青島懸掛式單軌軌道梁內部巡檢設備研制

張學軍 王孔明 徐銀光 孫付春 吳柏強

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司物資部，266031，青島；2.中鐵二院工程集團有限責任公司科學技術研究院，610031，成都；3.成都大學機械工程學院，610106，成都；4.成都海逸機電設備有限公司，610106，成都//第一作者，工程師)

懸掛式單軌交通系統充分利用了城市空間、節約了寶貴的地面道路資源。該系統在德國和日本等國家已得到廣泛應用，但在國內的應用尚在起步階段。目前，國內規劃的懸掛式單軌交通系統已超過400 km，上海、青島、成都、貴陽等20多個城市已對其開展前期研究和論證工作。懸掛式單軌交通系統市場前景廣闊[1]。

懸掛式單軌交通軌道梁一般架空建設(離地高度一般約11 m)，列車轉向架置于箱型軌道梁內運行，同時列車懸吊于軌道梁下方，且其車底離地高度不低于5 m[1]。軌道梁內布置有道岔、供電軌、供電電纜、通信電纜、信號軌旁設備及信號電纜等較多設備設施，工程造價約1.4億元/km。這些高價值設備設施的巡檢、維修和保養對于懸掛式單軌交通的運營安全至關重要[1]。軌道梁內空間極為狹窄，不便于維修人員通行和器材運輸；另外，突發故障情況下乘客無法借用軌道梁進行疏散，且向地面疏散也極為不便，這對軌道梁維修保養提出了很高的要求。基于此，本文詳細分析了青島四方機車車輛股份有限公司懸掛式單軌車輛試驗線(以下簡稱“青島懸掛式單軌試驗線”)軌道梁巡檢需求，研制了軌道梁內部巡檢設備，為今后國內懸掛式單軌交通系統的設計、建設和運營管理提供了有益參考。

1 青島懸掛式單軌試驗線項目概況

青島懸掛式單軌試驗線位于青島市城陽區中車青島四方機車車輛股份有限公司南廠區內，能滿足車輛出廠前的組裝、靜態調試、動態調試等需要。試驗線全長約830 m，其中正線長約630 m，出入庫線長約200 m。試驗線利用既有C10 廠房作為整備庫，庫內新增車輛檢修平臺。試驗線平面布置[2]如圖1所示。

試驗線主要技術標準[2]如下：試驗線最小曲線半徑為50 m，最大坡度35‰；列車在其單線(正線)上的最高運行速度為50 km/h；列車采用3輛編組(全動車)，列車尺寸為2.30 m(寬)×32.13 m(長)，最大軸重不大于5 t；供電方式為DC 750 V接觸軌受電。

軌道梁是由5塊鋼質板焊接而成且其下部開口的箱型梁結構。軌道梁下部開口寬約210 mm、梁內腔寬為780 mm、內腔高為1 200 mm，梁內上部設置防撞結構，梁內凈空高度為1 100 mm。接觸軌布置于軌道梁內側，上方接觸軌為DC 750 V正極，下方接觸軌為回流軌。試驗線直線段軌道梁斷面布置[2]如圖2所示。

圖1 青島懸掛式單軌試驗線平面布置示意圖

圖2 試驗線直線段軌道梁斷面布置圖

2 軌道梁內部巡檢功能需求

2.1 軌道梁內部巡檢、維修檢查需求

軌道梁內部巡檢和綜合維修的主要內容有：①梁內部焊縫裂紋、銹蝕等的檢測及維護處理；②梁內部限界檢測；③接觸軌的安裝、連接松動檢查及維護處理；④梁內其他軌旁設備狀態檢查和維保處理。

2.2 軌道梁內部巡檢設備功能需求

試驗線軌道梁內部凈空寬僅為780 mm、高僅為1 100 mm，梁內空間極為狹窄，不便于維保人員通行，需開發軌道梁內部巡檢設備來實現無人化巡檢、載人檢查和維修作業，從而降低人工作業強度以及改善作業環境。軌道梁內部巡檢設備平常停放于C10廠房指定區域，需要開展巡檢作業時，將其吊裝至C10廠房內的懸掛式單軌檢修平臺上，由檢修平臺進入軌道梁進行巡檢。

軌道梁內部巡檢設備的主要功能需求如下：

(1)可實現整個試驗線范圍內軌道梁內部的焊縫裂紋、銹蝕、限界等自動檢測，在巡檢過程中檢測出異常后對異常點進行定位。

(2)可載人進行軌道梁人工檢查和維護處理，可通過實現自動控制模式、遙控模式、車載人控等3種模式來完成巡檢作業。

(3)總體設計應盡量緊湊，盡可能為巡檢人員檢查作業提供更多空間。為便于檢查作業，應設置便于人員乘坐、駕駛、開展維保作業的條件，如聲光提醒、照明、動力插座及上下車通道等。

