青岛悬挂式单轨轨道梁内部巡检设备研制

张学军 王孔明 徐银光 孙付春 吴柏强

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司物资部，266031，青岛；2.中铁二院工程集团有限责任公司科学技术研究院，610031，成都；3.成都大学机械工程学院，610106，成都；4.成都海逸机电设备有限公司，610106，成都//第一作者，工程师)

悬挂式单轨交通系统充分利用了城市空间、节约了宝贵的地面道路资源。该系统在德国和日本等国家已得到广泛应用，但在国内的应用尚在起步阶段。目前，国内规划的悬挂式单轨交通系统已超过400 km，上海、青岛、成都、贵阳等20多个城市已对其开展前期研究和论证工作。悬挂式单轨交通系统市场前景广阔[1]。

悬挂式单轨交通轨道梁一般架空建设(离地高度一般约11 m)，列车转向架置于箱型轨道梁内运行，同时列车悬吊于轨道梁下方，且其车底离地高度不低于5 m[1]。轨道梁内布置有道岔、供电轨、供电电缆、通信电缆、信号轨旁设备及信号电缆等较多设备设施，工程造价约1.4亿元/km。这些高价值设备设施的巡检、维修和保养对于悬挂式单轨交通的运营安全至关重要[1]。轨道梁内空间极为狭窄，不便于维修人员通行和器材运输；另外，突发故障情况下乘客无法借用轨道梁进行疏散，且向地面疏散也极为不便，这对轨道梁维修保养提出了很高的要求。基于此，本文详细分析了青岛四方机车车辆股份有限公司悬挂式单轨车辆试验线(以下简称“青岛悬挂式单轨试验线”)轨道梁巡检需求，研制了轨道梁内部巡检设备，为今后国内悬挂式单轨交通系统的设计、建设和运营管理提供了有益参考。

1 青岛悬挂式单轨试验线项目概况

青岛悬挂式单轨试验线位于青岛市城阳区中车青岛四方机车车辆股份有限公司南厂区内，能满足车辆出厂前的组装、静态调试、动态调试等需要。试验线全长约830 m，其中正线长约630 m，出入库线长约200 m。试验线利用既有C10 厂房作为整备库，库内新增车辆检修平台。试验线平面布置[2]如图1所示。

试验线主要技术标准[2]如下：试验线最小曲线半径为50 m，最大坡度35‰；列车在其单线(正线)上的最高运行速度为50 km/h；列车采用3辆编组(全动车)，列车尺寸为2.30 m(宽)×32.13 m(长)，最大轴重不大于5 t；供电方式为DC 750 V接触轨受电。

轨道梁是由5块钢质板焊接而成且其下部开口的箱型梁结构。轨道梁下部开口宽约210 mm、梁内腔宽为780 mm、内腔高为1 200 mm，梁内上部设置防撞结构，梁内净空高度为1 100 mm。接触轨布置于轨道梁内侧，上方接触轨为DC 750 V正极，下方接触轨为回流轨。试验线直线段轨道梁断面布置[2]如图2所示。

图1 青岛悬挂式单轨试验线平面布置示意图

图2 试验线直线段轨道梁断面布置图

2 轨道梁内部巡检功能需求

2.1 轨道梁内部巡检、维修检查需求

轨道梁内部巡检和综合维修的主要内容有：①梁内部焊缝裂纹、锈蚀等的检测及维护处理；②梁内部限界检测；③接触轨的安装、连接松动检查及维护处理；④梁内其他轨旁设备状态检查和维保处理。

2.2 轨道梁内部巡检设备功能需求

试验线轨道梁内部净空宽仅为780 mm、高仅为1 100 mm，梁内空间极为狭窄，不便于维保人员通行，需开发轨道梁内部巡检设备来实现无人化巡检、载人检查和维修作业，从而降低人工作业强度以及改善作业环境。轨道梁内部巡检设备平常停放于C10厂房指定区域，需要开展巡检作业时，将其吊装至C10厂房内的悬挂式单轨检修平台上，由检修平台进入轨道梁进行巡检。

轨道梁内部巡检设备的主要功能需求如下：

(1)可实现整个试验线范围内轨道梁内部的焊缝裂纹、锈蚀、限界等自动检测，在巡检过程中检测出异常后对异常点进行定位。

(2)可载人进行轨道梁人工检查和维护处理，可通过实现自动控制模式、遥控模式、车载人控等3种模式来完成巡检作业。

(3)总体设计应尽量紧凑，尽可能为巡检人员检查作业提供更多空间。为便于检查作业，应设置便于人员乘坐、驾驶、开展维保作业的条件，如声光提醒、照明、动力插座及上下车通道等。

