交通工程与技术 年 月 卷期收稿日期:基金项目:成都市龙泉驿区科技计划项目(号)第一作者简介:杨涛(),男,助教/工程师,主要从事轨道交通与信息技术方面的研究与教学工作.e g s t a o c o m通信作者简介:孙付春(),男,博士,教授,主要从事机械设计及理论方面的研究与教学工作.f c h s u n c o m悬挂式单轨箱型轨道梁外部缺陷巡检小车的设计杨涛,李晓晓,吴柏强,孙付春(成都农业科技职业学院机电信息学院,四川 成都 ;成都大学机械工程学院,四川 成都 ;成都海逸机电设备有限公司,四川 成都 )摘要:悬挂式单轨交通轨道梁架空建设,不利于轨道梁的检测维修.分析轨道梁日常检修需求及指标要求,介绍了外部巡检小车结构设计、缺陷检测方案、安全系统与控制系统的工作过程.外部缺陷巡检小车可实现轨道梁外部表面锈迹与四角主焊缝裂纹的全自动检测与载人维修作业,降低检修人力成本、提高检测效率与准确率.目前外部巡检小车的设计方案已经成熟,将逐步开展测试试验.关键词:悬挂式单轨;轨道梁;巡检小车;缺陷检测;结构设计;安全系统;控制系统D O I:/j g j g y a t 中图分类号:U ;U 文献标识码:A文章编号:()悬挂式单轨交通系统也称为“空轨”,是一种轨道为下方开口的箱型钢制梁体、车辆通过转向架悬挂于轨道梁下运行的交通工具.其特点在于利用了空中资源,减少了地面资源的占用,而且建设周期短、成 本 低,也 可 为 城 市 增 添 一 道 亮 丽 的 风 景线,.目前,湖北恩施、四川成都等 多个城市和景区开始关注这种新型轨道交通制式并逐步开展了规划和设计工作,也掀起了悬挂式单轨研究热潮.悬挂式单轨的轨道梁为底部开口的半封闭钢制箱梁结构并悬吊于空中,这为其内外部的日常巡检带来了较大的困难,对于轨道梁表面缺陷检测的研究也较少.张学军等分析了轨道梁内部巡检小车功能需求,明确了检测系统、定位系统、控制系统、安全系统等主要技术指标,提出了巡检小车技术方案;杨涛等,设计了箱梁内部巡检小车并验证其主动安全性,设计的样机已经应用于青岛某公司试验轨道的日常巡检,但在巡检效率、巡检精确度等方面还有一定的提升空间;杨阳等建立起“维修制度快速综合检测、自动化检查、综合工班人工维修”的综合维修体系,提出采用轨道梁内部和外部智能巡检维修车的悬挂式单轨轨道梁自动化综合维修技术方案,有效指导了工程设计.本文围绕轨道梁外部巡检需求,阐述了外部巡检小车结构设计与检测技术方案,可促进轨道梁表面缺陷检测技术的发展.轨道梁检修需求及指标要求轨道梁日常巡检主要内容包含轨道梁焊缝裂纹、钢板锈蚀、外部限界、道岔、轨道变形以及沿线的供电、通信装备检查等,.相对于内部巡检小车,外部巡检小车巡检内容更加丰富、缺陷的位置分布也更为广泛,外部巡检小车的设计需求主要有:巡检小车应满足轨道梁裂纹检测、锈蚀检测等自动检测与分析的功能需求;巡检小车需具备人工驾驶模式、自动控制模式、遥控模式三种控制方式且相互间无障碍切换;巡检小车应自带动力,续航能力应大于 k m,充电时间不超过h;巡检小车能够搭乘名质量约为 k g的巡检人员及 k g的必备检修工具,满足人工巡检的功能需求;巡检小车应配置有主动安全系统、保障人员安全以及设备安全,并且需配置报警装置,巡检作业时需警示巡检小车外部人员;巡检小车出现故障时,应有自救能力,作业出现灾害时,需要配置紧急逃生口以保障人员安全,并配置必要的急救药箱以及相应的维修工具;配置有实时语音通讯系统,能视频监控车内人员状况及设备运行状态,监控视频能自动保存,保存时间 d.巡检小车具备运输人员或工具、自动化的缺陷检测以及辅助人工检测等功能,其主要性能指标:动力性方面,巡检小车最高运行速度 k m/h,常规作业时检测速度约为 k m/h,精细作业时检测速 研究R e s e a r c ha n dD e s i g n与设计国防交通工程与技术 年 月 卷期度约为k m/h;电池续航能力大于 k m;最小转弯半径为 m;最大爬坡度为.缺陷检测方面要求缺陷检出率;焊缝裂纹检测长度lmm,宽度bmm;锈蚀检测面积mm;限界检测精度 mm;局部变形监测精度mm.另外,考虑到巡检小车作业时对周围环境的影响,要求巡检小车作业的噪音小于 d B.巡检小车结构设计根据轨道梁巡检需求与巡检小车的设计要求,轨道梁外部巡检小车总体结构见图.巡检小车转向架位于轨道梁内部,尾部设有轨道梁检查维护作业平台并安装有传感器升降支架,检测维护作业平台可在升降围栏平移轨道上横向运动和垂向运动,运动范围覆盖轨道梁左侧右侧和下侧;车体中部两侧可垂向运动的传感器升降支架上安装有轮廓探测仪和锈蚀检测摄像机等检测装置,以完成对轨道梁的检测.?图外部巡检小车总体结构巡检小车与传统工程车辆有较大差异,其动力装置与大部分设施均布置于顶部轨道梁内.转向架不仅要承担整个巡检小车车身的重量,还要实现小车行走、转向、制动以 及保证小车 运行平稳等 功能.为保证巡检小车的动力性能,其动力装置由前后两个转向架构成,见图.