基于地鐵A型車的全自動車鉤在軌檢測系統的研究

王生華 雷繼孟 余佑民

（1.上海申通地鐵集團有限公司，200110，上海；2.上海天佑鐵道新技術研究所股份有限公司，200331，上海∥第一作者，高級工程師）

隨著車鉤功能的不斷發展，車鉤不僅能夠實現多節車體之間的機械連接，還可實現車體之間的電氣連接，如控制線路連接、監控線路連接等，從而保證了車體之間供電、通信和網絡等方面控制功能的實現。全自動車鉤作為車鉤的一種類型，是地鐵平臺的一個重要機械電氣部件，它直接影響地鐵平臺運行的可靠性、可控性、平穩性和舒適性。而全自動車鉤在整車出廠時及架大修裝車后，必須進行聯掛試驗，試驗時需要將車鉤上的各個線纜接頭拆解連掛后再復位才能進行檢測。由于接線錯綜復雜，復位接線就會發生人為的排線錯誤，產生返工，且人工檢測效率低下、精度低、可靠性差，容易產生錯誤，極易造成運行的安全隱患。隨著車鉤電氣功能的逐漸豐富，亟需一種簡單、便捷、安全的方式進行相關功能的檢測。

近年來，地鐵列車運行速度不斷提高、載客量不斷上升，車輛連掛速度、出車率也在不斷提高，傳統的機械性能檢測、電氣性能檢測方法已經不能滿足要求，必須改善檢測方法，提高檢測設備的性能與檢測速度。而現有的檢測方式只能對機械部分進行連掛檢測，無法進行機械連掛程度、電氣線纜通斷、信號控制是否正常，以及車鉤裝車后的整車機械、電氣、信號性能檢測，這些不可靠性將會遺留在列車運行階段，造成非常大的安全及運營隱患。

本文針對車鉤維修后需要檢測的各種功能和性能，并針對現有檢測設備的不足和檢測盲點，提出了更加快速、方便、通用、智能化、全面化的檢測方案。該方案的檢測原理為整車檢測，實現車鉤裝車后的整體檢測，對裝車后的連掛性能、連掛狀態、信號電路狀態、氣路密封性能、連掛間隙等，進行全方位的、高仿真連掛檢測，避免遺留任何電氣信號缺陷、機械連掛不足等隱患。本文所述方案不但可以實現整車在軌檢測，還可以實現單個車鉤的脫車檢測。

1 車鉤

車鉤是車廂與車廂、車體與車體之間的重要聯接部件，根據其構成，可分為鉤頭、鉤身、對中裝置3部分；根據其用途和使用特性，可分為全自動AC系列、半自動SAC系列、半永久SPC系列、永久PC系列。本文將根據全面檢測的使用特性，重點調研分析全自動車鉤的特性。全自動車鉤如圖2所示。鉤頭根據型號不同，可包含機械鉤頭和電氣鉤頭。

圖1 全自動車鉤

圖2 電氣鉤頭布局

電器鉤頭類型：圖2為電氣鉤頭布局示意圖。根據對上海軌道交通線路的調研，現有的電器盒布置分為2種：一種為電器盒上置式，分布在上海軌道交通10號線等線路上；另一種為電器盒兩側布置，分布在上海軌道交通7、9號線等線路上。根據現有的電器盒布局，需對檢測系統采取對應的規劃布置，以貼合實際檢測需要。

2 現有檢測方法調研

在文獻［1］中，介紹了車鉤檢測的試驗臺及檢測方法，對車鉤在連掛方面進行“三態”檢測，并對氣密保壓性能進行測試試驗。為了確保“三態”試驗各個階段的測試試驗順利進行，文獻［1］采用了文獻［2］所述的液壓系統，并采用了文獻［4］的方法對車鉤強度進行了研究。文獻［2］詳細介紹了對檢修后的密接式車鉤和鉤身進行各項功能試驗的液壓系統，該系統能夠確保檢測車鉤“三態”必要的基礎條件。

