懸掛式單軌箱梁內部巡檢小車設計

楊 濤， 吳柏強， 李曉曉

(1.成都大學機械工程學院，四川 成都 610106；2.成都農業(yè)科技職業(yè)學院機電信息學院，四川 成都 611130；3.成都海逸機電設備有限公司，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、線路適應性強、建設周期短、節(jié)約地面道路資源等優(yōu)勢，已經在德國、日本得到廣泛應用，但在國內還處于研究階段[1,2]。2016年中車四方股份與中唐空鐵兩條試驗線先后建成，其軌道梁均采用底部開口的鋼制箱型結構，故箱型軌道梁也被稱為箱梁。轉向架置于箱梁內，運營列車通過轉向架懸掛于箱梁下方并由走行輪支撐其沿箱梁行駛，同時導向輪在箱梁內側面的擠壓作用下對列車進行導向[2-4]。也就是說，箱梁采用“梁—軌”合一的結構，在起支撐作用的同時兼做運營列車行駛軌道[5,6]。由此可見，箱梁是空軌中重要的安全件之一。因此，需要定期對箱梁進行缺陷檢測以保證空軌安全運營。然而，箱梁內部空間狹窄、光線較暗、軌旁電力與通信設備較多等不利于人工檢測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駕駛的巡檢小車進入到箱梁內部代替人工完成巡檢作業(yè)。這尚屬于國內首次研究，為箱梁表面缺陷巡檢、綜合維修提供了有益參考。

1 試驗線概況

該文以中車四方空軌試驗線(以下簡稱“試驗線”)箱梁內部缺陷檢測項目為依托，試驗線全長約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準鋼制箱型結構(見圖1)，底部開口210 mm、內腔寬為780 mm、內腔凈高度1 100 mm，接觸軌布置于軌道梁內側，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營的重要手段之一，軌道梁內部巡檢內容主要有：①表面缺陷(銹蝕、焊縫裂紋等)檢測與維護處理；②接觸軌緊固件松動檢查與維護；③內部限界檢查。因此，對巡檢小車提出的設計要求有：①可自動巡檢、載人維修作業(yè)；②巡檢作業(yè)過程中檢測到異常后對異常位置進行定位標記；③搭載完善的安全系統(tǒng)，保護人員、巡檢小車以及其他軌旁設備；④巡檢小車整體尺寸不得超過軌道梁內部限界[7]。

圖1 軌道梁斷面圖(單位：mm)

2 總體設計

2.1 性能指標

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

2.2 總體布置設計

巡檢小車采用三段式設計(見圖2)，前段布置蓄電池，中段為乘坐艙，后段布置驅動電機、電氣柜、儲物箱等設備，滿載時小車重量分布均勻[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安全系統(tǒng)，尾部布置視覺檢測系統(tǒng)；同時除兩側開放式車門外，前部設置有掀開式車門，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 驅動系統(tǒng)

小車驅動形式一般有電機集中式、多電機式和輪轂電機式3種[10]，考慮到巡檢小車特殊工作環(huán)境，采用后置式電機集中驅動方式，其動力傳動系統(tǒng)見圖3。電機經齒輪箱驅動輸出軸轉動，輸出軸左右兩端各連接一個牙嵌式離合器，離合器另一端連接走行輪，從而實現巡檢小車后輪驅動。

圖3 傳動系統(tǒng)簡圖

2.3.2 導向系統(tǒng)

導向輪與走行輪均采用實心橡膠輪，巡檢小車前部、后部以及頂部安裝有3組(每組2個)導向輪(圖2)，在軌道梁內壁擠壓作用下實現巡檢小車導向與轉向。巡檢小車輪距較小(約740 mm)，用兩個牙嵌式離合器來代替復雜的差速機構。在轉彎過程中巡檢小車左右走行輪速度差稍大，速度較低一側的離合器自動分離；直線行駛時，速度差較小，離合器自動接合，從而保證了巡檢小車順利通過試驗線彎道區(qū)域。此外，為減小彎道行駛過程中的阻力，保障巡檢小車能夠順利通過彎道，巡檢小車從動系統(tǒng)結構采用鉸鏈機構并設置了限位擋塊，使從動輪能夠在±35°范圍內活動，見圖4。

圖4 巡檢小車從動系統(tǒng)

2.3.3 制動系統(tǒng)

巡檢小車行駛速度較低，可依靠電機制動完成小車的自動行駛過程中的制動。另外，安裝有機械式駐車制動器，以滿足巡檢小車長時停車制動需求。

2.4 車架與車身

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

2.5 控制系統(tǒng)