与悬挂式轨道交通车辆转向架相比结构类似,但出于成本考虑,简化了部分零部件.巡检小车转向架主要由构架、走行轮、导向轮、驱动电机、传动装置等构成.齿轮传动装置将驱动电机的动力传递给走行轮,实现小车的行驶;导向轮通过对轨道梁两侧梁板的挤压实现小车在轨道内转向;巡检小车制动与驻车则由基础制动与驻车制动系统完成.巡检小车车身采用三段式设计,由驾驶舱、客货仓、多功能维修平台与控制系统以及其他附属设备构成,能基本实现巡检小车载人运输、自动检测、辅?图巡检小车转向架结构助人工检查等必要功能.车身两侧安装有轨道梁可自动升降与移动的缺陷检测装置(轮廓扫描仪、C C D相机、安全激光扫描仪等);尾部维修平台安装有液压升降台以方便维修人员进行巡检与维修作业.具体结构如图所示.?图巡检小车车身结构 外部缺陷检测系统技术方案通过对轨道梁、桥墩、道岔、轨旁设备以及通信设施等可能出现的问题进行系统性分析,确定巡检小车自动化检测项目与辅助人工检测内容.依据当前信息检测技术现状,轨道梁外侧四角主焊缝裂纹、表面锈迹由巡检小车自动检测,其他通信电缆、桥墩螺栓松动、桥墩连接处密封状态、道岔可动轨、可动导向板以及道岔锁闭装置状态的检测由巡检小车载人辅助检测.由此,确定巡检小车缺陷检测技术方案见图.轨道梁表面锈蚀、裂缝等缺陷主要采用机器视觉检测技术自动检测识别;限界、轨道梁形变等尺寸检测采用非接触式激光区域扫描仪等设备采集轨道梁尺寸信息,再自动与设计值比对,进而实现限界尺寸自动检测;连接处、道岔、沿线通讯装备等设施则是以摄像机定点拍摄照片结合人工目测的方式完成检测;缺陷位置及巡检小车实时定位系统则由转向架编码器标记行驶里程再结合R I F D校准来实现.另外,不论是激光扫描仪采集到的点云数据,还是视觉系统采集到的图像信息,均会导致巡检系统 研究与设计悬挂式单轨箱型轨道梁外部缺陷巡检小车的设计杨涛等国防交通工程与技术 年 月 卷期?RFID?PLC?图巡检小车缺陷检测技术方案采集到的数据量较大.由此,巡检小车缺陷检测与诊断系统分为线上信息采集与线下数据处理两个部分,相互间可直接通过更换硬盘的方式实现数据交换.将用于轨道梁焊缝裂纹与锈蚀检测的激光共焦位移测量仪、超高速激光轮廓测量仪、高精度工业相机等缺陷信息采集设施均布置于巡检小车尾部自动伸缩或平移的检测装置上.巡检小车作业过程中,信息采集装置采集到的轨道梁缺陷信息以及定位数据存储于车载工控机硬盘内;作业完成后将硬盘更换到高性能计算机上并导入缺陷检测与诊断系统中自动处理,并输出检测报告,以便人工复检与维修.轨道梁锈迹、裂缝视觉检测传统的机器视觉检测技术依据目标表面缺陷颜色、形状、面积、圆度、最小外接矩形长宽比等几何信息来区分缺陷类别.随着深度学习技术的发展,视觉检测在人眼难以直接量化的特征方面表现尤其亮眼,在轨道梁缺陷检测方面占据独到的优势.视觉检测系统由硬件与软件两部分构成,硬件采用C C D相机配备放大镜头与光学照明系统以获取轨道梁高质量数字图像,软件则是图像处理算法与基于深度学习的分类决策算法所构成的视觉检测系统,通过对硬件设施采集到的图像进行处理以便自动检测、识别图像中目标,从而达到目标缺陷自动检测的目的.轨道梁视觉检测系统缺陷检测识别过程见图.焊缝与限界激光检测通常,焊缝裂纹宽度较小,不易被视觉系统检测出来.为此,依据焊缝裂纹势必会出现轻微凹陷的特征,额外增加一套 D激光位移检测装置以提高?Bayes?图视觉系统缺陷检测与识别过程缺陷检出率.轨道梁四角焊缝裂纹以及轨道梁变形检测方法与视觉检测类似,分别使用表面扫描激光共焦位移计与超高速轮廓测量仪获取目标区域点云数据,再通过软件系统处理进而判断目标区域是否存在缺陷.高精度表面扫描激光共焦位移计是将音叉模块和振荡模块组合在一起,产生表面扫描激光,即可检测出裂缝处的凹陷与裂纹深度;非接触式的超高速轮廓测量仪以 次/s的速度连续采样,并生成超稳定、高精度的轨道梁轮廓图像,自动测量拐点间的距离,再与轨道梁的设计值比对即可实现轨道梁变形检测.由此,构建起了基于激光扫描的轨道梁缺陷检测系统.巡检小车安全与控制系统巡检小车配置有主动安全和被动安全系统:被动安全方面,设置有应急逃生通道与逃生绳,便于紧急情况下车上人员迅速逃往地面;另外,驾驶舱配置有应急药箱与必要的工具,能简单处理车载人员的伤口等.巡检小车主动安全系统工作过程见图,其由套安全激光扫描仪和P L C控制系统构成,包含安全检测与速度控制两个模块.安全激光扫描仪利用TO F法进行距离测量,根据轨道梁周边环境与巡检小车的行驶速度,设置扫描宽度为稍大于轨道梁断面宽度(约 mm),扫描距离为m的范围为危险区域、m的范围为警示区域.