空铁轨道梁内部巡检及清扫设备构想

潘 实 吴少培 袁青平

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

0 概述

空铁交通系统在德国、日本已运营多年，技术成熟且安全可靠，空铁线路以高架结构形式为主，施工简便，空间利用率高且造价相对低廉，列车采用橡胶轮胎，爬坡性能良好，产生的噪声较钢轮钢轨系统大幅减小，乘客乘坐列车时视野宽广，适宜在景区设置，可提供良好的观光游览条件[1]。

空铁交通系统一般采用架空形式进行建设，空铁列车轨道梁位于列车上方，梁内安装有供电电缆、通信电缆、信号电缆等重要设施，轨道梁内部巡检对于列车的安全运营至关重要[2]，该文对轨道梁内部巡检及清扫设备进行系统性的构想，为空铁系统相关设备的研制提供了有益的参考。

1 设备功能需求

空铁列车转向架位于轨道梁内，列车车体位于转向架下方，通过螺栓机构与转向架连接，悬挂于轨道梁上。轨道梁承载了列车的全部荷载，轨道梁结构的稳定健康直接关系着空铁列车的运行安全，为保证空铁列车运营安全，需对空铁轨道梁进行定期巡检。

空铁轨道梁通常情况下主要由5 块钢制板材焊接而成，轨道梁内部净宽为780 mm，净高1 250 mm，轨道梁沿线路纵向每隔一段距离设置加强肋一处。

轨道梁内巡检作业空间狭小，轨道梁内部净宽仅780 mm，净高1 250 mm，依靠检修人员进行巡检、清洁，作业强度大，易使巡检人员产生疲劳感，进而增加巡检作业的安全风险。亟需研发一种能替代人力、安全可靠的多功能巡检及清扫设备，来承担轨道梁轨道梁内部巡检任务如图1 所示。

图1 轨道梁断面示意图

轨道梁轨道梁内部巡检的主要内容有5 点。1）轨道梁内限界检测。2）梁体内部裂纹、锈蚀检测。3）接触轨安装情况检测。4）梁内灰尘、异物的清扫及回收。5）梁内其他管线、设备状态的检测。

2 设备方案

2.1 总体技术方案

轨道梁内部巡检及清扫设备由运行控制系统、动力及导向系统、检测系统、清扫系统、设备定位系统等组成。巡检设备小车头部安装有限界检测设施以及图像检测设施，小车中部安装有工控机、PLC 等设备组成的数据采集及控制单元，电动机、变速箱等车辆动力单元，车体定位模块以及无线通信设施，车底中部安装超声波检测机构，车体尾部设置清扫及吸尘设施，设备整体采用模块化设计，便于日常使用以及维护保养。空铁轨道梁内部巡检及清扫设备系统组成如图2 所示，结构示意图如图3 所示。

图2 空铁轨道梁内部巡检及清扫设备系统组成示意图

图3 空铁轨道梁内部巡检及清扫设备结构示意图

2.2 控制系统

设备可选择人员无线控制、自主巡检两种模式进行作业。在人员无线控制模式下操作人员可通过控制台对设备小车的运行及作业情况进行控制和监测。设备自主巡检模式下，巡检设备可依靠设备小车内的工控机及PLC系统，按照预先写入的程序进行自主巡检并将巡检结果存储在设备小车的工控机内。

2.3 动力及导向系统

设备采用蓄电池驱动电机为巡检小车提供走行动力，蓄电池同时为巡检设备控制系统以及各检测、清扫等功能模块提供电力。设备构架采用铝合金结构，构架上设置走行轮、导向轮、稳定轮，驱动轮设置在小车后部靠近车辆动力单元，从动轮位于小车前部，设备小车转向时由导向轮及稳定轮提供转向力。采用闸瓦制动为设备小车提供制动力。小车的蓄电池、电动机、减速箱等组成的动力单元位于小车中后部。巡检小车端部设置有应急牵引连挂装置，在巡检小车运行产生故障时提供救援条件。

