接觸軌非接觸檢測系統(tǒng)設(shè)計與研究

封 碩， 柴曉冬， 鄭樹彬， 李立明

(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院， 上海 201620)

0 引 言

隨著中國城市人口的膨脹，軌道交通路網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，地鐵已成為城市居民的首選交通工具。如今越來越多的城市地鐵系統(tǒng)開始采用接觸軌供電的方式[1]。與接觸網(wǎng)供電相比，接觸軌受流方式具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝簡便、架設(shè)成本低、抗自然災(zāi)害能力強、穩(wěn)定性好等特點。由于地鐵站之間的距離普遍較長，手動檢測工器具性能落后，同時也存在檢測點少、密度低的問題[2]，都不利于接觸軌的維護(hù)管理。為了解決當(dāng)前接觸軌檢測存在的問題，本文提出采用光電結(jié)合技術(shù)的接觸軌非接觸檢測系統(tǒng)。

1 接觸軌非接觸檢測系統(tǒng)總體方案設(shè)計

隨著軌道檢測技術(shù)發(fā)展以及計算機視覺測量技術(shù)的進(jìn)步，本接觸軌非接觸檢測系統(tǒng)通過便攜式檢測車配合現(xiàn)代檢測設(shè)備進(jìn)行同步動態(tài)、靜態(tài)檢測，搭建檢測系統(tǒng)硬件平臺，通過傳感器獲取接觸軌拉出值、導(dǎo)高值參數(shù)實現(xiàn)非接觸檢測。攝像系統(tǒng)在照明光源系統(tǒng)的輔助下，拍攝高分辨率的接觸軌、周邊設(shè)備、零部件的圖像并對其進(jìn)行實時監(jiān)控，通過計算機進(jìn)行實時顯示，為軌道工作者實時觀察和判斷設(shè)備狀態(tài)提供方便[3-4]。此系統(tǒng)主要包括便攜式檢測車與檢測臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，便攜式檢測車可以伸縮折疊，方便工作人員運輸與攜帶，機械臂結(jié)構(gòu)起到便攜式檢測車與接觸軌檢測裝置的連接作用；不同類型的傳感器安裝在特定結(jié)構(gòu)中，在復(fù)雜環(huán)境情況下完成接觸軌檢測任務(wù)，整個接觸軌檢測系統(tǒng)由便攜式檢測車、檢測臂結(jié)構(gòu)、工業(yè)紅外高清攝像機、距離傳感器等組成。本文以下接觸式展開研究，接觸軌非接觸檢測系統(tǒng)如圖1所示，接觸軌非接觸檢測原理如圖2所示。

2 非接觸檢測系統(tǒng)測量原理與算法

2.1拉出值與導(dǎo)高值定義

定義1 接觸軌拉出值接觸軌頂面的中心位置到走行軌頂面中心位置的橫向水平距離;

定義2 接觸軌導(dǎo)高值接觸軌頂面中心位置到走行軌軌面中心位置連線的垂直距離。

接觸軌拉出值與導(dǎo)高值出現(xiàn)偏差可以反映出接觸軌幾何狀態(tài)出現(xiàn)偏差，會影響機車運行，留下安全隱患；嚴(yán)重時會與集電靴碰撞在一起，造成傷害。所以，有必要對接觸軌拉出值、導(dǎo)高值進(jìn)行檢測研究[5]。

2.2 拉出值檢測原理和算法

理想位置情況如圖1、圖2所示。距離傳感器1與距離傳感器2向走行軌內(nèi)側(cè)面發(fā)出光源射線，距離傳感器1到距離傳感器2的距離為c，距離傳感器1的測距值為a，距離傳感器2的測距值為b，距離傳感器1發(fā)出的激光，與水平面夾角為α，距離傳感器2發(fā)出的激光，與水平面夾角為β，鋼軌寬度為W，接觸軌中心面到走行軌左側(cè)面距離為M，則軌距的表達(dá)式為：

L1=acosα-bcosβ+c,

(1)

