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2021-02-04 12:02:18|
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本发明涉及列车轨道检测技术领域，具体是涉及一种智能轨检车。
背景技术：
随着经济的快速发展，轨道交通占据着重要的地位，已经成为了人们生活中不可或缺的一部分。为了保证列车行驶过程的安全，往往需要通过搭载有检测设备的轨检车对列车轨道进行检测。
目前，用于列车轨道检测的轨检车主要分为常规人力拖拽式轨检车和连接在列车上的随动式轨检车两种类型。
所述常规人力拖拽式轨检车需要靠人工上道，并且在进行轨道检测时还需要申请区间停车，通过拖拽的方式让轨检车沿着轨道行进以完成轨道检测。这种利用常规人力拖拽式轨检车进行轨道检测的方式人工劳动强度大、具有一定的安全隐患，并且只能定期使用，不能常态化，另外，还不能反映轨道在列车车轮载荷下的状态。
所述随动式轨检车连接在列车上，随着列车的移动而完成轨道检测，所述随动式轨检车依附于列车，其轨道检测路线由列车的行进路线决定，局限性大，也不能常态化使用。
技术实现要素：
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种智能轨检车，能够实现与列车实时共轨并且可以沿着轨道自主运行，与列车运行互不干涉，解决了现有的轨检车不能常态化使用的问题。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种智能轨检车，能够在列车钢轨上自主运行，所述钢轨包括轨头，所述智能轨检车包括：车体，呈细长条状，用于安装若干功能模块；流线型外壳，设置在所述车体上，用于形成气动外形；行走单元，包括设置在所述车体上的若干行走轮和用于驱动所述行走轮的驱动部件；以及支撑稳定单元，用于将所述智能轨检车稳定附着于列车钢轨上，包括设置在所述车体的底盘上的强力磁铁和设置在所述车体上的若干平衡稳轮，其中，所述智能轨检车在应用于列车轨道检测时，所述车体的底盘正对着所述轨头的外侧面，所述行走轮沿着所述轨头的外侧面行进，所述智能轨检车在应用于列车轨道检测时，所述若干平衡稳轮与所述轨头的顶部外弧面滚动接触。
进一步地，所述功能模块包括设置在所述车体上的基础模块组和根据检测任务配装到所述车体上的检测模块，所述基础模块组包括控制器模块、用于实现所述智能轨检车与调度中心无线数据传输的无线通信模块、以及用于供电的电能模块，所述智能轨检车在应用于列车轨道检测时，一对所述钢轨上分别设置有一个所述智能轨检车。
进一步地，所述平衡稳轮相对于车体在平衡稳轮的轴向方向上位置可调。
进一步地，所述车体上固设有用于安装所述平衡稳轮的安装支座，所述平衡稳轮的支撑轴螺纹连接于所述安装支座上，所述平衡稳轮的支撑轴上设置有锁紧螺母。
进一步地，所述车体上还设置有云台结构，所述云台结构包括用于安装光学传感器的云台支杆，所述流线型外壳的对应于所述云台支杆处具有窗口，所述云台支杆具有伸出所述窗口的工作位置和隐藏于所述流线型外壳内的隐藏位置。
进一步地，所述云台结构还包括用于驱动所述云台支杆摆动的云台电机，所述云台电机通过驱使云台支杆摆动以使得所述云台支杆在工作位置和隐藏位置之间完成切换。
进一步地，所述窗口处设置有用于封闭窗口的伸缩式舱门，其中，所述舱门通过复位弹簧可伸缩的连接在所述流线型外壳上，所述云台支杆在由隐藏位置向工作位置摆动过程中顶开所述舱门。
进一步地，所述舱门的远离复位弹簧的一端内侧具有便于云台支杆顶开舱门的斜面或倒角。
进一步地，所述电能模块包括蓄电池组、用于对所述蓄电池组进行充电的光伏充电子模块、以及用于电量监测和充放电的电能管理子模块。
进一步地，所述电能模块还包括谐振式无线充电子模块，其中，所述谐振式无线充电子模块通过预设在列车运行轨道旁的路基无线充电桩对所述蓄电池组进行充电。
本发明具有以下技术效果：