2.4 检测系统

检测系统为该巡检及清扫设备的重要组成部分，包含空铁轨道梁内部限界检测系统、图像检测系统以及超声波检测系统。

2.4.1 限界检测系统

限界检测系统采用激光扫描对轨道梁内部进行检测，测量模块位于巡检小车前端，可在巡检设备运行过程中不断对轨道梁内部断面进行测量，将测量数据传入设备小车工控机内进行数据分析，采集的空间距离信息经空间坐标变换建立轨道梁内部的二维断面图[3]，与标准轨道梁内部限界图进行分析比对，自动识别出侵界位置，将检测结果数据存储并发出预警信号提醒巡检设备操作人员。

2.4.2 图像检测系统

图像检测系统配有一台工业高清红外线点阵摄像机，该摄像机将采集到的图像信息传输至巡检设备工控机内，经过工控机预处理后通过无线网传输给控制台显示终端，显示终端可通过图像自动识别系统对轨道梁内部情况进行检测，监测梁内接触轨及其他设备的安装情况，智能识别裂纹、焊缝、锈迹及其他异物，并与数据库内的轨道梁以往图像进行对照，对裂纹、焊缝、锈迹的产生及变化情况进行分析并生成报表，同时图像信息也将在显示在控制台显示终端，控制人员可在控制室内监控轨道梁内部情况，如图4 所示。

图4 图像检测系统示意图

2.4.3 超声波检测系统

空轨列车在运行过程中胶轮会与轨道梁产生摩擦、挤压以及冲击作用，轨道梁体与承重轮接触的部分直接承受由橡胶轮施加的荷载，在列车车轮长期碾压下，轨道梁体内部结构存在产生损伤的可能性。图像检测系统对梁体结构内部的损伤难以进行有效的识别，超声波检测系统能很好地对图像检测系统进行补充，对轨道梁内部结构损伤情况进行检测。

超声波检测系统（图5）通过收集分析其所发射的超声波在被测物体缺陷部分反射回的信号，来获得被测物体的内部缺陷信息，超声波反射法具有定位精确、检测灵敏以及操作方便的优点[4-5]。超声波检测系统包括超声波探头，喷淋耦合机构，信号发射、采集、分析处理器以及配套软件系统。首先由超声波检测系统向轨道梁发射超声波，之后对反射回的超声波进行收集，收集的信号经处理后传输至工控机内，在工控机内通过软件进一步分析，完成对轨道梁损伤的识别与损伤信息的存储任务。

图5 超声波检测系统示意图

2.5 清扫系统

由于空铁列车采用胶轮系统，在列车启动、制动、加减速、转向的过程中，橡胶轮胎与箱梁内部摩擦产生的橡胶碎屑会存留在箱梁内部，同时风沙也会将灰尘等通过箱梁下部的开口处吹送入箱梁内部，需对箱梁内部进行定期清扫，本设备在巡检过程中首先采用毛刷对箱梁内部进行全方位预清扫，之后用吸尘装置将清扫的灰尘等进行收集，保证了箱体内部的清洁，防止了箱体内存留灰尘等异物对车辆运行造成的不良影响。

2.6 定位系统

巡检及清扫设备采用RFID（射频识别）定位技术与轮对编码器测距相结合的方式完成设备小车的定位，轨道梁内部每隔一段距离设置一处无源电子标签，通过巡检小车上的读取器发送一定频率的射频信号，电子标签接收到射频信号后将里程信息反馈给读取器[6]，再通过采集走行轮轮毂上安装的编码器旋转圈数对设备的走行距离进行校正，从而实现设备的准确定位，如图6 所示。

图6 定位系统示意图

3 结语

该文对空铁轨道梁内部巡检及清扫设备进行了系统性的构想，根据空铁轨道梁巡检需求，设计巡检设备的各功能模块，使各模块有机结合，将超声波检测系统、清扫系统创新性地引入到了空铁轨道梁巡检设备的设计之中，较国内目前研发的巡检设备功能更加完善，预计可有效降低巡检人员的作业强度，提高巡检效率。在未来实际应用过程中还将根据运营单位反馈的意见对设备进行进一步的改进和优化。