空鐵軌道梁內部巡檢及清掃設備構想

潘 實 吳少培 袁青平

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

0 概述

空鐵交通系統在德國、日本已運營多年，技術成熟且安全可靠，空鐵線路以高架結構形式為主，施工簡便，空間利用率高且造價相對低廉，列車采用橡膠輪胎，爬坡性能良好，產生的噪聲較鋼輪鋼軌系統大幅減小，乘客乘坐列車時視野寬廣，適宜在景區設置，可提供良好的觀光游覽條件[1]。

空鐵交通系統一般采用架空形式進行建設，空鐵列車軌道梁位于列車上方，梁內安裝有供電電纜、通信電纜、信號電纜等重要設施，軌道梁內部巡檢對于列車的安全運營至關重要[2]，該文對軌道梁內部巡檢及清掃設備進行系統性的構想，為空鐵系統相關設備的研制提供了有益的參考。

1 設備功能需求

空鐵列車轉向架位于軌道梁內，列車車體位于轉向架下方，通過螺栓機構與轉向架連接，懸掛于軌道梁上。軌道梁承載了列車的全部荷載，軌道梁結構的穩定健康直接關系著空鐵列車的運行安全，為保證空鐵列車運營安全，需對空鐵軌道梁進行定期巡檢。

空鐵軌道梁通常情況下主要由5 塊鋼制板材焊接而成，軌道梁內部凈寬為780 mm，凈高1 250 mm，軌道梁沿線路縱向每隔一段距離設置加強肋一處。

軌道梁內巡檢作業空間狹小，軌道梁內部凈寬僅780 mm，凈高1 250 mm，依靠檢修人員進行巡檢、清潔，作業強度大，易使巡檢人員產生疲勞感，進而增加巡檢作業的安全風險。亟需研發一種能替代人力、安全可靠的多功能巡檢及清掃設備，來承擔軌道梁軌道梁內部巡檢任務如圖1 所示。

圖1 軌道梁斷面示意圖

軌道梁軌道梁內部巡檢的主要內容有5 點。1）軌道梁內限界檢測。2）梁體內部裂紋、銹蝕檢測。3）接觸軌安裝情況檢測。4）梁內灰塵、異物的清掃及回收。5）梁內其他管線、設備狀態的檢測。

2 設備方案

2.1 總體技術方案

軌道梁內部巡檢及清掃設備由運行控制系統、動力及導向系統、檢測系統、清掃系統、設備定位系統等組成。巡檢設備小車頭部安裝有限界檢測設施以及圖像檢測設施，小車中部安裝有工控機、PLC 等設備組成的數據采集及控制單元，電動機、變速箱等車輛動力單元，車體定位模塊以及無線通信設施，車底中部安裝超聲波檢測機構，車體尾部設置清掃及吸塵設施，設備整體采用模塊化設計，便于日常使用以及維護保養。空鐵軌道梁內部巡檢及清掃設備系統組成如圖2 所示，結構示意圖如圖3 所示。

圖2 空鐵軌道梁內部巡檢及清掃設備系統組成示意圖

圖3 空鐵軌道梁內部巡檢及清掃設備結構示意圖

2.2 控制系統

設備可選擇人員無線控制、自主巡檢兩種模式進行作業。在人員無線控制模式下操作人員可通過控制臺對設備小車的運行及作業情況進行控制和監測。設備自主巡檢模式下，巡檢設備可依靠設備小車內的工控機及PLC系統，按照預先寫入的程序進行自主巡檢并將巡檢結果存儲在設備小車的工控機內。

2.3 動力及導向系統

設備采用蓄電池驅動電機為巡檢小車提供走行動力，蓄電池同時為巡檢設備控制系統以及各檢測、清掃等功能模塊提供電力。設備構架采用鋁合金結構，構架上設置走行輪、導向輪、穩定輪，驅動輪設置在小車后部靠近車輛動力單元，從動輪位于小車前部，設備小車轉向時由導向輪及穩定輪提供轉向力。采用閘瓦制動為設備小車提供制動力。小車的蓄電池、電動機、減速箱等組成的動力單元位于小車中后部。巡檢小車端部設置有應急牽引連掛裝置，在巡檢小車運行產生故障時提供救援條件。