(1)本发明作为轨道检测模块的搭载平台，其上设置有行走单元和电能模块，从而使得本发明能够沿着列车钢轨自主运行；本发明中强力磁铁和平衡稳轮的设置使得轨检车能够稳定的运行在钢轨的轨头外侧面上，这样一来可以实现与列车共轨运行，无需躲避列车，并且可以检测到轨道在列车车轮载荷下的状态；本发明能够自主运行和无需躲避列车的特性使得本发明的使用局限性小，可以常态化使用，方便了列车轨道检测工作的开展。
(2)本发明的轨检车能够克服重力稳定附着于钢轨上并不是主要依靠行走轮与钢轨之间的摩擦力，而是主要依靠钢轨轨头的顶部外弧面对平衡稳轮的弹力作用，所述平衡稳轮的设置使得本发明的轨检车能够克服只用摩擦力保持平衡会存在运行不稳定的弊端，从而可以有效的防止脱轨，具有运行稳定可靠的特点。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为根据本发明一实施例的智能轨检车的外部结构示意图；
图2示出了根据本发明一实施例的智能轨检车的内部结构；
图3示出了根据本发明一实施例的智能轨检车稳定附着于钢轨上的状态；
图4为图3的主视图；
图5为云台支杆伸出窗口位于工作位置时的状态示意图；
图6示出了平衡稳轮的安装结构；
图7为根据本发明一实施例的智能轨检车在应用于列车轨道检测过程中与列车交汇时的状态示意图；
图8为图7的主视图；
图9a为云台支杆位于隐藏位置时的状态示意图；
图9b为云台支杆由隐藏位置摆动至抵触舱门时的状态示意图；
图9c为云台支杆位于工作位置时的状态示意图；
图10示出了本发明的轨检车在钢轨上处于平衡稳定状态时行走轮、平衡稳轮与轨头之间的接触情况；
图11为本发明的轨检车在钢轨上处于平衡稳定状态时的受力分析图；
图12示出了本发明的轨检车在钢轨上处于脱轨临界点时行走轮、平衡稳轮与轨头之间的接触情况；
图13为本发明的轨检车在钢轨上处于脱轨临界点时的受力分析图；以及
图14示出了路基无线充电桩的布置结构。
附图标记说明
1、车体；11、安装支座；
2、流线型外壳；21、窗口；
22、舱门；23、复位弹簧；
24、滑槽；31、行走轮；
32、驱动部件；33、减速箱；
41、强力磁铁；42、平衡稳轮；
43、支撑轴；44、锁紧螺母；
51、云台支杆；52、云台电机；
100、钢轨；101、轨头。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明的智能轨检车作为轨道检测模块的搭载平台，能够在列车钢轨100上自主运行，所述钢轨100包括位于上段的轨头101、位于中段的轨腰、以及位于下段的轨底。
结合图1至图8所示，本发明的智能轨检车包括车体1、固设在所述车体1上的流线型外壳2、用于轨检车在钢轨100上行进的行走单元、用于将轨检车稳定附着于列车钢轨100上的支撑稳定单元、设置在所述车体1上的云台结构、以及配置的基础模块组。
所述基础模块组包括用于实现所述智能轨检车与调度中心无线数据传输的无线通信模块、与所述无线通信模块电连接的用于控制轨检车运行的控制器模块、以及与所述控制器模块电连接的用于供电的电能模块。
所述车体1呈细长条状，所述车体1采用7075铝合金材料制成，所述车体1的长度为1米，所述车体1用于安装若干功能模块，所述功能模块包括上述基础模块组和根据实际检测任务需要来配装到所述车体1上的轨道检测模块。具体地，所述车体1上具有舱室，其中，上述基础模块组安装布置在所述舱室内，并且在布置完所述基础模块组后所述舱室内还具有用来安装搭载轨道检测模块的安装位置。
所述行走单元包括分别设置在所述车体1前后两端的两个行走轮31和用于对应驱动所述行走轮31的两个驱动部件32。其中，结合参照图1至图8所示，所述智能轨检车在应用于列车轨道检测时，所述车体1的底盘正对着所述轨头101的外侧面，所述行走轮31沿着所述轨头101的外侧面行进。所述驱动部件32为直流电机，所述直流电机和对应的行走轮31之间还设置有减速箱33。