检测范围内一旦出现体积大于c m的障碍物随即发出警示信号并进一步判断小车与障碍物的实际距离是否在安全范围内,若进入到危险区域内,安全扫描系统随机发出减速信号,经继电器将信息给到P L C控制器;P L C控制系统通过车速传感器获取巡检小车的当前速度,若实时车速不为,则P L C发出紧急制动信号经伺服放大器控制伺服电机按给定的减速曲线减速到,再复位主轴电磁制动器以保证巡检小车能及时停稳;若当前车速为,即当前巡检小车处于静止状态,扫描区域内出现障碍物则巡 研究与设计悬挂式单轨箱型轨道梁外部缺陷巡检小车的设计杨涛等国防交通工程与技术 年 月 卷期检小车无法启动.从而保证车上人员与设备以及轨道梁周边电力、通信等设施的安全.?PLC?0?图主动安全系统工作过程巡检小车控制系统由工控机、P L C、车载显示器、遥控设备、驾车系统、通信系统、安全系统以及运动控制系统构成.行车控制有遥控驾驶、自动驾驶、人工驾驶种驾驶模式,各驾驶模式独立运行、可相互任意切换,巡检小车控制与视觉实时缺陷检测画面见图.工控机将缺陷检测传感器检测数据预处理后可实时显示在车载显示器上,以便巡检人员实时查看检测系统工作状态和调整作业速度.图巡检小车控制与实时缺陷检测界面 结束语目前,轨道梁外部缺陷巡检小车的设计方案已经相对成熟,在中车四方股份悬挂式单轨试验线项目得到了测试与试验,有望进一步在陕西韩城、四川大邑等悬挂式单轨试验项目中得到推广应用.参考文献 范琪,单瑛,汪峥,等悬挂式单轨交通智能巡检车车地无线通信方案研究J铁道通信信号,():余浩伟,徐银光,李涛,等悬挂式单轨交通在国内的适应性研究J铁道工程学报,():王梓丞,易立富,王坚强,等悬挂式单轨列车绝对定位技术方案及试验研究J铁道通信信号,():陈庆,王孔明,杨阳,等悬挂式单轨交通运营监控与维修保障平台J铁路计算机应用,():张峻领,张茂帆,王孔明悬挂式轨道交通车辆检修工艺及装备研究J现代城市轨道交通,():张学军,王孔明,徐银光,等青岛悬挂式单轨轨道梁内部巡检设备研制J城市轨道交通研究,():杨涛,罗正文,李凯,等悬挂式轨道交通箱型轨道梁巡检车的主 动 安 全 系 统 设 计 J城 市 轨 道 交 通 研 究,():杨涛,吴柏强,李晓晓悬挂式单轨箱梁内部巡检小车设计J国防交通工程与技术,():杨阳,王孔明,钱科元,等悬挂式单轨轨道梁及其附属设施综合维修技术方案研究J铁道标准设计,():余浩伟,徐银光,鄢红英,等陕西韩城悬挂式单轨一期工程总体设计J现代城市轨道交通,():高林生悬挂式单轨交通车辆转向架检修工艺J城市轨道交通研究,():魏德豪,刘孜学,陈庆,等基于C C D图像分析的空轨轨道梁表面缺陷检测J无损检测,():刘翠翠,杨涛机器视觉在智能制造中的应用与产业发展J机床与液压,():D e s i g no f I n s p e c t i o nT r o l l e yo fS u s p e n s i o n T y p eM o n o R a i lT r a c kB e a mE x t e r n a lD e f e c tY A N G T a o,L IX i a o x i a o,WU B a i q i a n g,S U N F u c h u n(S c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a l I n f o r m a t i o n,C h e n g d uA g r i c u l t u r eC o l l e g e,C h e n g d u ,C h i n a;S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,C h e n g d uU n i v e r s i t y,C h e n g d u ,C h i n a;C h e n g d uH a i y iM e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a lE q u i p m e n tC o,L t d,C h e n g d u ,C h i n a)A b s t r a c t:S u s p e n s i o n t y p em o n o r a i l t r a n s p o r t a t i o n t r a c kb e a m s a r eb u i l t o v e r h e a d,w h i c h i sn o t c o n d u c i v e t o t h e i n s p e c t i o na n dm a i n t e n a n c eo f t r a c kb e a m s T h i sp a p e r a n a l y z e s t h ed a i l ym a i n t e n a n c en e e d s a n d i n d e x r e q u i r e m e n t s o f t h e r a i l g i r d e r s,a n d i n t r o d u c e s t h es t r u c t u r a