巡檢小車控制系統(tǒng)由工控機、PLC、車載顯示器、遙控設備、檢測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、安全系統(tǒng)以及運動控制系統(tǒng)組成，其控制原理見圖5。管理層具有最高控制權限，可遠程監(jiān)測、控制巡檢小車；工控機為控制層中心，PLC負責各節(jié)點調控；應用層執(zhí)行具體的任務。

行車控制系統(tǒng)分為人工駕駛、自動駕駛以及遙控駕駛3種駕駛模式，各模式獨立運行、可相互任意切換，控制系統(tǒng)交互界面見圖6。用戶可通過該交互界面實現對巡檢小車的狀態(tài)監(jiān)測、遠程控制等操作。

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方案。考慮到軌道梁缺陷檢測需要采集的數據量過大，數據采集、運算由工控機完成，原理結構見圖7。

圖5 控制系統(tǒng)原理框圖

圖6 上位機交互界面

圖7 軌道梁缺陷檢測方案

2.5.1 行駛控制

查閱電機手冊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、制動曲線符合公式(1)：

vt=vmaxsin(ωt+φ)

(1)

式中：vt為t時刻的車速；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，巡檢小車加速減速符合正弦曲線規(guī)律?？紤]巡檢作業(yè)效率與檢測精度，自動駕駛模式下，規(guī)定巡檢小車運輸速度v0=8 km/h、常規(guī)檢測速度v1=5 km/h、精細檢測速度v2=3 km/h。電機采用速度控制方式，自動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)過程中，既要保護巡檢小車內部人員、維修人員，又要保護軌旁電力與通信設備的安全。由此，巡檢小車搭載有聲光報警系統(tǒng)、主動安全系統(tǒng)等裝置，其工作原理見圖9。巡檢小車前后均布置1個安全激光掃描儀，利用TOF(Time of Flight)法測量并反饋巡檢小車與障礙物的距離[5]。

圖8 速度變化曲線

設置安全掃描儀左右兩側掃描寬度為箱梁內輪廓寬度(約780 mm)，距離障礙物0～1.2 m的范圍為危險區(qū)域，掃描儀發(fā)出危險信號，同時聲光報警系統(tǒng)發(fā)出紅光與警報信息；1.2～1.5 m的范圍為報警區(qū)域，掃描儀發(fā)出減速信號，同時聲光報警系統(tǒng)發(fā)出黃光與警報信息；距離巡檢小車1.5 m之外的范圍不進行掃描。經測試，該主動安全系統(tǒng)可有效保證巡檢小車在行駛過程中遇到緊急情況能夠及時停車，避免發(fā)生事故[5]。

圖9 主動安全系統(tǒng)原理

2.5.3 定位系統(tǒng)

為保證行車安全，地面基站需要及時了解到巡檢小車在軌道梁中的具體位置，同時檢測到異常點時也需要標記精確位置。巡檢小車定位系統(tǒng)采用測速定位與射頻識別修正的方法來實現精確定位，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動圈數，再由走行輪半徑計算出巡檢小車行駛路程。此外，為避免因走行輪打滑導致巡檢小車行駛路程誤差較大的情況，在箱梁內部間隔10 m粘貼電子標簽，巡檢小車行駛到該位置處時，通過RFID(Radio Frequency Identification)識別技術識別標簽內容，從而修正巡檢小車行駛的里程數，實現巡檢小車精確定位。

圖10 定位系統(tǒng)原理

2.6 檢測系統(tǒng)

軌道梁表面缺陷檢測采用視覺檢測方案，見圖11。視覺檢測裝置可將鏡頭沿z軸運動、沿y軸移動以及繞x軸360°旋轉運動，將其安裝于巡檢小車尾部，跟隨巡檢小車行駛從而實現整條試驗線軌道梁表面缺陷圖像采集，采集到的圖像通過工控機預處理后存儲于硬盤中，待圖像采集作業(yè)完成后將硬盤更換于高性能計算機內做圖像識別處理并生成檢測報告，最后由人工根據該報告做人工復檢，從而完成軌道梁表面缺陷巡檢作業(yè)。

圖11 視覺檢測裝置

3 設計試驗

巡檢小車樣機見圖12。在試驗線上測試過程中，巡檢小車順利通過試驗線彎道、道岔、爬坡、主動安全、圖像采集、限位檢測等測試，設計方案可行，滿足試驗線箱梁日常巡檢使用要求[7]。

4 結束語

該文以中車四方股份懸掛式單軌試驗線為研究背景，分析了箱梁內部巡檢與綜合維修需求，詳細闡述了巡檢小車總體結構、底盤布置、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等各部分設計原理。此外，研制出的樣機通過現場各項測試并成功應用，奠定了箱梁自動巡檢作業(yè)基礎，促進了箱梁檢修產業(yè)向著自動化、智能化方向發(fā)展。

圖12 巡檢小車樣機