經過對以上文獻的分析發現，現有檢測設備存在明顯的不足，比如：采用固定式檢測、有限的機械結構檢測，僅包括連掛機構檢測、路密封檢測和車鉤間隙檢測，存在無法檢測電氣連接性能等的片面性和局限性

3 移動式公鐵兩用檢測系統

根據自動化車鉤的性能檢測要求，并充分借鑒現有文獻的檢測方案，提出了檢測功能更加全面便利的移動式公鐵兩用檢測系統（以下簡稱“檢測系統”），包括了機械結構狀態檢測和電氣路聯接狀態檢測。在分析吸收了文獻內容的基礎上進行功能的增加改進，使試驗臺可適用于各種車鉤，并可檢測車鉤的所有功能。

檢測系統增加了電氣路檢測、連掛程度檢測等，使得試驗臺檢測功能更具有完整性。通過計算機Labview輔助技術、傳感器技術、測控技術、通信技術，以數字式檢測方式替代了原始的檢測方式，以智能邏輯判斷代替了以往的人為主觀判斷，實現了智能化、全面檢測、公鐵兩用等功能，提高了檢測的速率和可靠性，經濟效益更加明顯。通用化、智能化、移動式、公鐵兩用、高度可調、電氣路檢測均是本研究方案的創新點。

從設計原理分析，檢測系統包括：機械載體層，包含2臺載體平臺；傳感裝置接口層，包括類車鉤電氣接口、角度傳感器、位移傳感器、氣壓傳感器等；軟件測控層，包含檢測、采集、控制、通信、邏輯判斷、人機界面等。圖3為測控層和機械載體層示意圖。

從結構組成分析，檢測系統包括：檢測平臺A，包含載體平臺、測控、通信和計算機輔助系統；檢測平臺B，包含檢測、通信系統。檢測方式為車體兩端大跨度檢測，分別在車體兩端連掛檢測系統的檢測平臺A和B 2部分，如圖4所示。

圖3 測控層和機械載體層示意圖

圖4 檢測系統整車檢測方法

兩部檢測載體平臺，是提供公鐵兩用檢測系統載體的關鍵性機械部分，包括4大關鍵功能機構：一是實現地面上的檢測使用，使用地面輪使載體平臺可使檢測平臺在地面上行駛；二是實現軌道上的檢測使用，底盤升降裝置、機械電氣接口升降裝置可滿足地面與軌道行駛方式的切換，以及接口高度的調整；三是實現鉤頭檢測的多樣化，配有多種鉤頭接口，實現鉤頭接口的多樣化，可滿足不同鉤頭的檢測需求；四是實現檢測功能的多樣化，載體平臺檢測系統安裝有鉤頭間隙測量儀、主風管氣壓測量儀、連掛程度的角度測量儀等測量儀器，以及線路數據采集，實現對電氣路以及機械狀態的檢測。

其中滿足智能化檢測的電氣測試系統是本次研究設計的關鍵。主要功能是檢測機械部件、電氣聯接部件所處位置，判斷連接狀態、電氣路的性能，滿足檢測的數字化測試控制。其主要部件包含電源、適配器、傳感器、信號檢測、信號傳輸、信號采集、信號處理、邏輯判斷、人機界面、電器柜、工控機、電池及其附件。利用NI Labview軟件編程，完成對鉤頭檢測數據的傳輸、記錄，對檢測結果的判斷，并以人性化的方式顯示在顯示屏上，將結果呈現給檢測人員。

3.1 機械載體設計

通過模塊化設計，將在地面行駛時需要升降的部位和檢測時需要升降的部位各自分開單獨升降驅動，在升降過程中保證各模塊單獨執行，互不干擾，實現穩定的升降。驅動模塊及驅動方案示意圖如圖5所示。在存放保管時，底盤1降至低位，使用軌道輪3支撐整個車體。在地面行駛時，底盤1升至高位，抬起升降平臺2，使軌道輪3離開地面，底盤1的地面輪對整個試驗平臺進行支撐，進行平臺移動及到檢測位置的運輸搬運；載體平臺落軌，將軌道輪3對準軌道，底盤1降至低位，軌道輪3緩慢降落在軌道上，即可實現載體平臺在軌道上移動；在檢測時，使用升降平臺2進行檢測高度的調整，作業高度范圍720～728 mm，可調范圍660～850 mm。