2.4 檢測系統

檢測系統為該巡檢及清掃設備的重要組成部分，包含空鐵軌道梁內部限界檢測系統、圖像檢測系統以及超聲波檢測系統。

2.4.1 限界檢測系統

限界檢測系統采用激光掃描對軌道梁內部進行檢測，測量模塊位于巡檢小車前端，可在巡檢設備運行過程中不斷對軌道梁內部斷面進行測量，將測量數據傳入設備小車工控機內進行數據分析，采集的空間距離信息經空間坐標變換建立軌道梁內部的二維斷面圖[3]，與標準軌道梁內部限界圖進行分析比對，自動識別出侵界位置，將檢測結果數據存儲并發出預警信號提醒巡檢設備操作人員。

2.4.2 圖像檢測系統

圖像檢測系統配有一臺工業高清紅外線點陣攝像機，該攝像機將采集到的圖像信息傳輸至巡檢設備工控機內，經過工控機預處理后通過無線網傳輸給控制臺顯示終端，顯示終端可通過圖像自動識別系統對軌道梁內部情況進行檢測，監測梁內接觸軌及其他設備的安裝情況，智能識別裂紋、焊縫、銹跡及其他異物，并與數據庫內的軌道梁以往圖像進行對照，對裂紋、焊縫、銹跡的產生及變化情況進行分析并生成報表，同時圖像信息也將在顯示在控制臺顯示終端，控制人員可在控制室內監控軌道梁內部情況，如圖4 所示。

圖4 圖像檢測系統示意圖

2.4.3 超聲波檢測系統

空軌列車在運行過程中膠輪會與軌道梁產生摩擦、擠壓以及沖擊作用，軌道梁體與承重輪接觸的部分直接承受由橡膠輪施加的荷載，在列車車輪長期碾壓下，軌道梁體內部結構存在產生損傷的可能性。圖像檢測系統對梁體結構內部的損傷難以進行有效的識別，超聲波檢測系統能很好地對圖像檢測系統進行補充，對軌道梁內部結構損傷情況進行檢測。

超聲波檢測系統（圖5）通過收集分析其所發射的超聲波在被測物體缺陷部分反射回的信號，來獲得被測物體的內部缺陷信息，超聲波反射法具有定位精確、檢測靈敏以及操作方便的優點[4-5]。超聲波檢測系統包括超聲波探頭，噴淋耦合機構，信號發射、采集、分析處理器以及配套軟件系統。首先由超聲波檢測系統向軌道梁發射超聲波，之后對反射回的超聲波進行收集，收集的信號經處理后傳輸至工控機內，在工控機內通過軟件進一步分析，完成對軌道梁損傷的識別與損傷信息的存儲任務。

圖5 超聲波檢測系統示意圖

2.5 清掃系統

由于空鐵列車采用膠輪系統，在列車啟動、制動、加減速、轉向的過程中，橡膠輪胎與箱梁內部摩擦產生的橡膠碎屑會存留在箱梁內部，同時風沙也會將灰塵等通過箱梁下部的開口處吹送入箱梁內部，需對箱梁內部進行定期清掃，本設備在巡檢過程中首先采用毛刷對箱梁內部進行全方位預清掃，之后用吸塵裝置將清掃的灰塵等進行收集，保證了箱體內部的清潔，防止了箱體內存留灰塵等異物對車輛運行造成的不良影響。

2.6 定位系統

巡檢及清掃設備采用RFID（射頻識別）定位技術與輪對編碼器測距相結合的方式完成設備小車的定位，軌道梁內部每隔一段距離設置一處無源電子標簽，通過巡檢小車上的讀取器發送一定頻率的射頻信號，電子標簽接收到射頻信號后將里程信息反饋給讀取器[6]，再通過采集走行輪輪轂上安裝的編碼器旋轉圈數對設備的走行距離進行校正，從而實現設備的準確定位，如圖6 所示。

圖6 定位系統示意圖

3 結語

該文對空鐵軌道梁內部巡檢及清掃設備進行了系統性的構想，根據空鐵軌道梁巡檢需求，設計巡檢設備的各功能模塊，使各模塊有機結合，將超聲波檢測系統、清掃系統創新性地引入到了空鐵軌道梁巡檢設備的設計之中，較國內目前研發的巡檢設備功能更加完善，預計可有效降低巡檢人員的作業強度，提高巡檢效率。在未來實際應用過程中還將根據運營單位反饋的意見對設備進行進一步的改進和優化。