160 km/h綜合巡檢車軌道結構狀態巡檢裝置設計

劉 偉 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

1 引言

ZXJ-160型綜合巡檢車是基于160 km/h電傳動軌道車的集高速鐵路工、電、供關鍵基礎設施設備和沿線環境檢測監測、綜合數據分析處理和運營維修輔助決策為一體的現代化高鐵綜合巡檢車。軌道結構巡檢裝置是該巡檢車的重要組成部分，其功能是對軌道結構各關鍵部位狀態進行連續檢測，以實現軌道結構狀態病害（包括：鋼軌光帶表面、扣件、軌道板等缺陷）識別。目前，集團公司GTC-80鋼軌探傷車上加裝的車載智能軌道巡檢系統以80 km/h的速度在全局高鐵線路實現了周期性檢測，年總檢測里程達12萬公里，但未實現160 km/h檢測速度下巡檢作業。為滿足ZXJ-160型綜合巡檢車160 km/h的檢測要求，結合綜合巡檢車的總體特征，設計了對應的軌道結構狀態巡檢系統。

2 軌道結構巡檢裝置組成

該裝置采用機器視覺、面陣列光源結合線陣列相機等多種技術融合的方式完成軌道板結構狀態的等間距圖像采集。該裝置主要由車底懸掛系統和車內控制系統兩大系統組成，其中車底懸掛系統主要包括巡檢主梁、CCD高速線陣成像模塊、面陣列光源模塊、防塵罩等；車內控制系統包括圖像采集、存儲、分析處理軟件及相關設備組成。具體工作流程為采集卡發出同步信號觸發相機同時采集圖像，相機接收觸發信號，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送給采集應用程序。應用程序做相應處理后將圖像保存下來。系統工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程

3 軌道結構巡檢裝置總體布局

ZXJ-160綜合巡檢車搭載十余套檢測裝置，車底空間緊湊，因此在車底布局巡檢裝置的懸掛系統時應將懸掛系統機械結構的現場安裝、相機鏡頭參數調整、后期維護及相關線束布局等進行綜合考慮。圖2為軌道結構巡檢裝置車底懸掛系統的總體布局，該裝置安裝在ZXJ-160型綜合巡檢車的Ⅱ端車底的車鉤和轉向架之間的一條左右貫通的通道中，因此將懸掛系統設計成整體梁結構。懸掛系統通過安裝支架與車體底部工字梁上預留的安裝接口連接固定，圖3為懸掛系統結構示意圖。該方案中懸掛系統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160 km/h的檢測要求。車內控制系統的相關硬件主要安裝在靠近巡檢懸掛系統端的車內機柜中。

圖2 巡檢裝置在整車布局中的二維圖

圖3 安裝結構示意圖

4 軌道結構巡檢裝置結構設計

根據各相機的設計成像角度，合理布局CCD高速線陣成像模塊，如圖3所示，以確保能夠對軌道結構狀態進行完整地拍攝。主梁為巡檢系統的主要承載部件，采用7075高強度鋁合金經加工中心精加工成型，以提高其整體結構強度。CCD高速線陣成像模塊安裝在橫梁上部，該模塊是巡檢系統的核心部件，對防塵防潮有極高要求，因此采用模塊式密封設計。面陣列光源模塊均布在主梁的底部凹槽里，為提高相機成像質量，通過對橫梁底部凹槽的合適角度計算，將光源能量聚集在線陣相機的成像區域。分段式不銹鋼防塵罩嵌入橫梁底部，可有效防止灰塵、雨水進入成像區域；本次設計中在不銹鋼防塵罩的兩側布置了光源模塊對外側軌腰成像部位進行補光設計，以適用高速巡檢作業下對光源強度的更高需求。

整套軌道結構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。在綜合巡檢車運行的過程中，加減速、車輛制動以及復雜的路況都會對設備產生不同的加速度，本文根據實際工作條件進行模擬仿真計算。通過計算得到軌道結構巡檢裝置的應力云圖和應變云圖。圖4為應力云圖，從中可以看出，整套裝置主梁最大的受力在13 MPa以內，主梁采用高強度鋁合金，其屈服強度遠大于主梁所受的最大應力值，因此巡檢裝置強度可靠。圖5為應變云圖，從中可以看出，整套裝置的最大變形發生在不銹鋼防塵罩的底部，數值約為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，因此不會出現最大變形量的情況。

圖4 結構巡檢裝置的應力云圖

圖5 結構巡檢裝置的應變云圖

5 軌道結構巡檢裝置應用效果

軌道結構巡檢裝置懸掛系統各部件為模塊化設計，在試驗室完成了各模塊的裝配并集成在懸掛系統主梁上，在試驗室完成功能測試，在整車廠生產車間完成該裝置的安裝、布線。在整個裝配和安裝過程中未發生干涉現象，系統參數調試便捷，因此該裝置結構設計合理，現場安裝實物圖如圖6所示。ZXJ-160型綜合巡檢車已在上海局集團公司投入應用，軌道結構巡檢裝置現場維護方便，能滿足160 km/h檢測速度下對鋼軌光帶、扣件、軌道板等結構狀態的采集、存儲和分析等功能，采集的圖像清晰，能對結構缺陷進行準確識別，達到了預期效果，圖7、圖8為現場采集的軌道結構圖像。

圖6 軌道結構巡檢裝置的懸掛系統實物圖

圖7 光帶區域標識圖

圖8 扣件區域標識圖

6 結束語

根據ZXJ-160型綜合巡檢車的總體結構和功能需求，設計了一套加裝在該巡檢車上的軌道結構巡檢裝置。經現場應用表明該裝置結構設計合理、現場維護方便，能滿足160 km/h下軌道結構狀態的檢測要求。