l d e s i g no f t h ee x t e r n a l i n s p e c t i o nt r o l l e y,t h ed e f e c td e t e c t i o ns c h e m e,(上转第页)研究与设计悬挂式单轨箱型轨道梁外部缺陷巡检小车的设计杨涛等国防交通工程与技术 年 月 卷期t i o n a l d e f e n s e t r a n s f o r m a t i o n,r e q u i s i t i o nc o m p e n s a t i o n,a n dt h ee s t a b l i s h m e n to f s t r a t e g i cd e l i v e r ys u p p o r t f l e e t s I no r d e r t os o l v e t h ed i l e mm ao f o v e r e m p h a s i z i n g t h em a n d a t o r yu s eo fm i l i t a r yr e s o u r c e s a n d l a c k i n ga ne q u a l n e g o t i a t i o nc o n t r a c tm e c h a n i s mi nt h em o b i l i z a t i o nm e c h a n i s mf o rc i v i ls h i pd e f e n s e,C h i n a ss h i pd e f e n s em o b i l i z a t i o nm e c h a n i s mi se x a m i n e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo f a d m i n i s t r a t i v ep r i v a t e l a wt h e o r y B ya n a l y z i n g t h e c o m p a t i b i l i t yb e t w e e n t h en a t i o n a l d e f e n s em o b i l i z a t i o nm e c h a n i s mo f c i v i l i a ns h i p sa n dt h ec o n c e p to fa d m i n i s t r a t i v ep r i v a t el a w,i no r d e rt ob u i l dac o m p r e h e n s i v e l e g a lg u a r a n t e ef o rt h ec i v i l s h i pd e f e n s em o b i l i z a t i o no f c i v i l i a ns h i p s,l e g a l a p p r o a c ht op r o m o t i n gt h e r e f o r mo f t h ec i v i l d e f e n s em o b i l i z a t i o nm e c h a n i s mf o r t h e c i v i l s h i p s l i e s i ne x p l o r i n g t h e f o r m a t i o no f t h e c i v i l s h i pn a t i o n a l d e f e n s em o b i l i z a t i o n c o n t r a c t s,t h e i m p r o v e m e n t o f s u p p o r t i n g l a w s a n dr e g u l a t i o n s,a n d t h e i n t e g r a t i o no f c o n s u l t a t i o nc o o p e r a t i o n p r o c e d u r a l r e g u l a t i o n s i n t o t h em o b i l i z a t i o nm e c h a n i s mK e yw o r d s:c i v i l s h i p;n a t i o n a l d e f e n s em o b i l i z a t i o n;a d m i n i s t r a t i v ep r i v a t i z a t i o n;l e g a l g u a r a n t e e;c o n t r a c t u a lm e c h a n i s m(下接第 页)参考文献 