軌道扣件檢測系統設計與分析

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(上海工程技術大學 城市軌道交通學院，上海 201620)

0 引言

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，現階段軌道交通已經成為城市建設進程中必不可少的元素，進而軌道交通的安全問題日益凸顯，其中扣件是連接鋼軌和軌枕的中間連結零件，能夠有效固定軌道間的距離，避免鋼軌的縱橫向移動?？奂娜鄙俦厝粺o法保障人們的出行安全，目前人工巡檢的方式已經不能滿足軌道發(fā)展的需要，為了確保地鐵運營的安全，研究設計一種軌道扣件檢測系統，具有輕量化、集成度高、維修方便、安全可靠等特點[1]，保證高速運行軌檢車能夠滿足扣件檢修的要求。

目前國外的檢測裝置研究開始于20世紀70年代，比較普遍的是美國的VIS軌道視頻檢測系統；法國的MGV高速綜合檢測列車以及德國的Rail Scan和Rail Check系統[2]，相比于20世紀90年代開始研究的國內，從最開始的接觸測量到現在的非接觸式測量，首先在國外軌檢技術的基礎上，研發(fā)了GJ-3型軌檢車，之后和美國ENSCO公司合作完成了XGJ-1型軌檢車，后來分別在1998年和2001年研發(fā)引進了GJ-4以及GJ-5型軌檢車，目前我國在軌道上的軌檢設備已經具備相對規(guī)模，但國外的技術相對的更成熟，自動化程度更高。所以本文提出了一種軌道扣件檢測系統的設計方案并進行有限元分析以及實驗室驗證。

1 軌道扣件檢測系統的總體方案

軌道扣件檢測系統分為多個模塊[3]，主要包括：照明系統、攝像系統、懸掛系統，照明系統提供采集圖像光源，攝像系統是整個系統的重點，懸掛系統起到了與車輛轉向架以及主梁體連接的作用，到目前為止,很多扣件檢測系統都是安裝在軸箱上，但其振動會影響采集圖像的質量。所以為了避免上述問題，本系統結合實際場地要求，安裝于轉向架一系減震彈簧構架前端，在復雜環(huán)境情況下能夠實現扣件狀態(tài)的檢測，整個扣件檢測系統由線陣相機、線性光源、減震墊、機械懸掛裝置等組成，并針對系統主要設備進行參數選型，整個設備應該易于裝配以及維修，裝置整體結構如圖1所示。

圖1 扣件檢測系統基本結構

2 軌道扣件檢測裝置的設計

在設計整套扣件檢測系統當中，各個部分都是相互聯系協調作用，不存在孤立的個體，我們綜合軌道現場的環(huán)境以及測試的要求[4]，進行攝像系統、照明系統等關鍵設備的選型和可行性分析，最終搭建成一個整體。

2.1 相機的選型

CCD相機按照傳感器芯片的結構不同分為線陣相機和面陣相機，線陣相機的傳感器只有一行感光元素，特點是高掃描頻率和高分辨率，面陣相機可以獲取圖像二維信息，但是所占用的空間較大，會導致使用過程中會降低圖像采集和存儲的速度，在價格上同等條件的線陣相機也是低于面陣相機，因此在要求高分辨率的情況下，線陣相機更適合本軌道扣件檢測系統。圖像采集的速率假設為v(km/h)，圖像的精度要求設置為0.5 mm，計算參數如下：

W=250+100×2=450 mm

(1)

拍攝視場需要覆蓋鋼軌兩側扣件以及部分軌枕，視野設計精度0.5 mm，則相機的像素數計算如下：

N=450÷0.5=900(Pixel)

(2)

所以至少選擇分辨率大于1024(pixel)的相機。

線掃描速率與車速以及圖像精度有關：

(3)

得到了線陣相機最重要的兩個參數。除此之外還需要考慮圖像的顏色和相機的輸出接口形式，可以綜合相機性能選出合適的線陣相機。

2.2 鏡頭的選型

鏡頭按焦距是否可以調節(jié)分為定焦和變焦兩大類，根據實際環(huán)境情況，定焦的成像往往好于變焦，并且我們根據系統指標的要求，該攝像系統用于高速運動下拍攝物體，安裝高度是一定的，不需要進行視場的變換，所以我們在本系統當中選擇定焦鏡頭，我們對鏡頭的相關參數進行計算：

在軌道扣件圖像采集系統當中，線陣CCD相機的拍攝視場大約450 mm，其焦距計算公式：

(4)

其中：f為焦距;w為相機成像面尺寸;W為視野;L為相機最大工作距離。

根據實際環(huán)境最大工作距離約500 mm，假設相機的像素尺寸為10 μm，由公式計算相機焦距:

(5)