圖5 驅動模塊分部驅動方案示意圖

3.1.1 換輪原理

底盤的結構原理如圖6所示。底盤要保持前端和后端的同時升降，才能保持平臺面的平穩上升，其源動力是在液壓油缸P的活塞桿5伸出和收縮下實現。A為滑塊鉸接點，只能在水平方向移動，B點為AC和BM的鉸接點，C點為BC和CD的鉸接點，D點為CD和DE的鉸接點，E點為DE和EF的鉸接點，F為固定鉸接點，油缸P位置固定，H是油缸P的活塞桿5和NH的鉸接點。其中，AB和BC組成AC，是連桿4的分節；DE和EF組成DF，是連桿2的分節；BM、ME、EN、NH組成BH，是連桿1的分節。

圖6 底盤結構原理圖

在實際使用中，F為前車輪位置，A點是后車輪，P是油缸。連桿2、3、4組成運動結構，實現車體升高降低的調節；連桿1是底盤外殼，是承載結構。

在圖6所示的底盤結構中，P、F點固定，A點是滑塊。在油缸P供油的情況下，活塞桿5上升迫使H點上升，連桿1繞B點逆時針旋轉，提起E點繞F點順時針旋轉，D點繞E點旋轉，D點推動桿3的C點繞B點逆時針旋轉，因為BC是桿4的一部分，故桿4逆時針運動，AB逆時針運動，又因為A點只能水平在X方向移動，所以B點將提高。經過合理選擇格節點位置及連桿長度，B點和H點在Z軸方向上的升高量相同，實現連桿1即底盤外殼的平穩上升與下降。

地面輪安裝在A點和F點，軌道輪安裝在底盤外殼平板面1上。當底盤外殼平板面1上升后，軌道輪脫離地面，地面輪實現支撐行駛作用；當底盤外殼平板面1下降后，軌道輪比地面輪低，實現軌道輪的支撐行駛作用。

3.1.2 高度調整原理

圖7 升降原理圖

在檢測過程中，需要根據實際情況調整檢測接口的高度，實現檢測接口的對接。升降平臺的升降原理如圖7所示。

如圖7所示，A點為固定鉸接，B點為水平滾輪，C點為滾輪支撐，D點為滑動鉸接，E點是油缸P的缸體4和直線2的鉸接，F點為油缸P的活塞桿3和直線1的鉸接，O點為直線1和直線2的鉸接。直線AO=BO，直線DO=CO。

運動原理是液壓油缸P流入液壓油受壓，活塞桿3伸出，因為A點固定，B點X方向移動，D點Z方向移動，直線 1、2鉸接與 O，AO=BO，DO=CO，所以在Z方向上D點與C點速度相同，在X方向上C點與B點速度相同，實現CD的水平方向上的移動。CD為升降平臺的上平面，AB為升降平臺的下平面即底盤，故此機構可實現升降平臺的平穩升降功能，實現車鉤檢測接口的高度調整。

3.1.3 機械載體功能的實現

檢測系統載體涉及2組升降系統，一組為操作檢測平臺高度，即檢測接口車鉤高度的升降系統，通過升降實現接口的對接；另外一組為升降底盤的高度，主要為行駛狀態的切換，通過地面輪與軌道輪之間的切換，實現地面和軌道行駛狀態的變換。檢測系統載體整體布局如圖8所示。

圖8 檢測系統載體整體布局

搖動底盤搖臂3，底盤1平面緩慢升高，最高可升高至150 mm，將升降平臺2及軌道輪5完全抬升離開地面，方便運輸。搖動升降平臺搖臂4，升降平臺緩慢上升，用來調整車鉤接口高度，作業高度范圍720～728 mm之間，可調范圍660～850 mm（均以軌道面計算高度）。