结合参照图1至图8所示，所述支撑稳定单元包括嵌装在所述车体1的底盘上的强力磁铁41和可转动的设置在所述车体1上的两个平衡稳轮42，其中，所述平衡稳轮42为从动轮，所述平衡稳轮42的轴向按照行走轮31的轴向布置，所述智能轨检车在应用于列车轨道检测时，所述两个平衡稳轮42的所在高度一致，所述两个平衡稳轮42与所述轨头101的顶部外弧面滚动接触。
所述强力磁铁41为多块磁铁组成的磁铁组，多块磁铁在车体1的底盘上均匀间隔布置，所述磁铁采用钕铁硼磁铁。
所述轨检车在钢轨100上运行时，所述轨检车在所述强力磁铁41的磁力作用和所述轨头101的顶部外弧面对平衡稳轮42的弹力作用下能够克服重力的影响而稳定附着于所述钢轨100上。
所述流线型外壳2包括位于两端的两个车头部和位于中段的车身部，所述流线型外壳2采用气动外形设计，具备优异的空气动力学性能，可以有效的削弱与列车交汇时所受到的压力波冲击。所述流线型外壳2采用碳纤维复合材料制成，没有金属屏蔽，从而有利于无线通信模块的信号传输。
本发明的智能轨检车在应用于列车轨道检测时，一对所述钢轨100上分别设置有一个所述智能轨检车，一对钢轨100上的两个智能轨检车保持同步运行。
所述轨检车在应用于列车轨道检测时，当检测模块感知与交汇列车的相对速度超过预设值时，向控制器模块发出停车指令，所述控制器模块控制轨检车减速停车。由于所述减速箱33的阻力使得行走轮31具备较弱的刹车能力，轨检车在与列车交汇时，列车的气流会让轨检车产生微弱的水平移动，这样的设计与控制设定可以有效地降低列车首尾两端冲击波对轨检车的瞬时作用力，即等同于将受到的冲击波能量转化为水平位移做功而消耗了。
所述云台结构主要为需要视觉信息、双车同步行走、激光对射测量轨距、测量水平等信息而设计。结合参照图1至图5以及图9a至图9c所示，所述云台结构包括用于安装光学传感器的云台支杆51和用于驱动所述云台支杆51摆动的云台电机52，所述流线型外壳2的对应于所述云台支杆51处具有窗口21，所述云台支杆51具有伸出所述窗口21的工作位置(如图5和图9c所示)和隐藏于所述流线型外壳2内的隐藏位置(如图9a所示)。所述光学传感器包括摄像机、激光探头、激光测距仪、激光水平仪等。
所述云台电机52与所述控制器模块电连接，所述云台电机52通过驱使云台支杆51摆动以使得所述云台支杆51在工作位置和隐藏位置之间完成切换。
所述云台电机52与云台支杆51之间还设置有减速机，该减速机为具有自锁功能的蜗轮蜗杆减速机。
结合参照图5以及图9a至图9c所示，所述窗口21处设置有用于封闭窗口21的伸缩式舱门22，其中，所述舱门22通过复位弹簧23可伸缩的连接在所述流线型外壳2上，所述流线型外壳2的窗口21处设有用于舱门22伸缩导向的滑槽24，所述舱门22滑动设置在所述滑槽24中。所述云台支杆51在由隐藏位置向工作位置摆动过程中顶开所述舱门22，所述云台支杆51在由工作位置向隐藏位置摆动时所述舱门22在复位弹簧23的作用下逐渐关闭。
进一步地，为了便于云台支杆51顶开舱门22，所述舱门22的远离复位弹簧23的一端内侧具有斜面或倒角，所述倒角可以为圆弧倒角。所述云台支杆51在由隐藏位置向工作位置摆动过程中通过先抵触所述斜面或倒角而逐渐顶开舱门22。
所述云台支杆51的可隐藏设计使得所述轨检车在与列车交汇时能够收纳入舱(此时舱门22关闭)，这样一来最大限度的保持了轨检车的气动外形，能够削弱列车对轨检车的压力波冲击。
所述轨检车在应用于列车轨道检测时，当所述云台支杆51位于工作位置的时候，所述云台支杆51呈竖直姿态(如图5所示)。
所述无线通信模块基于铁路通信系统的通信链路，实现轨检车与调度中心的无线数据传输，所述无线通信模块严格遵照国家铁路相关部门之规定进行安装配置。所述无线通信模块接收来自调度中心的调度运行指令，再通过所述控制器模块对轨检车的运行进行控制，所述轨检车在进行列车轨道检测时始终处于受控运行状态，所述调度运行指令包括启动、加速、匀速巡航、减速、停车、轨道检测等指令。
