山地齒軌綜合檢測車設(shè)計(jì)方案研究

韓瑀萱 劉剛 羅晉明 劉豐源 馬小林

收稿日期：2023-12-14

作者簡介：韓瑀萱（1971—），男，在職本科，高級工程師，研究方向：軌道交通工程。

摘要 齒軌線路采用“米軌+齒軌”，與傳統(tǒng)鐵路、城市軌道交通存在很大差異。目前市場上已有的軌道交通檢測產(chǎn)品都不能適應(yīng)山地齒軌交通，因此非常有必要對山地齒軌交通綜合檢測車的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。文章介紹了齒軌綜合檢測車的車輛結(jié)構(gòu)及主要功能，闡述了齒軌綜合檢測車的主要作用、結(jié)構(gòu)組成及檢測系統(tǒng)。該檢測車的開發(fā)設(shè)計(jì)為齒軌綜合檢測技術(shù)提供了一個(gè)新的平臺，可以填補(bǔ)國內(nèi)空白。

關(guān)鍵詞 齒軌；檢測車；檢測系統(tǒng)

中圖分類號 TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0005-03

0 引言

齒軌綜合檢測車主要用于線路檢測作業(yè)，自身帶動(dòng)力，由接觸軌進(jìn)行供電（DC1500V），兩端布置司機(jī)室，可正反向運(yùn)行。整車由車體系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)等組成。

1 齒軌綜合檢測車主要技術(shù)參數(shù)

齒軌綜合檢測車的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示：

2 齒軌綜合檢測車結(jié)構(gòu)簡介

齒軌綜合檢測車由車體系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)等組成，如圖1和圖2所示。

2.1 車體

車體由車體結(jié)構(gòu)、車鉤緩沖裝置等組成。車體結(jié)構(gòu)由底架、端墻、側(cè)墻、車頂?shù)炔考M焊而成，為整體承載式薄壁筒形結(jié)構(gòu)，主要材料為碳鋼；車鉤選用“100型車鉤+MT-3型緩沖器”[1]。如圖3所示。

2.2 齒軌動(dòng)力轉(zhuǎn)向架

綜合檢測車走行系統(tǒng)采用兩臺動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，一臺為齒軌動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，另一臺為粘著動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架主要由H形構(gòu)架、齒軌驅(qū)動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)、輪對軸箱、一系懸掛、二系懸掛、牽引裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置（包括停放制動(dòng)單元）和撒砂裝置等組成[2]。其中，齒軌動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)見圖4所示。

2.3 粘著動(dòng)力轉(zhuǎn)向架

粘著動(dòng)力轉(zhuǎn)向架主要由H形構(gòu)架、輪對、軸箱、一系懸掛、二系懸掛、動(dòng)力裝置、牽引裝置、單元制動(dòng)器（包括停放制動(dòng)單元）、受流器等組成[3]。粘著動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)見圖5所示。

2.4 動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)

車輛動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)由“1 500 V供電軌+牽引變流器+電機(jī)+齒輪箱+鋼輪/齒輪”聯(lián)合工作。其中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩套系統(tǒng)，分別為粘著段驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和齒軌段驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。需求牽引力及功率計(jì)算如下：

粘著段：計(jì)算的最大阻力為19.8 kN（爬坡工況），整機(jī)設(shè)計(jì)最大輪周牽引力不小于22.1 kN（牽引力使用系數(shù)取0.9），計(jì)算的最大瞬時(shí)阻力功率為57 kW（最高速度工況），整車電機(jī)需求額定功率不小于61.2 kW（傳動(dòng)系統(tǒng)效率：齒輪箱為0.95，軸箱為0.98），所需最小黏著系數(shù)不小于0.1（理論牽引黏著系數(shù)為0.268）。

齒軌段：計(jì)算的最大阻力55.1 kN（爬坡工況），整機(jī)設(shè)計(jì)最大輪周牽引力不小于61.2 kN（牽引力使用系數(shù)取0.9），計(jì)算的最大瞬時(shí)阻力功率為300.8 kW（爬坡工況），整車電機(jī)需求額定功率不小于351.8 kW（傳動(dòng)系統(tǒng)效率：齒輪箱為0.95，齒輪齒條為0.9）。

2.5 制動(dòng)系統(tǒng)

綜合檢測車空氣制動(dòng)系統(tǒng)包括DK-2型空氣制動(dòng)機(jī)、基礎(chǔ)制動(dòng)、風(fēng)缸、管路附件等。DK-2型空氣制動(dòng)機(jī)是空氣制動(dòng)系統(tǒng)的核心，基礎(chǔ)制動(dòng)采用8個(gè)踏面制動(dòng)器和2個(gè)高制動(dòng)倍率的踏面制動(dòng)器，均具備停放功能[4]。

2.6 檢測系統(tǒng)

齒軌綜合檢測車包括八大檢測功能，包括軌道幾何參數(shù)檢測、鋼軌輪廓全斷面檢測、鋼軌波磨檢測、接觸軌檢測、齒軌齒條檢測、限界檢測、隧道檢測及鋼軌探傷檢測等。

2.6.1 軌道幾何參數(shù)檢測

該系統(tǒng)主要由車底檢測梁、慣性測量組件（陀螺儀、傾角傳感器）、2D軌道幾何檢測組件、加速度計(jì)、速度、里程定位模塊、多功能控制單元、工控機(jī)、UPS等組成。

軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)采用慣性基準(zhǔn)法和非接觸式激光在線檢測技術(shù)對軌道幾何參數(shù)進(jìn)行高精度檢測。主要檢測參數(shù)有：軌距、水平/超高、三角坑、曲率、高低、軌向、車體垂向/橫向加速度和軌底坡。同時(shí)，集合速度采集模塊測量的里程、速度信號為檢測數(shù)據(jù)提供位置信息。

軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)主要由軌道檢測梁、慣性檢測組件（陀螺儀、傾角儀、加速度計(jì)）、2D幾何測距激光傳感器、光電編碼器和RFID等組成。

2.6.2 鋼軌輪廓全斷面檢測

鋼軌廓形磨耗檢測系統(tǒng)主要包括車底檢測單元、車內(nèi)顯示單元和數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。車底檢測單元由四個(gè)2D激光測量模塊組成，安裝在車體轉(zhuǎn)向架上；車內(nèi)顯示單元主要由數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)設(shè)備、電源模塊等組成[5]，采用激光攝像技術(shù)進(jìn)行鋼軌輪廓?jiǎng)討B(tài)測量。鋼軌輪廓測量視覺傳感器安裝在鋼軌斜上方，呈一定角度向鋼軌橫斷面投射線結(jié)構(gòu)光平面。結(jié)構(gòu)光平面與鋼軌相交后，在鋼軌表面形成富含鋼軌輪廓信息的激光光條。基于主動(dòng)視覺測量技術(shù)，分別將左右鋼軌視覺傳感器獲取的鋼軌斷面輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)換算和動(dòng)態(tài)匹配，便可準(zhǔn)確獲取鋼軌斷面的輪廓數(shù)據(jù)。

2.6.3 鋼軌波磨檢測

鋼軌波磨檢測裝置主要由車底設(shè)備和車內(nèi)設(shè)備組成，車底設(shè)備由波磨數(shù)據(jù)采集模塊和綜合定位模組成，車內(nèi)設(shè)備由數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)設(shè)備、電源模塊和采集卡組成。鋼軌波磨檢測系統(tǒng)采用國際上通用的弦測法測量鋼軌波磨，在轉(zhuǎn)向架左右兩側(cè)構(gòu)架上各安裝3個(gè)高速高精度的激光位移傳感器，通過波磨數(shù)據(jù)處理設(shè)備采集激光位移傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算波磨值。

2.6.4 接觸軌檢測

接觸軌檢測主要針對三軌供電系統(tǒng)中的接觸軌幾何參數(shù)進(jìn)行檢測。接觸軌檢測主要基于機(jī)器視覺的線結(jié)構(gòu)光視覺技術(shù)，測量幾何位置的同時(shí)輔助壓力傳感器、溫度傳感器等檢測接觸壓力。

2.6.5 齒軌齒條檢測

齒軌齒條檢測裝置由3D測量模塊、2D掃描模塊、主機(jī)單元、綜合控制箱、人機(jī)交互單元、定位模塊和地面數(shù)據(jù)處理單元組成。通過3D測量技術(shù)和2D線陣掃描高清成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)幾何線位檢測（齒條幾何尺寸檢測、齒條與軌道位置檢測）。

2.6.6 限界檢測

限界檢測裝置主要由車頭設(shè)備、車內(nèi)設(shè)備和車底設(shè)備組成。其中，車頭部分主要由隧道輪廓檢測設(shè)備和高清視頻采集設(shè)備組成，車內(nèi)部分主要是機(jī)柜和工作臺，車底由車體振動(dòng)補(bǔ)償設(shè)備和綜合定位設(shè)備（與其他檢測裝置共用）構(gòu)成[6]。隧道輪廓檢測設(shè)備測量線路隧道斷面物體相對軌道坐標(biāo)位置，車底補(bǔ)償模塊獲取車體與軌面動(dòng)態(tài)位置關(guān)系，通過車體與軌面傾角的偏移，將以車體作為測量基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)換算到軌道中心，實(shí)現(xiàn)車體振動(dòng)測量誤差的補(bǔ)償。再將測量輪廓與標(biāo)準(zhǔn)限界輪廓進(jìn)行對比分析，得出限界的超限范圍。

2.6.7 隧道檢測

隧道檢測裝置主要由相機(jī)模塊、光源模塊、電控采集模塊、供電及同步控制模塊等組成，通過脈沖觸發(fā)供電及同步控制器控制多個(gè)相機(jī)進(jìn)行同步拍攝，將原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和處理，最終得到隧道展布圖和隧道病害報(bào)表，主要檢測缺陷包括：隧道壁掉塊、裂縫和滲漏水等缺陷。

2.6.8 鋼軌探傷檢測

鋼軌探傷檢測系統(tǒng)采用超聲波探測原理，由車上和車下兩部分設(shè)備組成，車下探測機(jī)構(gòu)采用車體安裝方式，通過氣缸升降。超聲波探測器與鋼軌之間采用水作為超聲波傳遞媒介，車下鋼軌探測信號傳遞至車上計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有探傷彩色圖形顯示、自動(dòng)進(jìn)行信號處理、傷損自動(dòng)分析判別等功能，包括傷損位置里程判別、傷損鋼軌部位判別、傷損類型判別和傷損程度判別。

3 結(jié)束語

隧道檢測系統(tǒng)、限界檢測系統(tǒng)、鋼軌探傷系統(tǒng)和軌道檢測系統(tǒng)等均已成熟應(yīng)用于工程車上，取得了較好的效果，表明這些檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)選取適當(dāng)，完全能夠滿足齒軌綜合檢測車在預(yù)定速度運(yùn)行時(shí)的要求，同時(shí)為同類型檢測車的技術(shù)發(fā)展提供了一個(gè)新的開發(fā)平臺。

參考文獻(xiàn)

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