(4)应考虑完善的安全保护措施，来保护人员、巡检设备和轨道梁内部轨旁设备等安全。

(5)应考虑采用蓄电池动力方式。

(6)应尽量考虑轻量化，不得超过试验线限制轴重(即不超过5 t)。

(7)巡检设备整体尺寸不得超出轨道梁内部限界。

(8)应满足青岛当地的使用环境要求。

3 轨道梁内部巡检设备技术方案

3.1 总体方案

轨道梁内部巡检设备由车体、蓄电池、充电系统、驱动装置、导向装置、车载控制器、安全系统以及通信装置、检测系统、定位系统等组成(见图3)。

巡检设备各项指标满足轨道梁内部限界要求和承重要求，能在轨道梁内以自动控制模式、遥控模式和车载人控3种模式完成巡检作业。巡检设备车身由高性能铝合金或钢构件加工而成，满足轨道梁内部巡检要求；配置导向轮实现设备在轨道梁内运行导向；配置高稳定性的交流伺服电机作为驱动；设备自带动力，配置大容量锂电池作为动力电源；配置高亮度照明系统以满足轨道梁内工作亮度要求；超声波壁障配合车载控制系统实现设备主动安全防护。设备材料各项参数满足工业级要求，满足青岛悬挂式单轨试验线各项技术要求。

巡检设备检测系统采用视觉检测技术方案对轨道梁内裂纹和锈斑进行检测，同时采用激光技术对限界遗物入侵进行检测。车载高性能工控机实时对采集的图像信息进行分析处理，以判断轨道梁或供电轨异常点位，并给出轨道梁维修的决策建议。

3.2 车体及驱动系统

车体是巡检设备的基础部分，其由车架和相应的机械电气部件如减速箱、电机、驱动轮、从动轮及导向轮等组成。车架在强度和刚度上满足车体运行和加速时的要求，其采用高性能金属件加工而成，外壳为透明材料，便于巡检人员对外部进行观察。板上安置电控系统、按键及显示屏等。车体的前后部分还安装安全挡圈和超声波传感器。

巡检设备为箱形梁特殊定制，故其方向可由导向轮进行控制。驱动装置由车轮、减速器、制动器、电动机及速度控制器等组成。驱动控制包括自动控制方式、遥控方式和车载人控方式，3种方式可通过互锁进行切换，在定模式下需要在巡检设备上手动切换才能更换控制模式。处于安全考虑，可在系统中设置顶层管理密码，持有顶层管理密码者可对巡检设备的运行模式在控制中心做任意切换。采用车载人控方式时，需配置加速踏板、制动踏板和驻车制动拉杆。

巡检设备采用24 V蓄电池作为动力源，其续航能力支持设备运行6 km以上。

3.3 检测系统

青岛悬挂式单轨试验线较短，对检测效率要求有限，但同时对检测系统的经济性要求较高。基于此，本文研发了一种适用于试验线较经济的检测系统。该系统仅设置1套检测装置，检测装置安装于巡检设备尾端的三轴移动检测平台上，可实现上、下、左、右4个方向的移动；配合检测装置本身的旋转动作，可通过单次巡检对轨道梁内部1个面实现检测，故分5次巡检便可对5个面实现检测。这样可最大程度上降低检测装置成本以及提高检测装置的利用率。

检测装置主要包括1套专用工业摄像机、1组一字线激光阵列发射器及相应的照明设备，其中，摄像机作为图像采集设备终端连接到1台高性能的工控机上。随着巡检设备在轨道内部移动，摄像头拍摄空轨内部结构的图片，然后将其通过数据存储模块存储，考虑空轨内部光线可能较暗，所以需要光源对其补光；红外激光模块是由一字线激光器组成，用于在空轨内部形成一条或者多条可见光直线，然后通过摄像头模块拍照，记录该直线和空轨的表面。即摄像机在激光阵列及照明系统的配合下，采集轨道内部各个面的视频图像，并进行实时存储，以便后续的检测与回放之用。

3.4 定位系统

定位系统采用测速定位与RFID(射频识别)技术相结合的方法。首先，由安装在走行轮上的轮毂编码器记录走行轮旋转的圈数，然后由公式计算出巡检车行驶里程；另外，在轨道梁内部每间隔10 m设置一处电子标签，巡检车行驶到该位置时，通过RFID技术识别标签内容，从而校正巡检设备行驶的里程数，进而实现巡检设备的实时定位。