圖1 檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

圖2 非接觸檢測原理示意圖

Fig. 2 Schematic diagram of non-contact detection

距離傳感器的安裝位置與安裝角度確定以后，其發(fā)出的激光與水平面的夾角也隨之確定。則拉出值可以表示為：

(2)

2.3 接觸軌導(dǎo)高值檢測原理和算法

當(dāng)接觸軌的幾何參數(shù)發(fā)生變化，距離傳感器測距值a、b也會隨之變化，可以計算出接觸軌的拉出值[6]。

如圖2所示，距離傳感器3的測量值為d，距離傳感器3到走行軌軌面的距離為Y，理想狀態(tài)下，距離傳感器3發(fā)出的激光與水平面垂直，但是考慮到檢測臂左右波動的情況(向左偏移為正)，將引起距離傳感器3的輸出值在水平方向發(fā)生ΔX的偏移，則導(dǎo)高值可以表示為：

(3)

如圖3所示，距離傳感器4安裝在檢測臂的A點位置，向走行軌外側(cè)面發(fā)出光源照射，距離傳感器4的安裝位確定，則傳感器與水平面的夾角θ，理論測量值A(chǔ)D確定，AD距離用S理論表示，可以通過標(biāo)準(zhǔn)量具測量與簡單計算求得?？紤]檢測設(shè)備的搭載車輛在實際檢測過程中，會出現(xiàn)橫向的偏移(向左偏移為正)，ΔX會發(fā)生向左或者向右的偏移量，得到圖3中B、C點位置，BE、CF可以表示距離傳感器4的實際測量值，用S測量表示。

通過幾何理論知識的計算，ΔX可以表示為：

(4)

綜上所述，可以計算出導(dǎo)高值：

(5)

圖3 檢測產(chǎn)生的偏移量

3 非接觸檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

接觸軌非接觸檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要滿足攝像系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、傳感器到接觸軌最大設(shè)計距離小于200 mm， 接觸軌豎直中線到走行軌內(nèi)側(cè)面的水平距離為832.5 mm，整體結(jié)構(gòu)采用拼焊栓接形式[7]。要求該結(jié)構(gòu)可以在惡劣天氣、復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行非接觸檢測工作，并將檢測到的數(shù)據(jù)實時輸送回數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比判別，提高檢測效率與精度。集成設(shè)備箱中包括攝像系統(tǒng)、光源系統(tǒng)和傳感器的安裝，機械臂連接車體與集成設(shè)備箱，重點進(jìn)行便攜式檢測車與檢測臂結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.1 便攜式檢測車的設(shè)計

便攜式檢測車可以通過旋轉(zhuǎn)裝置折疊，收起前呈“T”字型，如圖4、圖5所示，分別為便攜式檢測車的工作狀態(tài)和折疊狀態(tài)。

圖4 便攜式檢測車工作狀態(tài)

圖5 便攜式檢測車折疊狀態(tài)

檢測車收起后旋轉(zhuǎn)臂可以和主梁旋轉(zhuǎn)到同一個方向，體積小，重量輕，便于攜帶。整體材料選用方鋁管，結(jié)構(gòu)可靠，方鋁管內(nèi)部中空可以用來穿線，有利于對布線進(jìn)行保護(hù)。左側(cè)搭載的機械臂結(jié)構(gòu)與最右側(cè)電源和車體在重量上保持平衡。在主梁的中間部位加一根500 mm的鋁型材，可以對主梁支架起到加固的作用，同時應(yīng)對復(fù)雜的軌道環(huán)境，手推桿可以在加裝鋁型材的區(qū)域滑動，選擇最佳行走路線[8]。該便攜式軌檢車共有3個走行輪和4個定位輪裝置，如圖4所示。圖4中，右側(cè)的定位輪與彈簧裝置相連，如圖5所示。另外2個定位輪固定在旋轉(zhuǎn)臂上，定位輪裝置可以使檢測車在軌道上穩(wěn)定前行，減小檢測車的左右偏移誤差。

