懸掛式單軌箱梁內(nèi)部巡檢小車設(shè)計(jì)

楊 濤， 吳柏強(qiáng)， 李曉曉

(1.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106；2.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電信息學(xué)院，四川 成都 611130；3.成都海逸機(jī)電設(shè)備有限公司，四川 成都 610107)

懸掛式單軌交通也被稱為空軌，因其充分利用城市空間、線路適應(yīng)性強(qiáng)、建設(shè)周期短、節(jié)約地面道路資源等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在德國(guó)、日本得到廣泛應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)還處于研究階段[1,2]。2016年中車四方股份與中唐空鐵兩條試驗(yàn)線先后建成，其軌道梁均采用底部開口的鋼制箱型結(jié)構(gòu)，故箱型軌道梁也被稱為箱梁。轉(zhuǎn)向架置于箱梁內(nèi)，運(yùn)營(yíng)列車通過(guò)轉(zhuǎn)向架懸掛于箱梁下方并由走行輪支撐其沿箱梁行駛，同時(shí)導(dǎo)向輪在箱梁內(nèi)側(cè)面的擠壓作用下對(duì)列車進(jìn)行導(dǎo)向[2-4]。也就是說(shuō)，箱梁采用“梁—軌”合一的結(jié)構(gòu)，在起支撐作用的同時(shí)兼做運(yùn)營(yíng)列車行駛軌道[5,6]。由此可見，箱梁是空軌中重要的安全件之一。因此，需要定期對(duì)箱梁進(jìn)行缺陷檢測(cè)以保證空軌安全運(yùn)營(yíng)。然而，箱梁內(nèi)部空間狹窄、光線較暗、軌旁電力與通信設(shè)備較多等不利于人工檢測(cè)因素加大了人工巡檢的難度與成本[7,8]。基于此，筆者研制了能夠自動(dòng)駕駛的巡檢小車進(jìn)入到箱梁內(nèi)部代替人工完成巡檢作業(yè)。這尚屬于國(guó)內(nèi)首次研究，為箱梁表面缺陷巡檢、綜合維修提供了有益參考。

1 試驗(yàn)線概況

該文以中車四方空軌試驗(yàn)線(以下簡(jiǎn)稱“試驗(yàn)線”)箱梁內(nèi)部缺陷檢測(cè)項(xiàng)目為依托，試驗(yàn)線全長(zhǎng)約830 m，最小曲線半徑為50 m，最大坡度6%，最大載重約5 t[7]。箱梁采用底部開口的標(biāo)準(zhǔn)鋼制箱型結(jié)構(gòu)(見圖1)，底部開口210 mm、內(nèi)腔寬為780 mm、內(nèi)腔凈高度1 100 mm，接觸軌布置于軌道梁內(nèi)側(cè)，上方為DC750 V正極，下方為回流軌[6,9]。定期巡檢是保證空軌安全運(yùn)營(yíng)的重要手段之一，軌道梁內(nèi)部巡檢內(nèi)容主要有：①表面缺陷(銹蝕、焊縫裂紋等)檢測(cè)與維護(hù)處理；②接觸軌緊固件松動(dòng)檢查與維護(hù)；③內(nèi)部限界檢查。因此，對(duì)巡檢小車提出的設(shè)計(jì)要求有：①可自動(dòng)巡檢、載人維修作業(yè)；②巡檢作業(yè)過(guò)程中檢測(cè)到異常后對(duì)異常位置進(jìn)行定位標(biāo)記；③搭載完善的安全系統(tǒng)，保護(hù)人員、巡檢小車以及其他軌旁設(shè)備；④巡檢小車整體尺寸不得超過(guò)軌道梁內(nèi)部限界[7]。

圖1 軌道梁斷面圖(單位：mm)

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 性能指標(biāo)

根據(jù)軌道梁巡檢需求與巡檢小車的設(shè)計(jì)要求確定巡檢小車主要性能指標(biāo)，分別為：外形尺寸3 285 mm×750 mm×1 050 mm，走行輪軸距1 730 mm，導(dǎo)向輪軸距2 754 mm，最高車速10 km/h，最大爬坡度6%，常規(guī)檢測(cè)速度5 km/h，精細(xì)檢測(cè)速度3 km/h，運(yùn)輸速度8 km/h，最小離地間隙35 mm，滿載質(zhì)量400 kg，限界檢測(cè)精度±1 mm，最小裂紋檢測(cè)寬度5 mm，最小銹蝕檢測(cè)面積10 mm2，續(xù)航能力6 km。

2.2 總體布置設(shè)計(jì)