为了进一步提高轨检车在钢轨100上运行时的稳定性和可靠性，结合参照图3、图4以及图6所示，所述平衡稳轮42采用与轨头101顶部的外弧面更加适配的倒锥轮。所述平衡稳轮42的边缘部位薄、中间部位厚，所述平衡稳轮42的边缘部位与中间部位圆滑过渡，所述智能轨检车在应用于列车轨道检测时，所述平衡稳轮42的边缘部位与轨头101的顶部外弧面滚动接触，以此来减少磨损、提高稳定性。
进一步地，为了可以实现根据不同速度的列车来适应性调整轨检车车身在钢轨上的垂向高度，所述平衡稳轮42相对于车体1在平衡稳轮42的轴向方向上位置可调。
具体地，所述车体1上固设有用于安装所述平衡稳轮42的安装支座11。其中，如图6所示，所述平衡稳轮42的支撑轴43螺纹连接于所述安装支座11上并且穿过所述安装支座11，所述支撑轴43上设置有锁紧螺母44。
其中，通过旋转所述支撑轴43可以实现调节平衡稳轮42相对于车体1在轴向方向上的位置间距，所述平衡稳轮42相对于车体1在轴向方向上的间距越大，那么轨检车附着于钢轨100上后车身距离地面的垂向高度越低，轨检车的车身与列车之间的间距越大。所述支撑轴43上具有供扳手调节旋转的调节部，在进行旋转调节所述支撑轴43时将所述锁紧螺母44拆下。
上述平衡稳轮42的设置也使得轨检车在钢轨上的位置容易保持(不易下滑)，上述平衡稳轮42在车体1上的位置可调也提高了轨检车对不同规格钢轨的适应性。
下面对轨检车稳定附着于钢轨上的受力进行分析。
平衡稳定状态：在磁铁磁力的作用下行走轮紧靠钢轨轨头外侧面的b、c两点见图10，调整平衡稳轮使平衡稳轮与轨头顶部的外弧面相切于a点见图10，并且a点的切线水平夹角为22度(作为一个具体实例)；参照图11所示，轨检车在磁力f磁和重力g作用下，行走轮受到钢轨b、c两点的弹力fb弹、fc弹，以及钢轨a点对平衡稳轮的弹力fa弹。
关于磁力的计算：首先需要计算轨头外侧面的磁感应强度b，由于磁铁与钢轨表面所构成磁路有一定的漏磁现象，会产生计算误差，故进行简化处理，直接用距磁铁表面中心点x距离处的磁场强度公式(1)求b(实际中可以直接使用高斯计进行测量)，所述磁场强度公式(1)为：
其中，l为磁铁长度；w为磁铁宽度；h为磁铁厚度；x为磁铁表面与轨头外侧面之间的垂直间距；π为圆周率，取3.14；b为轨头外侧面的磁感应强度；br为剩磁，钕铁硼磁铁的br值通常为1.25t。
在一具体实例中，车体底盘上安装10块钕铁硼磁铁，每块磁铁长宽厚分别为40×16×10(mm)，磁铁表面与轨头外侧面平行且二者之间的垂直间距x为1mm。
将br为1.25、π为3.14、l为40、w为16、h为10、x为1带入上述磁场强度公式(1)中，求得轨头外侧面处的磁感应强度b＝0.3625t。
接着再通过磁场力简化公式(2)：
将s为640、μ0＝4π×10-7、b为0.3625带入上述磁场力简化公式(2)中，求得磁力f磁＝33n，即每块磁铁对轨头的磁力为33n。由此得出车体底盘上的10块磁铁对轨头的总磁力f总磁为330n。
脱轨临界点：由于轨检车超载或磁力不足都会导致脱轨临界点的出现，即b点虽有接触但没有作用力，参照图12所示。
关于脱轨临界点的静力学分析：轨检车进入脱轨临界点时虽然小车体位不变但b点已经没有作用力了，此刻钢轨对行走轮和平衡稳轮的作用力只有a、c两点，受力分析参照图13所示。
在一具体实例中，所述轨检车的总重量(包括搭载安装的轨道检测模块)小于5kg。所述轨检车按照总重量m为5kg计算产生的重力。
根据重力公式(3)：g＝mg计算求得轨检车产生的重力g为49n，其中，重力加速度g取9.8m/s2。
下面根据临界状态瞬间平衡原理，推导重力g、总磁力f总磁与fa弹之间的关系。
参照图13所示，将fa弹沿竖直方向与水平方向分解成两个力分别为f1和f2(a点的切线水平夹角为22度)，所述fa弹沿竖直方向分解的力f1和沿水平方向分解的力f2的大小可以根据公式(4)：