3.2 機械臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計

機械臂結(jié)構(gòu)通過螺栓與便攜式檢測車進(jìn)行連接。搭載2個設(shè)備箱，前端為集成檢測設(shè)備箱，后端為交換機等連接設(shè)備。整體材料選用方鋁管，同樣是為了保護(hù)進(jìn)線而且結(jié)構(gòu)美觀可靠。機械臂結(jié)構(gòu)承載了幾乎整個接觸軌檢測系統(tǒng)的硬件安裝，不但可以搭載在便攜式軌檢車低速檢測，還可與快速巡檢車互聯(lián)互通。在機械臂結(jié)構(gòu)兩側(cè)垂直面安裝加強筋，提高結(jié)構(gòu)強度[9]。機械臂的右側(cè)是與車體的連接設(shè)計，左側(cè)通過螺栓與設(shè)備盤連接，設(shè)備盤用來搭載集成設(shè)備箱。

4 接觸軌檢測系統(tǒng)的強度分析與有限元分析

4.1 機械臂系統(tǒng)與車身連接的強度分析

機械臂結(jié)構(gòu)和設(shè)備集成箱的總重量約30 Kg，空氣阻力P忽略不計，當(dāng)機械臂安裝在快速巡檢車上進(jìn)行接觸軌檢測，沖擊加速度是重力加速度的10倍左右，機械臂系統(tǒng)和車身框架之間的最大作用力為：

ΣFmax=M×10g=3000 N,

(6)

選擇12.9級M20螺栓，總共2個，因此每個螺栓的最大工作剪切力為1 500 N。

螺栓桿與固定支座的擠壓強度為：

(7)

螺栓桿的固定支座的剪切強度為：

(8)

其中，F(xiàn)表示螺栓的工作剪力；d表示螺栓剪切面直徑；Lmin表示孔壁擠壓面的最小厚度。

許用切應(yīng)力安全系數(shù)Sτ、許用擠壓應(yīng)力安全系數(shù)Sp均取6.8，得出螺栓的許用切應(yīng)力和許用擠壓應(yīng)力均為137 MPa，所以螺栓強度滿足要求。

4.2 機械臂結(jié)構(gòu)與設(shè)備盤連接強度分析

設(shè)備盤和設(shè)備集成箱質(zhì)量大概15 kg，受到?jīng)_擊加速度的影響，機械臂結(jié)構(gòu)和設(shè)備盤之間的作用力為1 500 N，設(shè)計6個螺栓進(jìn)行連接，每個最大承受力250 N，雙頭螺栓桿拉伸強度為：

(9)

其中，F(xiàn)表示螺栓的工作剪力,d表示雙頭螺栓直徑。

螺栓屈服強度為785 MPa，對比可得出結(jié)論:拉伸強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服強度，選用的螺栓強度符合要求。

4.3 機械臂結(jié)構(gòu)的有限元分析

機械臂結(jié)構(gòu)是整個接觸軌檢測結(jié)構(gòu)設(shè)計中最重要的一部分，不但是車體與集成設(shè)備箱的過渡連接裝置，而且承載幾乎整個接觸軌檢測系統(tǒng)的硬件安裝，研究認(rèn)為由接觸軌檢測系統(tǒng)和機械臂結(jié)構(gòu)組成一個機械臂系統(tǒng)。通過簡單的改造，機械臂系統(tǒng)可以安裝在不同的軌檢車上進(jìn)行接觸軌檢測，為接觸軌檢測系統(tǒng)大范圍普及應(yīng)用創(chuàng)造有利條件[10-13]。

將模型簡化導(dǎo)入Workbench中，模型主要包括機械臂橫梁和設(shè)備盤，加載Q345E材料，網(wǎng)格劃分采用自動網(wǎng)格劃分,劃分設(shè)計效果見圖6,可以滿足分析的需要。利用meshing模塊最終得到5 037個單元，12 097個節(jié)點，對于檢測臂系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，主要重量集中在設(shè)備盤上，集成設(shè)備箱的重量大約15 kg，其它的零部件比如距離傳感器相對于整個機械臂重量較小，可以通過質(zhì)量與接觸面積換算成梁體上承受的壓力。