巡檢小車采用三段式設(shè)計(jì)(見圖2)，前段布置蓄電池，中段為乘坐艙，后段布置驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電氣柜、儲(chǔ)物箱等設(shè)備，滿載時(shí)小車重量分布均勻[5]。此外，由布置于小車前部與尾部的安全掃描儀搭建起一套主動(dòng)安全系統(tǒng)，尾部布置視覺檢測(cè)系統(tǒng)；同時(shí)除兩側(cè)開放式車門外，前部設(shè)置有掀開式車門，保證了巡檢小車安全性與作業(yè)方便性。

圖2 巡檢小車總體布置

2.3 底盤

2.3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

小車驅(qū)動(dòng)形式一般有電機(jī)集中式、多電機(jī)式和輪轂電機(jī)式3種[10]，考慮到巡檢小車特殊工作環(huán)境，采用后置式電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)方式，其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)見圖3。電機(jī)經(jīng)齒輪箱驅(qū)動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸左右兩端各連接一個(gè)牙嵌式離合器，離合器另一端連接走行輪，從而實(shí)現(xiàn)巡檢小車后輪驅(qū)動(dòng)。

圖3 傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.3.2 導(dǎo)向系統(tǒng)

導(dǎo)向輪與走行輪均采用實(shí)心橡膠輪，巡檢小車前部、后部以及頂部安裝有3組(每組2個(gè))導(dǎo)向輪(圖2)，在軌道梁內(nèi)壁擠壓作用下實(shí)現(xiàn)巡檢小車導(dǎo)向與轉(zhuǎn)向。巡檢小車輪距較小(約740 mm)，用兩個(gè)牙嵌式離合器來(lái)代替復(fù)雜的差速機(jī)構(gòu)。在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中巡檢小車左右走行輪速度差稍大，速度較低一側(cè)的離合器自動(dòng)分離；直線行駛時(shí)，速度差較小，離合器自動(dòng)接合，從而保證了巡檢小車順利通過(guò)試驗(yàn)線彎道區(qū)域。此外，為減小彎道行駛過(guò)程中的阻力，保障巡檢小車能夠順利通過(guò)彎道，巡檢小車從動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用鉸鏈機(jī)構(gòu)并設(shè)置了限位擋塊，使從動(dòng)輪能夠在±35°范圍內(nèi)活動(dòng)，見圖4。

圖4 巡檢小車從動(dòng)系統(tǒng)

2.3.3 制動(dòng)系統(tǒng)

巡檢小車行駛速度較低，可依靠電機(jī)制動(dòng)完成小車的自動(dòng)行駛過(guò)程中的制動(dòng)。另外，安裝有機(jī)械式駐車制動(dòng)器，以滿足巡檢小車長(zhǎng)時(shí)停車制動(dòng)需求。

2.4 車架與車身

車架采用30 mm高強(qiáng)度7075鋁合金一體式銑削而成，既保證了強(qiáng)度要求，又能減輕小車重量。巡檢小車采用非承載式車身結(jié)構(gòu)，使用2 mm厚鋁合金折彎而成并通過(guò)螺栓與車架相連，車窗使用有機(jī)玻璃切割而成。

2.5 控制系統(tǒng)

巡檢小車控制系統(tǒng)由工控機(jī)、PLC、車載顯示器、遙控設(shè)備、檢測(cè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、安全系統(tǒng)以及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成，其控制原理見圖5。管理層具有最高控制權(quán)限，可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制巡檢小車；工控機(jī)為控制層中心，PLC負(fù)責(zé)各節(jié)點(diǎn)調(diào)控；應(yīng)用層執(zhí)行具體的任務(wù)。

行車控制系統(tǒng)分為人工駕駛、自動(dòng)駕駛以及遙控駕駛3種駕駛模式，各模式獨(dú)立運(yùn)行、可相互任意切換，控制系統(tǒng)交互界面見圖6。用戶可通過(guò)該交互界面實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢小車的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制等操作。

限界檢查采用位移傳感器，銹跡、裂紋等表面缺陷采用視覺檢測(cè)方案。考慮到軌道梁缺陷檢測(cè)需要采集的數(shù)據(jù)量過(guò)大，數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算由工控機(jī)完成，原理結(jié)構(gòu)見圖7。

圖5 控制系統(tǒng)原理框圖

圖6 上位機(jī)交互界面

圖7 軌道梁缺陷檢測(cè)方案

2.5.1 行駛控制

查閱電機(jī)手冊(cè)可知巡檢小車啟停速度曲線符合正余弦規(guī)律，即巡檢小車加速、制動(dòng)曲線符合公式(1)：

vt=vmaxsin(ωt+φ)

(1)

式中：vt為t時(shí)刻的車速；ω為速度變化曲線的角速度；φ速度變化的相位差。

也就是說(shuō)，巡檢小車加速減速符合正弦曲線規(guī)律。考慮巡檢作業(yè)效率與檢測(cè)精度，自動(dòng)駕駛模式下，規(guī)定巡檢小車運(yùn)輸速度v0=8 km/h、常規(guī)檢測(cè)速度v1=5 km/h、精細(xì)檢測(cè)速度v2=3 km/h。電機(jī)采用速度控制方式，自動(dòng)駕駛模式下巡檢小車勻速行駛，作業(yè)速度曲線見圖8。

