高铁钢轨轨面异物检测装置结构设计

崔耸巍 中国铁路上海局集团有限公司科研所

1 研究背景

随着“八纵八横”高速铁路网的不断完善，中国高铁营业里程也在不断增长。自京沪高铁开通以来，截止至2021 年12 月，仅上海局管内高铁营业里程就达到了6 528 km。如何依靠科技改变传统养护维修模式，特别是对高速铁路基础设施的巡检的研究、应用以及推动高铁设备运营维护决策管理科学化、智能化成为了热门，众多巡检设备应运而生。

目前，国内基础设施设备巡检系统主要采用主动光源照明、线阵CCD（或CMOS）相机，运用等间隔运动扫描原理。检测项目普遍以轨道、接触网、限界等沿线设施。检测设备通常被各专业加装于轨道车辆，形成单专业检修如：接触网作业车加装4C 装置、轨道作业车或探伤车加装轨道巡检系统等。

此类加装虽然缓解了人工巡检的压力，但有限的天窗、分散的检测资源在面对如钢轨轨面异物的突发病害时，仍然无法做到快速检测定位。因此设计一套可快速安装拆卸，搭载于日常运营动车组列车上的巡检系统显得尤为重要。

2 高铁钢轨轨面异物的危害

高铁钢轨轨面异物是高铁病害之一，会引发如轮轨铬伤的严重的伤损。轮轨硌伤会引起轮轨系统产生突发冲击与振动，对车轮和钢轨造成严重破坏，危及行车安全与稳定。根据车辆和工务部门反映的多起轮轨铬伤事件，亟需研究制定一套有效、智能和可靠的轮轨铬伤检测技术方案，用于轮轨铬伤情况跟踪和排查，为车轮和钢轨的及时检修提供重要依据。因高铁钢轨轨面异物造成的轮对硌伤如图1所示。

图1 因硌伤导致的高铁钢轨异常

3 高铁钢轨轨面异物检测装置设备原理

由GPS 采集设备采集速度信息，经由信号触发产生模拟编码器触发信号，触发2台相机同时采集图像，相机接收触发信号，逐行拍摄，并将拍摄的图像传递给压缩模块，通过压缩模块的整合发送给采集应用程序。应用程序做相应处理后将图像保存下来。整个工作流程如图2所示。

图2 检测装置设备原理

4 关键设备选型

（1）高速线阵列摄像机。相机各项基本参数和可编程性都需满足要求

（2）图像压缩模块。压缩模块的选型和性能参数都需要满足要以

（3）镜头。像素精度=视场/分辨率=840 mm/2048=0.41 mm/线。

（4）光源。光源选择激光光源。调整激光的高度与角度，使其与线阵列相机采集线对齐

（5）磁盘存储器。设计磁盘总容量1T，可将运行2 000 km的数据存储下来。

5 现场测量及安装方案及有限元分析

经过对运营车辆的数目，设备舱大小，运行时速以及现场安装的多方对比，380BL 型动车组列车为检测设备的最佳载体。根据对380BL 型动车组各设备仓内空间的观察和测量，决定将检测装置安装在图3处的设备仓内。

图3 安装检测装置的设备仓

考虑到尽量减少对设备仓内结构的影响，以及检测装置实际工作的需要，检测装置将被架设在设备仓内两根横梁之上，设备仓底部橡胶将被部分切除，为检测装置提供视口。设备仓内因安装需要涉及到的部位如图4所示。

图4 设备仓内因安装需要涉及到的部位

检测装置由连接支架、相机模块、动车组运行品质检测模块、工控机和电源组成。检测装置安装总图如图5所示。

图5 检测装置安装总图

连接支架由两根80×80×8 角铁、两根连接撑杆、四个抱箍和不同厚度的橡胶垫组成，重约24 kg，如图6 所示。安装时，先将角铁架设在仓内横梁之上，通过连接撑杆的紧固保证角铁之间的间距。四个抱箍将横梁包络其中，分别紧固于角铁的端部。横梁与抱箍之间加塞橡胶垫，确保装拆和使用过程中横梁不受损伤，并且在抱箍与角铁紧固之后，依靠橡胶垫的摩擦力防止连接支架相对横梁发生移动。由于两根横梁垂直于地面的高度不一致，因此需要采用不同厚度的橡胶垫来使连接支架上的平面保持水平。紧固采用M8 的不锈钢螺栓和锁紧螺母，角铁长度大于横梁之间的长度，防止连接支架从横梁上掉落。

图6 连接支架

相机模块由相机盒与固定面板组成，重约12kg,如图7 所示。相机盒内放置相机组件，固定面板上有滑槽，用来调整相机角度。安装时，先将固定面板悬挂在连接支架上，再将相机盒安装在固定面板上。移动固定面板来使相机视口落在设备仓底部切割橡胶处。固定面板与连接支架紧固完成之后，再调整相机盒的角度，相机中心对准钢轨轨面之后，再将相机盒紧固在固定面板上，相机中心与钢轨轨面的设计角度为57°，如图8所示。紧固采用M10的不锈钢螺栓和锁紧螺母，固定面板上部采用卡槽式结构，防止其从连接支架上掉落，相机盒上有圆孔可以用来穿钢丝绳，防止其从固定面板上掉落。

图7 相机模块

图8 相机中心与钢轨轨面设计角度

连接支架与相机模块紧固连接之后，在受到行车方向和垂直方向2 倍重力加速度的情况下，结构整体受力和形变如图9 和10 所示。从图中可以看出，最大受力发生在相机盒边角处，最大受力约8.5 MPa,远小于材料的屈服强度；最大变形发生在连接撑杆处，最大变形约0.08 mm，变形量在可接受的范围内。因此该套装置在工作过程中，结构强度可靠。

图9 连接支架与相机模块整体受力图

图10 连接支架与相机模块整体形变图

动车组运行品质检测模块、工控机和电源均采用现有的产品，每个部分均固定在托架上，托架再紧固于连接支架上，即可完成固定工作。托架重约1.4 kg,结构如图11 所示。托架侧面筋板上的圆孔用来穿钢丝绳，防止其从连接支架上掉落。

图11 托架结构

6 结束语

本文以动车组380BL 型动车组为载体，利用了Solid works、ANSYS 软件，设计了一套可以快速拆卸安装的巡检装置。在不影响车辆运营的情况下，能够快速寻找高铁钢轨轨面异物。为高铁钢轨的日常维护提供了便利。