圖6 機械臂結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖

圖7和圖8分別是工作載荷下檢測臂結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、應(yīng)力云圖。由圖7可知，在靜態(tài)載荷的作用下，變形主要從設(shè)備盤一側(cè)向檢測車一側(cè)逐漸增大，根據(jù)圖7中數(shù)據(jù)，最大等效變形量為0.000 4 mm左右，變形量在可接受的范圍內(nèi)。根據(jù)圖8可以發(fā)現(xiàn)最大等效應(yīng)力為85.04 MPa，應(yīng)力主要分布在圖中檢測臂的右側(cè)，與實際相符，滿足設(shè)計要求。

圖7 機械臂結(jié)構(gòu)應(yīng)變云圖

圖8 機械臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

5 實驗驗證與分析

接觸軌與走行軌空間形位參數(shù)關(guān)系影響機車的供電效率。 檢測接觸軌相對于相同側(cè)行進(jìn)軌的橫向和縱向位置關(guān)系可確保軌道交通的安全運行。上海軌道交通路網(wǎng)規(guī)模近年來保持持續(xù)快速發(fā)展，路網(wǎng)不斷向郊區(qū)延伸，站間距不斷拉大，4公里以上的長大區(qū)間習(xí)以為常，16、17號線為代表的接觸軌供電模式應(yīng)運而生。申通地鐵接觸軌導(dǎo)高值設(shè)計為200 mm，拉出值設(shè)計為1 550 mm。對接觸軌拉出值、導(dǎo)高值進(jìn)行重復(fù)性檢測，在實驗室環(huán)境，接觸軌測量參數(shù)見表1。

表1 接觸軌測量參數(shù)

傳感器組件安裝完成以后，其與水平面夾角、到固定面的測量值也隨之確定。距離傳感器與水平面夾角α、β、θ，距離傳感器4的理論測量值S理論，在任意三個位置測量a、b、L，由公式(1)列出3個方程可以求出α、β、L1的值；也可通過標(biāo)準(zhǔn)量具，多次測量求得。實驗室環(huán)境任取15個點，來回對選取的隨機點進(jìn)行5輪重復(fù)性測量[14-15]。實驗檢測環(huán)境如圖9所示，數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表2、表3。

圖9 實驗檢測環(huán)境

表2 拉出值測量數(shù)據(jù)與處理

表3 導(dǎo)高值測量數(shù)據(jù)與處理

Tab. 3 Measurement data and processing of guide height

mm

隨機選定15個測量位置，每個位置各進(jìn)行5次計算，統(tǒng)計測量值與接觸軌測量參數(shù)值之差，作為測量的示值誤差，拉出值與導(dǎo)高值誤差分布如圖10、圖11所示。

圖10 拉出值示值誤差

圖11 導(dǎo)高值示值誤差

結(jié)果表明,拉出值和導(dǎo)高示值誤差均在±1 mm以內(nèi)；拉出值與導(dǎo)高值的重復(fù)性總體標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.497 mm、0.417 mm，均在0.8 mm以內(nèi)；分辨率在0.5 mm以內(nèi)；拉出值為1 550 mm，導(dǎo)高值為190 mm。測量示值誤差、測量重復(fù)性、測量分辨率符合設(shè)計要求。

6 結(jié)束語

通過對接觸軌空間形位參數(shù)的測量，進(jìn)行了非接觸靜態(tài)檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研究。提出了接觸軌非接觸靜態(tài)檢測的原理，實現(xiàn)了接觸軌非接觸的檢測，提高檢測效率與精度；通過便攜式檢測車搭載非接觸靜態(tài)檢測系統(tǒng)，提高檢測效率、降低勞動強度。接觸軌非接觸靜態(tài)檢測系統(tǒng)的研究為接觸軌檢測技術(shù)的發(fā)展提供了有效參考。