3.5 控制系统

巡检设备配置车载控制器，它类似于机器人控制器，用以对巡检设备进行监控。控制器计算机通过通信系统从地面站接受指令并报告自己的状态。控制器可完成以下工作：手动控制、安全装置启动、蓄电池状态、制动器解脱、行走灯光、驱动电机控制等。

控制系统配置了工业遥控器。遥控器采用锂电池充电，一次充电可连续使用不小于8 h。另外，工业遥控器上安装有监控显示器。该显示器要求能实时显示监控画面，能控制轨道梁巡检设备前行、惰行、制动、后退、停放，以及能监控车辆自身信息和故障提示等。

3.6 安全系统

巡检设备的安全系统既要实现对巡检设备的保护，又要实现对人和其它轨旁设备的保护。巡检设备配置有主动安全系统，在其运行过程中主动安全系统是默认开启状态，当检测到前方或侧壁有异物影响巡检设备运行时，巡检设备自动紧急停止。巡检设备配置有高清监控摄像头实时监控巡检设备上的人员状况，并通过WIFI(无线网络)将监控画面实时传至控制中心与遥控设备。车门关闭巡检设备方可启动，以防止巡检人员在巡检设备运行过程中将手或其他东西裸露到车体外部。巡检设备上设置紧急呼叫功能，若巡检人员在轨道梁内发生意外，可按动紧急呼叫按钮来启动声光报警。当采用车载人控方式时，遇到异常情况，巡检人员按动紧急呼叫按钮后，车辆控制可自动转换到遥控控制，可将巡检人员运送至轨道梁就近检修孔或C10厂房。

巡检设备内配置应急治疗箱，当需要时，巡检人员可通过该治疗箱内的药品或工具进行自救。

紧急情况下，巡检人员可将巡检设备前端的透明车壳拆卸或破坏并逃生。车内配置有相应的专用工具。

当巡检设备动力系统失效时，通过拖车将巡检设备拖回。

3.7 主要技术指标

轨道梁内部巡检设备尺寸应严格按照轨道梁内部结构尺寸设计，其主要技术指标如下：①巡检设备3 300 mm(长)×750 mm(宽)×1 050 mm(高)；②满载质量不大于400 kg；③走行轮轴距不超过1 730 mm，导向轮轴距不超过2 754 mm；④列车最高运行速度为50 km/h；⑤检测速度不大于10 km/h；⑥设备以最高速度运行时，运行噪音不大于65 dB；⑦最小焊缝裂纹检测宽度2 mm；⑧裂纹检测精度为±0.5 mm；⑨最小锈蚀检测面积为5 mm2；限界检查精度为±5 mm；锈蚀检测识别率不低于80%；爬坡能力大于60‰；最小曲线半径为50 m；巡检设备可搭乘1名巡检人员(体重不超过70 kg)及必要的检修工具(不超过20 kg)；支持自动控制模式、遥控模式、车载人控3种控制方式，且相互之间无障碍切换；自带动力，采用蓄电池驱动，充满电时间不超过8 h，续航能力支持设备运行6 km；巡检设备的相关检测数据及影像信息，通过无线方式将数据及影像发送给控制中心，数据保存时间大于15 d(采用先进先出方式)。

4 现场应用

基于上述巡检设备技术方案，生产制造了青岛悬挂式单轨试验线轨道梁内部巡检设备。在通过室内和现场调试后，对巡检设备检测效果进行了现场测试。鉴于试验线轨道梁刚投入运营，不存在裂纹和锈斑，因此为了测试验证巡检设备的检测效果，在试验线轨道梁右内侧壁设置1处模拟的裂纹(最小宽度为2 mm)和锈斑(面积约4 mm2)，结果表明检测效果良好。

后续经过一系列的现场运行测试，验证了巡检设备总体技术方案是合理可行的，其满足各项主要技术标准和检测指标。整个巡检设备系统工作稳定、可靠，已顺利通过业主组织的验收，目前已投入正常使用中。

5 结语

以青岛悬挂式单轨试验线为工程背景，提出了轨道梁内部巡检设备功能需求，研究确定了该线轨道果内部巡检设备的总体设计方案，并详细介绍了检测系统、定位系统、控制系统、安全系统以及主要技术指标。基于上述巡检设备技术方案，生产制造了青岛悬挂式单轨试验线轨道果内部巡检设备，并在该线成功应用。未来将紧密跟踪现场用户反馈意见，对其做进一步优化。