2.5.2 安全系統(tǒng)

在巡檢作業(yè)過(guò)程中，既要保護(hù)巡檢小車內(nèi)部人員、維修人員，又要保護(hù)軌旁電力與通信設(shè)備的安全。由此，巡檢小車搭載有聲光報(bào)警系統(tǒng)、主動(dòng)安全系統(tǒng)等裝置，其工作原理見圖9。巡檢小車前后均布置1個(gè)安全激光掃描儀，利用TOF(Time of Flight)法測(cè)量并反饋巡檢小車與障礙物的距離[5]。

圖8 速度變化曲線

設(shè)置安全掃描儀左右兩側(cè)掃描寬度為箱梁內(nèi)輪廓寬度(約780 mm)，距離障礙物0～1.2 m的范圍為危險(xiǎn)區(qū)域，掃描儀發(fā)出危險(xiǎn)信號(hào)，同時(shí)聲光報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出紅光與警報(bào)信息；1.2～1.5 m的范圍為報(bào)警區(qū)域，掃描儀發(fā)出減速信號(hào)，同時(shí)聲光報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出黃光與警報(bào)信息；距離巡檢小車1.5 m之外的范圍不進(jìn)行掃描。經(jīng)測(cè)試，該主動(dòng)安全系統(tǒng)可有效保證巡檢小車在行駛過(guò)程中遇到緊急情況能夠及時(shí)停車，避免發(fā)生事故[5]。

圖9 主動(dòng)安全系統(tǒng)原理

2.5.3 定位系統(tǒng)

為保證行車安全，地面基站需要及時(shí)了解到巡檢小車在軌道梁中的具體位置，同時(shí)檢測(cè)到異常點(diǎn)時(shí)也需要標(biāo)記精確位置。巡檢小車定位系統(tǒng)采用測(cè)速定位與射頻識(shí)別修正的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位，其原理見圖10。首先，由安裝在走行輪上的輪轂編碼器記錄走行輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，再由走行輪半徑計(jì)算出巡檢小車行駛路程。此外，為避免因走行輪打滑導(dǎo)致巡檢小車行駛路程誤差較大的情況，在箱梁內(nèi)部間隔10 m粘貼電子標(biāo)簽，巡檢小車行駛到該位置處時(shí)，通過(guò)RFID(Radio Frequency Identification)識(shí)別技術(shù)識(shí)別標(biāo)簽內(nèi)容，從而修正巡檢小車行駛的里程數(shù)，實(shí)現(xiàn)巡檢小車精確定位。

圖10 定位系統(tǒng)原理

2.6 檢測(cè)系統(tǒng)

軌道梁表面缺陷檢測(cè)采用視覺檢測(cè)方案，見圖11。視覺檢測(cè)裝置可將鏡頭沿z軸運(yùn)動(dòng)、沿y軸移動(dòng)以及繞x軸360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將其安裝于巡檢小車尾部，跟隨巡檢小車行駛從而實(shí)現(xiàn)整條試驗(yàn)線軌道梁表面缺陷圖像采集，采集到的圖像通過(guò)工控機(jī)預(yù)處理后存儲(chǔ)于硬盤中，待圖像采集作業(yè)完成后將硬盤更換于高性能計(jì)算機(jī)內(nèi)做圖像識(shí)別處理并生成檢測(cè)報(bào)告，最后由人工根據(jù)該報(bào)告做人工復(fù)檢，從而完成軌道梁表面缺陷巡檢作業(yè)。

圖11 視覺檢測(cè)裝置

3 設(shè)計(jì)試驗(yàn)

巡檢小車樣機(jī)見圖12。在試驗(yàn)線上測(cè)試過(guò)程中，巡檢小車順利通過(guò)試驗(yàn)線彎道、道岔、爬坡、主動(dòng)安全、圖像采集、限位檢測(cè)等測(cè)試，設(shè)計(jì)方案可行，滿足試驗(yàn)線箱梁日常巡檢使用要求[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文以中車四方股份懸掛式單軌試驗(yàn)線為研究背景，分析了箱梁內(nèi)部巡檢與綜合維修需求，詳細(xì)闡述了巡檢小車總體結(jié)構(gòu)、底盤布置、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)等各部分設(shè)計(jì)原理。此外，研制出的樣機(jī)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)測(cè)試并成功應(yīng)用，奠定了箱梁自動(dòng)巡檢作業(yè)基礎(chǔ)，促進(jìn)了箱梁檢修產(chǎn)業(yè)向著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。

圖12 巡檢小車樣機(jī)