郑君长,万飞,安亚雄,等复理石地层公路隧道围岩稳定性研究J公路工程,():D I NH Q D,KON I E T Z KY H,MA R T I N H B r a z i l i a nt e n s i l es t r e n g t ht e s t so ns o m ea n i s o t r o p i cr o c k sJ I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fR o c k M e c h a n i c sa n d M i n i n gS c i e n c e s,:邓祥辉,赵志清,王睿,等不同倾角和层厚的层状围岩隧道稳定性数值分析J西安工业大学学报,():刘科层状与非均质岩体中隧道围岩变形和衬砌结构力学特性研究D成都:西南交通大学,谭鑫,傅鹤林,陈琛,等层状岩体中隧道稳定性数值分析J铁道科学与工程学报,():王焱,翁梅层状岩体隧道底鼓非对称变形研究J煤矿安全,():张俊儒,马凯蒙,方钱宝,等基于层状围岩变形特征的高地应力陡倾板岩隧道合理洞型研究J中国公路学报,():D ONA,D I A SD B e h a v i o ro fn o n c i r c u l a r t u n n e l se x c a v a t e d i ns t r a t i f i e dr o c k m a s s e s c a s eo fu n d e r g r o u n dc o a lm i n e sJ J o u r n a lo fR o c k M e c h a n i c sa n d G e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g,():王石光,黄林冲,彭立敏,等软弱泥质页岩隧道衬砌受力特征探讨J铁道科学与工程学报,():郭小龙高地应力软岩隧道变形分级控制技术及二次衬砌施作时机研究D北京:北京交通大学,R e s e a r c ho nS t a b i l i t yI n f l u e n c ea n dD e f o r m a t i o nC o n t r o l o fS t r u c t u r a lP l a n eO r i e n t a t i o no nD e e p I n t e r b e dT u n n e lK O U F a b i n,Z H A N G L i a n g(C h i n aR a i l w a yL a n z h o uG r o u pC o,L t d,L a n z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ed e e p b u r i e d i n t e r l a y e r t u n n e l i sp r o n e t o l a r g ed e f o r m a t i o n,w h i c hs e r i o u s l ye n d a n g e r st h es a f e t yo f t u n n e l c o n s t r u c t i o n B a s e do n t h e J i a n s h a nT u n n e l o f Z h o n g w e i L a n z h o up a s s e n g e r d e d i c a t e d l i n e,t h en u m e r i c a l a n a l y s i s i s c a r r i e do u t u n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n ss u c ha s t h eo c c u r r e n c eo f t h es t r u c t u r a lp l a n e,d i f f e r e n ta n g l e sa n dl e n g t h so fa n c h o rr o d T h er e s u l t ss h o wt h a t t h e i n c l i n a t i o na n g l eo f t h eb e d d i n gp l a n eh a sag r e a t i n f l u e n c eo nt h ed i s p l a c e m e n to f t h es u r r o u n d i n gr o c kn e a r t h et u n n e l W h e nt h eb e d d i n gp l a n ea n dt h e i 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