搜索資料，最終我們選擇焦距為25 mm的定焦鏡頭，型號23HR2541C。

2.3 光源系統的選型

由于拍攝情況照明嚴重不足，如果不采用主動打光會導致圖像處理平臺無法正常運行，所以需要在圖像采集端安裝照明設備,照明系統可以選擇持續(xù)性照明或者頻閃照明，但是由于地鐵線路光線較為復雜，雖然頻閃光源在一定程度上能夠減少能耗，但是從檢測的效果來講還是需要采用持續(xù)照明。本系統采用激光照明，采用兩側打光的方式對地鐵扣件進行照射，進行圖像的收集。

光源可以弱化外部光照對扣件檢測的影響，并且絕大部分檢測時間都是在夜晚，所以要采用主動照明方式，參照照明系統簡化模型如圖2 所示。

圖2 照明系統模型

其中:d代表光源的總寬度，Δh為扣件區(qū)域高度，θ為光線的入射角，有效光帶最低點與扣件區(qū)域上表面的距離為Hg，相機感光區(qū)域與區(qū)域上表面的距離為Hf，有效光帶最低點與相機感光區(qū)域最遠處的投影之間的距離為l。其中l(wèi) 由三部分組成，所以:

l=(Hg+Hf+Δh)·tanθ

(6)

在確定相機型號時，光線的入射角就被確定下來了，相機感光區(qū)域與上表面距離在50～60 cm之間，可以根據實際情況進行調節(jié)。

激光光源的波長要和選擇相機的光譜響應性相匹配，波長為650 mm。

2.4 減振橡膠的選型

在實際的檢測過程中，會有振動的沖擊，我們需要減振器進行沖擊防護，設計減振器最重要的是是確定兩個參數，剛度和阻尼比，其中阻尼比由材料本身決定無法改變(在合理范圍內發(fā)生小變化)，結合扣件檢測系統的實際需求，減振器的固有頻率要在運行的條件下盡可能的小并且避開外界的激勵頻率，橡膠減振器的本征頻率大約為20 Hz,這套系統采用一對橡膠減振器對稱安裝，整體重量包括相機、光源、箱體等質量大約40 kg，根據減振原理：

Kd=(2πfn)2M

(7)

其中：fn為橡膠減振器本征頻率;Kd為動剛度；M為承受載荷。

在設計過程當中一般選用靜剛度，動剛度與靜剛度的比值n大于1，一般在1.2～1.5之間，我們選取1.3，所以最終靜剛度：

(8)

3 軌道扣件檢測系統的結構設計

整個扣件檢測系統滿足相機拍攝高度距扣件500 mm, 整體結構采用拼焊栓接形式，系統關于軌道中心線對稱。并且可以在惡劣天氣比如雨雪、暴風下進行非接觸性檢測，并將拍攝的圖片立即反饋與軟件中進行判斷為維修提供便利。主梁體中包括各傳感器安裝，懸掛系統連接車體轉向架為主要受載體，重點設計主梁體和懸掛系統的結構[5]。

3.1 梁體的設計

檢測梁體是安裝傳感器的載體，材質選用Q345E鋼板，要求可以承受-40°的低溫，能夠保證設備之間穩(wěn)固，并且設備本身也具有抗擊沖擊的能力，通過柔性套管外包不銹鋼保護管對布線進行保護，在安裝及連接環(huán)節(jié)考慮安全余量，設計多級安全保護[6]。其中為減輕整體梁體質量，兩邊開減重孔,總體梁體成密封箱體，防止灰塵進入，頂部預留傳感器的安裝孔便于拆裝傳感器底部安裝玻璃進行封底，既可以進行拍攝又保護設備，減重孔四周用防塵罩擋住。最后在整體梁的外表面進行噴涂防潮、防水并且不易脫落的油漆，可以使設備使用壽命延長，防止被腐蝕氧化。

圖3 扣件檢測系統梁體

3.2 懸掛系統設計

懸掛系統在設計過程中，可能出現結構體懸出面過大，在這樣的情況下結構本身的連接面所能承受的載荷有限，所以則在兩側的公共垂直面上安裝加強筋，增強懸掛系統的強度，下方安裝橡膠減震器，主要是為了減少高速檢測時由于軌道不平順帶來的振動與沖擊，之間安裝用來微調梁體與軌面之間高度的調整墊片，在懸掛系統與構架連接處開6個螺栓孔[7-9]。懸掛系統如圖4所示。

圖4 懸掛系統

4 軌道扣件檢測系統的強度分析

4.1 懸掛系統與車體構架連接螺栓強度分析

軌道扣件檢測系統的總質量約50 kg，空氣的阻力P忽略不計，在整個軌道檢測車實際運行中，系統會受到沖擊加速度的影響，這個加速度大概是重力加速度的15倍左右，所以懸掛系統和車體構架之間的最大作用力為：

∑Fmax=M×16g≈50×160=8000 N

(9)