(4)應考慮完善的安全保護措施，來保護人員、巡檢設備和軌道梁內部軌旁設備等安全。

(5)應考慮采用蓄電池動力方式。

(6)應盡量考慮輕量化，不得超過試驗線限制軸重(即不超過5 t)。

(7)巡檢設備整體尺寸不得超出軌道梁內部限界。

(8)應滿足青島當地的使用環境要求。

3 軌道梁內部巡檢設備技術方案

3.1 總體方案

軌道梁內部巡檢設備由車體、蓄電池、充電系統、驅動裝置、導向裝置、車載控制器、安全系統以及通信裝置、檢測系統、定位系統等組成(見圖3)。

巡檢設備各項指標滿足軌道梁內部限界要求和承重要求，能在軌道梁內以自動控制模式、遙控模式和車載人控3種模式完成巡檢作業。巡檢設備車身由高性能鋁合金或鋼構件加工而成，滿足軌道梁內部巡檢要求；配置導向輪實現設備在軌道梁內運行導向；配置高穩定性的交流伺服電機作為驅動；設備自帶動力，配置大容量鋰電池作為動力電源；配置高亮度照明系統以滿足軌道梁內工作亮度要求；超聲波壁障配合車載控制系統實現設備主動安全防護。設備材料各項參數滿足工業級要求，滿足青島懸掛式單軌試驗線各項技術要求。

巡檢設備檢測系統采用視覺檢測技術方案對軌道梁內裂紋和銹斑進行檢測，同時采用激光技術對限界遺物入侵進行檢測。車載高性能工控機實時對采集的圖像信息進行分析處理，以判斷軌道梁或供電軌異常點位，并給出軌道梁維修的決策建議。

3.2 車體及驅動系統

車體是巡檢設備的基礎部分，其由車架和相應的機械電氣部件如減速箱、電機、驅動輪、從動輪及導向輪等組成。車架在強度和剛度上滿足車體運行和加速時的要求，其采用高性能金屬件加工而成，外殼為透明材料，便于巡檢人員對外部進行觀察。板上安置電控系統、按鍵及顯示屏等。車體的前后部分還安裝安全擋圈和超聲波傳感器。

巡檢設備為箱形梁特殊定制，故其方向可由導向輪進行控制。驅動裝置由車輪、減速器、制動器、電動機及速度控制器等組成。驅動控制包括自動控制方式、遙控方式和車載人控方式，3種方式可通過互鎖進行切換，在定模式下需要在巡檢設備上手動切換才能更換控制模式。處于安全考慮，可在系統中設置頂層管理密碼，持有頂層管理密碼者可對巡檢設備的運行模式在控制中心做任意切換。采用車載人控方式時，需配置加速踏板、制動踏板和駐車制動拉桿。

巡檢設備采用24 V蓄電池作為動力源，其續航能力支持設備運行6 km以上。

3.3 檢測系統

青島懸掛式單軌試驗線較短，對檢測效率要求有限，但同時對檢測系統的經濟性要求較高?；诖?，本文研發了一種適用于試驗線較經濟的檢測系統。該系統僅設置1套檢測裝置，檢測裝置安裝于巡檢設備尾端的三軸移動檢測平臺上，可實現上、下、左、右4個方向的移動；配合檢測裝置本身的旋轉動作，可通過單次巡檢對軌道梁內部1個面實現檢測，故分5次巡檢便可對5個面實現檢測。這樣可最大程度上降低檢測裝置成本以及提高檢測裝置的利用率。

檢測裝置主要包括1套專用工業攝像機、1組一字線激光陣列發射器及相應的照明設備，其中，攝像機作為圖像采集設備終端連接到1臺高性能的工控機上。隨著巡檢設備在軌道內部移動，攝像頭拍攝空軌內部結構的圖片，然后將其通過數據存儲模塊存儲，考慮空軌內部光線可能較暗，所以需要光源對其補光；紅外激光模塊是由一字線激光器組成，用于在空軌內部形成一條或者多條可見光直線，然后通過攝像頭模塊拍照，記錄該直線和空軌的表面。即攝像機在激光陣列及照明系統的配合下，采集軌道內部各個面的視頻圖像，并進行實時存儲，以便后續的檢測與回放之用。

3.4 定位系統

定位系統采用測速定位與RFID(射頻識別)技術相結合的方法。首先，由安裝在走行輪上的輪轂編碼器記錄走行輪旋轉的圈數，然后由公式計算出巡檢車行駛里程；另外，在軌道梁內部每間隔10 m設置一處電子標簽，巡檢車行駛到該位置時，通過RFID技術識別標簽內容，從而校正巡檢設備行駛的里程數，進而實現巡檢設備的實時定位。