3.2 軟件測控設計

檢測系統兩端由1套信號發生系統（64通道）和1套信號接收系統（64通道）組成，分別安裝在機柜、安全箱里面，信號發生系統向每個相應的通道電纜發送24 V高電平，然后由信號接收系統接收，以判斷該通道電纜是否連接良好。檢測連掛狀態的角度傳感器、間隙的位移傳感器、檢測氣壓的壓力傳感器也采用類似的方法實現。主控計算機安裝NI Labview軟件，用來控制2套系統實現信號的發送和接收、判斷檢測結果，自動生成測試報表，并顯示打印出來。

3.2.1 系統組成

如圖9所示，整個測試系統分布在車體兩端，通過電氣連接器連接在車體兩頭的車鉤上。機柜端通過工控機發射電壓信號，該電壓信號貫串整個車體的電纜傳至另一端，并由連接在另一端車鉤上的信號接收端即圖9左端的安全箱進行采集，完成采集后再通過安全箱的高功率無線網絡回傳給另一端的機柜，最后由工控機軟件將輸出的信號和通過無線網絡采集的信號進行比對分析，確定整輛車上的車鉤線路是否存在接線錯誤、斷路等現象，排除故障隱患。

圖9 測試系統分布結構

檢測系統采用分布式布局，并將檢測技術、信號采集技術、通信技術、計算機技術、CAD（計算機輔助設計）技術結合為一體，從而實現軌道交通平臺大跨度的遠距離的電氣回路的通斷檢測；本方案還采用了遠距離無線網絡通信技術，為大跨度檢測提供了有力的技術支持；本方案的電氣檢測系統使用靈活方便，不但適用于大范圍、大跨度遠距離的電氣檢測，還可針對軌道交通平臺的在軌或不在軌情況下的電氣回路以及整車或非整車的電氣回路進行檢測，避免了安全隱患的遺留；本方案的電氣檢測系統采用工控機和KVM鍵盤鼠標顯示器，使得用戶操控使用更加方便人性化。

3.2.2 軟件控制流程

采用NILabview編程平臺，通過工控機，控制PCI板卡和cDAQ系統，實現讀取通道文件配置、發送信號、接收信號、信號判斷、生成報表、保存歷史數據、數據回放等功能。軟件系統控制流程框圖如圖10所示。

圖10 軟件系統控制流程圖

通過圖11所示流程，檢測系統即可實現對車體電氣線路、機械連掛、保壓、連掛程度等基本功能的檢測。另外，還可實現對車鉤單體的電氣回路，即端部短接跳線的檢測，避免對車鉤端部短接跳線的漏檢，實現全面的功能檢測。

3.2.3 測控原理

電氣元件包括工控機、顯示器、采集卡、無線裝置等，軟件裝置包括測控程序、配置程序等，通過對軟硬件的合理配置，實現整個系統的檢測運行。

本研究方案提供的軌道交通平臺的電氣檢測系統，通過控制單元控制第一檢測單元的檢測信號的發送和采集，能夠實現對第一車鉤單體車鉤的電氣回路通斷的判斷，即實現對車鉤的電氣性能的檢測；還能夠實現控制單元經過網絡數據交互控制第二檢測單元的檢測信號的發送和采集，進而實現對遠端第二車鉤的電氣回路通斷的判斷，即實現對遠距離的車鉤的電氣性能的檢測。第一檢測平臺和第二檢測平臺一個設置于車頭的車鉤處，另外一個設置于車尾的車鉤處，通過第一檢測單元和第二檢測單元之間的信號發送和接受，能夠實現對軌道交通平臺的整車的電氣回路的電氣檢測。連接程度的角度傳感器、間隙的位移傳感器、氣壓的壓力傳感器可通過處在2個檢測平臺的單個檢測單元實現數字信號的檢測，從而通過Labview軟件進行邏輯判斷。

4 檢測系統使用方法

4.1 檢測系統的測試前準備

（1）檢測載體平臺整體放置在車庫：檢測設備在庫存狀態，軌道輪起主要支撐作用，系統結構在最低位置，平臺整體重心最低，這樣可以保證存放的穩定性。

（2）檢測載體平臺出庫：由于庫存狀態使用軌道輪支撐，出庫時需要轉換到地面輪，故只需要搖動底盤搖臂，將底盤上的軌道輪支撐起來脫離地面即可。規范作業離地30 mm。使用地面輪將檢測平臺推至檢測位置。

