高鐵鋼軌軌面異物檢測裝置結構設計

崔聳巍 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

1 研究背景

隨著“八縱八橫”高速鐵路網的不斷完善，中國高鐵營業里程也在不斷增長。自京滬高鐵開通以來，截止至2021 年12 月，僅上海局管內高鐵營業里程就達到了6 528 km。如何依靠科技改變傳統養護維修模式，特別是對高速鐵路基礎設施的巡檢的研究、應用以及推動高鐵設備運營維護決策管理科學化、智能化成為了熱門，眾多巡檢設備應運而生。

目前，國內基礎設施設備巡檢系統主要采用主動光源照明、線陣CCD（或CMOS）相機，運用等間隔運動掃描原理。檢測項目普遍以軌道、接觸網、限界等沿線設施。檢測設備通常被各專業加裝于軌道車輛，形成單專業檢修如：接觸網作業車加裝4C 裝置、軌道作業車或探傷車加裝軌道巡檢系統等。

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病害時，仍然無法做到快速檢測定位。因此設計一套可快速安裝拆卸，搭載于日常運營動車組列車上的巡檢系統顯得尤為重要。

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，會引發如輪軌鉻傷的嚴重的傷損。輪軌硌傷會引起輪軌系統產生突發沖擊與振動，對車輪和鋼軌造成嚴重破壞，危及行車安全與穩定。根據車輛和工務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方案，用于輪軌鉻傷情況跟蹤和排查，為車輪和鋼軌的及時檢修提供重要依據。因高鐵鋼軌軌面異物造成的輪對硌傷如圖1所示。

圖1 因硌傷導致的高鐵鋼軌異常

3 高鐵鋼軌軌面異物檢測裝置設備原理

由GPS 采集設備采集速度信息，經由信號觸發產生模擬編碼器觸發信號，觸發2臺相機同時采集圖像，相機接收觸發信號，逐行拍攝，并將拍攝的圖像傳遞給壓縮模塊，通過壓縮模塊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。整個工作流程如圖2所示。

圖2 檢測裝置設備原理

4 關鍵設備選型

（1）高速線陣列攝像機。相機各項基本參數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。調整激光的高度與角度，使其與線陣列相機采集線對齊

（5）磁盤存儲器。設計磁盤總容量1T，可將運行2 000 km的數據存儲下來。

5 現場測量及安裝方案及有限元分析

經過對運營車輛的數目，設備艙大小，運行時速以及現場安裝的多方對比，380BL 型動車組列車為檢測設備的最佳載體。根據對380BL 型動車組各設備倉內空間的觀察和測量，決定將檢測裝置安裝在圖3處的設備倉內。

圖3 安裝檢測裝置的設備倉

考慮到盡量減少對設備倉內結構的影響，以及檢測裝置實際工作的需要，檢測裝置將被架設在設備倉內兩根橫梁之上，設備倉底部橡膠將被部分切除，為檢測裝置提供視口。設備倉內因安裝需要涉及到的部位如圖4所示。

圖4 設備倉內因安裝需要涉及到的部位

檢測裝置由連接支架、相機模塊、動車組運行品質檢測模塊、工控機和電源組成。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，先將角鐵架設在倉內橫梁之上，通過連接撐桿的緊固保證角鐵之間的間距。四個抱箍將橫梁包絡其中，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生移動。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

相機模塊由相機盒與固定面板組成，重約12kg,如圖7 所示。相機盒內放置相機組件，固定面板上有滑槽，用來調整相機角度。安裝時，先將固定面板懸掛在連接支架上，再將相機盒安裝在固定面板上。移動固定面板來使相機視口落在設備倉底部切割橡膠處。固定面板與連接支架緊固完成之后，再調整相機盒的角度，相機中心對準鋼軌軌面之后，再將相機盒緊固在固定面板上，相機中心與鋼軌軌面的設計角度為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構，防止其從連接支架上掉落，相機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 相機模塊

圖8 相機中心與鋼軌軌面設計角度

連接支架與相機模塊緊固連接之后，在受到行車方向和垂直方向2 倍重力加速度的情況下，結構整體受力和形變如圖9 和10 所示。從圖中可以看出，最大受力發生在相機盒邊角處，最大受力約8.5 MPa,遠小于材料的屈服強度；最大變形發生在連接撐桿處，最大變形約0.08 mm，變形量在可接受的范圍內。因此該套裝置在工作過程中，結構強度可靠。

圖9 連接支架與相機模塊整體受力圖

圖10 連接支架與相機模塊整體形變圖

動車組運行品質檢測模塊、工控機和電源均采用現有的產品，每個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,結構如圖11 所示。托架側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 托架結構

6 結束語

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