3.5 控制系統

巡檢設備配置車載控制器，它類似于機器人控制器，用以對巡檢設備進行監控。控制器計算機通過通信系統從地面站接受指令并報告自己的狀態。控制器可完成以下工作：手動控制、安全裝置啟動、蓄電池狀態、制動器解脫、行走燈光、驅動電機控制等。

控制系統配置了工業遙控器。遙控器采用鋰電池充電，一次充電可連續使用不小于8 h。另外，工業遙控器上安裝有監控顯示器。該顯示器要求能實時顯示監控畫面，能控制軌道梁巡檢設備前行、惰行、制動、后退、停放，以及能監控車輛自身信息和故障提示等。

3.6 安全系統

巡檢設備的安全系統既要實現對巡檢設備的保護，又要實現對人和其它軌旁設備的保護。巡檢設備配置有主動安全系統，在其運行過程中主動安全系統是默認開啟狀態，當檢測到前方或側壁有異物影響巡檢設備運行時，巡檢設備自動緊急停止。巡檢設備配置有高清監控攝像頭實時監控巡檢設備上的人員狀況，并通過WIFI(無線網絡)將監控畫面實時傳至控制中心與遙控設備。車門關閉巡檢設備方可啟動，以防止巡檢人員在巡檢設備運行過程中將手或其他東西裸露到車體外部。巡檢設備上設置緊急呼叫功能，若巡檢人員在軌道梁內發生意外，可按動緊急呼叫按鈕來啟動聲光報警。當采用車載人控方式時，遇到異常情況，巡檢人員按動緊急呼叫按鈕后，車輛控制可自動轉換到遙控控制，可將巡檢人員運送至軌道梁就近檢修孔或C10廠房。

巡檢設備內配置應急治療箱，當需要時，巡檢人員可通過該治療箱內的藥品或工具進行自救。

緊急情況下，巡檢人員可將巡檢設備前端的透明車殼拆卸或破壞并逃生。車內配置有相應的專用工具。

當巡檢設備動力系統失效時，通過拖車將巡檢設備拖回。

3.7 主要技術指標

軌道梁內部巡檢設備尺寸應嚴格按照軌道梁內部結構尺寸設計，其主要技術指標如下：①巡檢設備3 300 mm(長)×750 mm(寬)×1 050 mm(高)；②滿載質量不大于400 kg；③走行輪軸距不超過1 730 mm，導向輪軸距不超過2 754 mm；④列車最高運行速度為50 km/h；⑤檢測速度不大于10 km/h；⑥設備以最高速度運行時，運行噪音不大于65 dB；⑦最小焊縫裂紋檢測寬度2 mm；⑧裂紋檢測精度為±0.5 mm；⑨最小銹蝕檢測面積為5 mm2；限界檢查精度為±5 mm；銹蝕檢測識別率不低于80%；爬坡能力大于60‰；最小曲線半徑為50 m；巡檢設備可搭乘1名巡檢人員(體重不超過70 kg)及必要的檢修工具(不超過20 kg)；支持自動控制模式、遙控模式、車載人控3種控制方式，且相互之間無障礙切換；自帶動力，采用蓄電池驅動，充滿電時間不超過8 h，續航能力支持設備運行6 km；巡檢設備的相關檢測數據及影像信息，通過無線方式將數據及影像發送給控制中心，數據保存時間大于15 d(采用先進先出方式)。

4 現場應用

基于上述巡檢設備技術方案，生產制造了青島懸掛式單軌試驗線軌道梁內部巡檢設備。在通過室內和現場調試后，對巡檢設備檢測效果進行了現場測試。鑒于試驗線軌道梁剛投入運營，不存在裂紋和銹斑，因此為了測試驗證巡檢設備的檢測效果，在試驗線軌道梁右內側壁設置1處模擬的裂紋(最小寬度為2 mm)和銹斑(面積約4 mm2)，結果表明檢測效果良好。

后續經過一系列的現場運行測試，驗證了巡檢設備總體技術方案是合理可行的，其滿足各項主要技術標準和檢測指標。整個巡檢設備系統工作穩定、可靠，已順利通過業主組織的驗收，目前已投入正常使用中。

5 結語

以青島懸掛式單軌試驗線為工程背景，提出了軌道梁內部巡檢設備功能需求，研究確定了該線軌道果內部巡檢設備的總體設計方案，并詳細介紹了檢測系統、定位系統、控制系統、安全系統以及主要技術指標。基于上述巡檢設備技術方案，生產制造了青島懸掛式單軌試驗線軌道果內部巡檢設備，并在該線成功應用。未來將緊密跟蹤現場用戶反饋意見，對其做進一步優化。