（3）檢測載體平臺降軌：將檢測設備推至軌道之間的石臺，把軌道輪對準軌道，緩慢卸載底盤油缸壓力，在自重的情況下，車體緩慢下降。此時，已經對準的軌道輪繼續下降，直至軌道輪完全降落在軌道上，理論上繼續卸載油缸，底盤還具有20 mm的收縮量。但由于是自重卸載，故高度不再下降，此時自鎖裝置起作用，鎖住最高點的位置。

（4）檢測載體高度調整：通過搖動升降平臺搖臂加壓油泵，調整升降平臺的高度，即可調整檢測車鉤鉤身的中心高度，使之滿足對撞檢測高度要求。可調范圍為660～850 mm。

（5）檢測設備電氣連接：由于在前期使用了集成化的設計理念，將接口方式集成到一個航空插頭中，在使用時僅需把電器柜的航空插頭和檢測設備的航空插頭對接即可，實現了人性化、快速檢測的設計理念。

（6）檢測設備回收：檢測設備的回收過程是前述使用過程的逆序，通過降低平臺高度、使用地面輪撐起檢測設備，回收搬運至儲備位置即可，在此不再贅述。

4.2 檢測系統的測試應用

將檢測設備載體平臺與電氣測試系統移動電器柜連接后，檢查連接狀態；狀態良好后，將檢測設備載體平臺和電氣檢測柜推至測量位置，開始檢測工作。

通過軟件界面的配置工具，可以選擇不同型號的車鉤類型，或配置不同的接點，實現不同種類、不同接線方式的檢測。可以對目前地鐵平臺所有類型車鉤的電氣路及機械連掛狀態進行檢測，并可方便擴展檢測其他的電氣信號；通過變送器，也可檢測其他的機械信號。檢測系統可實現極高的柔性化檢測，具有極高的實用價值。

點擊測試按鈕，開始測試，檢測系統將逐一對通道發送信號進行檢測，每一個通道對應配置好的每一個接點，故可以知道每一個通道的電氣信號狀態。對于角度傳感器、位移傳感器、氣壓傳感器可輸出具體的數值，根據采集到的數值大小，判斷是否符合要求，輸出判定結果。

在緊急情況下，或者需要的條件下，測試沒有完成時，可以點擊結束，強行停止檢測過程。對于檢測結果，點擊報表按鈕，程序將自動將整個測量結果以報表的形式呈現，方便記錄存檔，對于發現的問題，也可以作為檢測的依據實現檢修。點擊退出按鈕，結束測量工作并關閉軟件。

5 結語

本文所述的檢測設備載體平臺，是提供公鐵兩用車鉤檢測載體的關鍵性機械部分。電氣測試系統采用NI公司的Labview軟件。本文介紹的基于地鐵A型車全自動車鉤在軌檢測系統的研發設計方案，針對現有自動化車鉤的檢修維護進行設計，能夠復核檢修結果，呈現檢修中出現的問題，提高檢修可靠性，增加工作效率，解決了長期困擾車鉤電氣線路檢測速度慢、可靠性低的問題；實現了在不同場合、不同高度、不同車鉤情況下的車鉤性能檢測；能夠全面檢測車鉤的電氣性能、機械性能；實現了快速檢測、安全檢測、全面檢測的功能；有效克服了現有技術中的種種缺點，具有極高的實用價值和成果轉化效果。

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［2］ 鄧杰，張經華.密接式車鉤綜合性能試驗臺液壓系統［J］.液壓與氣動，2011，5（5）：29.

［3］ 楊金川，劉存生，薛云山，等.密接式車鉤試驗裝置［J］.鐵道車輛，2007，45（9）：29.

［4］ 鄭徐濱.密接式車鉤強度試驗研究［J］；鐵道車輛，1993，3（3）：20.