螺栓的選擇必須是高強度的也就是8.8級以上的螺栓，這里選擇12.9級的M20螺栓，一共6個所以每個螺栓承受的最大工作剪力1333 N。

螺栓桿與固定支座的擠壓強度為：

(10)

螺栓桿的固定支座的剪切強度為：

(11)

其中：F為螺栓受到的工作剪力；d0為螺栓剪切面的直徑(可以取螺栓孔的直徑)；Lmin為螺栓桿與孔壁擠壓面的最小厚度(mm)。

許用切應力、許用擠壓應力安全系數Sτ、Sp均取為6.8，那么得出螺栓的許用切應力和許用擠壓應力均為137 MPa，所以螺栓的強度足夠。

4.2 懸掛系統與梁體雙頭螺栓連接強度分析

去除吊臂的部分剩余的質量大概40 kg，同理15倍的加速度沖擊也就是6400 N，我們一共選用兩個螺栓，每個螺栓最大承受3200 N，這兩個螺栓受力的方向和重力方向相同，受到拉伸力作用，所以雙頭螺栓桿的拉伸強度為：

(12)

其中：F為螺栓受到的工作剪力；d0為雙頭螺栓的直徑(mm)。

我們選用的雙頭螺柱的材料為40Cr，這種材料的屈服強度是785 MPa，算出拉伸的強度遠遠小于屈服強度，所以強度符合要求可以使用。

5 軌道扣件檢測系統的有限元分析與實驗室驗證

5.1 扣件檢測系統結構有限元分析

整個流程包括將建立好的三維模型構成的有限元模型導入分析系統當中，之后對材料進行設置，劃分網格，施加載荷和約束條件，通過內置的求解器進行求解分析[10-12]。

首先將SolidWorks軟件中繪制的軌道檢測系統三維模型導入Workbench中，進行網格劃分，模型必須簡化才能節(jié)約分析的時間[13-15]，這個模型主要包括吊臂、減震橡膠、主梁體,為了簡化分析吊臂和主梁體都是加載Q345E鋼板材料，分析檢測設備在工作過程中的受力和變形情況我們認為與車體連接部分添加為固定約束，沖擊加速度取最大，大約重力加速度的15倍，利用meshing模塊劃分網格，最終得到個13307個單元，33053個節(jié)點，如圖5所示。

圖5 扣件檢測系統網格劃分圖

圖6 扣件檢測系統車載結構應變云圖

圖7 扣件檢測系統車載結構應力云圖

圖6和圖7分別是扣件檢測系統受到工作載荷下的應變以及應力云圖，由圖6可知，變形由兩邊向中間逐步增大，根據圖中的標識和數據可以發(fā)現最大等效變形量為1.3464 mm左右，變形量在可以承受的范圍之內，所以認為該結構可以保證正常巡檢，根據圖7可以發(fā)現最大等效應力為0.247 Mpa，主要分布在底板玻璃附近，查相關資料，玻璃的屈服強度1.6～2.3 GPa，最大等效應力沒有超過所用材料的屈服強度，符合系統要求。

5.2 軌道扣件檢測系統實驗室驗證

表1 控制變量實驗取值

圖8 改變Hf的成像效果圖

圖9 改變l的成像效果圖

Hf的改變并沒有對成像效果產生明顯變化，而l的改變對成像影響則比較明顯，因此在實際調節(jié)過程中，控制l的大小，即可使線陣相機獲得較好的攝像環(huán)境。

為了驗證檢測系統的性能，利用攝像系統拍攝到的扣件狀態(tài)輸入到檢測系統，通過圖像采集端進行拍攝扣件的圖像，在短時間內反復進行50次拍攝，得到扣件拍攝圖像，如圖10所示。

圖10 系統采集扣件圖像實例

像素距離可以通過坐標變換轉換為扣件表面離相機表面距離，所以可以通過判斷特征距離與設定像素距離為904.5 mm的差值大小來判斷扣件處于扣緊還是非扣緊狀態(tài)，系統選定誤差偏離20 mm為未扣緊扣件，試驗結果顯示扣件編號為123455的扣件特征距離為1078 mm左右，偏離較大，故為未扣緊扣件，標記紅色，單獨存儲。因此可以得出結論扣件檢測系統設計可以滿足設計要求。

6 結論

通過對軌道車輛整體環(huán)境的測量與研究，設計了軌道扣件檢測系統。重點對關鍵設備的相關參數進行詳細分析與計算，在此基礎上結合車輛自身結構特點，設計主梁體和懸掛系統的結構，校核懸掛系統的螺栓強度，驗證是滿足強度要求的，可以安全使用，通過有限元分析，得到軌道扣件車載檢測系統具有良好的穩(wěn)定性和剛度，最后在實驗室進行模擬運行試驗，重點驗證系統光源照明效果影響因素以及整體系統的檢測可行性。為軌道扣件圖像的采集提供了有效的參考。