当轨检车处于脱轨临界点状态时，轨检车即将开始向下滑动，此刻钢轨b点处为行走轮提供的弹力降为0，且a、c处互为支点。参照图13所示的受力分析，根据力与力矩平衡方程：
可以推导出重力g、总磁力f总磁与fa弹之间的关系。
其中，mc指以c点为支点时(即小车即将开始顺时针倾覆时)，各力的力矩平衡方程，fa弹与g为顺时针方向的力，f总磁相对于c点为逆时针方向的力，形成平衡力矩，总和为0；ma指以a点为支点时(即小车即将开始逆时针倾覆时)，各力的力矩平衡方程，f总磁与g为顺时针方向的力，fc弹为逆时针方向的力，形成平衡力矩，总和为0。
其中，l1为fa弹反向延长线与c点的垂直距离；l2为轨检车重力g的等效力点与c点的水平距离；l3为总磁力f总磁的等效力点与c点的竖直距离；l4为a、c两点的竖直距离；l5为总磁力f总磁的等效力点与a点的竖直距离；l6为轨检车重力g的等效力点与a点的水平距离。
在一具体实例中，以国标60钢轨为准，l1为16.1mm；l2为13mm；l3为15mm；l4为43mm；l5为28mm；l6为22mm。将上述l1～l6的数值带入到上述力与力矩的平衡方程中，并结合公式(4)得出重力g、总磁力f总磁与fa弹的关系为：
当所述轨检车的车体底盘上安装有10块钕铁硼磁铁时，10块磁铁对轨头的总磁力f总磁为330n，根据上述f总磁与fa弹的关系公式可以计算得出此时钢轨对平衡稳轮在a点的弹力fa弹的大小为176n；并且还可以再根据公式(4)计算得出所述fa弹沿竖直方向分解的力f1的大小为164n，即小车在静态时的最大载重为164n(包括轨检车自重)，而该轨检车的总重力只有49n，换言之车体底盘上只要安装3块所述钕铁硼磁铁即可支撑该车的自重。
由上可知，在理想状态下该车配置3块钕铁硼磁铁即可在钢轨上稳定运行，10块磁铁的设计完全是为了动态安全考量，如果车体底盘安装了20块磁铁那么想从钢轨上取下小车的力量将需要660n以上！一个壮劳力都是很难从钢轨上取下轨检车的，故而在与列车交汇时列车风的扰动也不会造成轨检车脱轨。
此外，需要说明的是，上述计算中未考虑摩擦力因素，实际中行走轮与钢轨轨头之间的摩擦力可以对轨检车的稳定起到加强的作用。
依据现有条件我们做了“z”字头列车的现场工况验证，列车速度150km/h，车体底盘磁铁数量为5块，轨检车与列车可以安全交汇。如果用超过时速200km/h的高铁验证，高铁虽然速度快但其气动外形设计完美，流固耦合作用得到有效控制，5块磁铁尚且可以安全运行，10块磁铁那就更稳定了。
为了保证本发明的轨检车能够自主持续运行，所述电能模块包括蓄电池组、用于对所述蓄电池组进行充电的光伏充电子模块、以及用于电量监测和充放电的电能管理子模块。
进一步地，为了避免因阴天或者是在夜间所述光伏充电子模块不能对蓄电池组进行充电而导致轨检车无法续航，所述电能模块还包括谐振式无线充电子模块，其中，所述谐振式无线充电子模块包括感应充电谐振线圈(谐振接收线圈)，所述谐振式无线充电子模块通过预设在列车运行轨道旁的路基无线充电桩对所述蓄电池组进行充电。
所述光伏充电子模块包括设置在所述流线型外壳2上的光伏充电单晶硅板，日间运行时所述光伏充电子模块时刻可以对蓄电池组进行充电，但充电强弱是不定的，所述电能管理子模块根据蓄电池组的电量状态适应性调整充电电流。
所述电能管理子模块与控制器模块电连接，所述电能管理子模块随时监控蓄电池组耗电量，当电量不能满足运行时输出预警信息至控制器模块中，所述控制器模块根据预先设定的路基无线充电桩的位置控制轨检车运行至路基无线充电桩的设置位置以进行对接充电。
所述路基无线充电桩预设在列车运行轨道旁，并且实行区间布局。如图14所示，所述路基无线充电桩包括光伏板、蓄电池、逆变器、谐振发射线圈。通过所述路基无线充电桩进行无线充电的方式无需触点和导线，并且谐振式充电功率比较大、谐振接收线圈同频谐振，相对位置要求不高，20cm的距离即可充电。
本发明的轨检车在搭载小型轨道检测模块后可以对铁路轨道状态全天进行连续的检测和数据采集，本发明的轨检车作为小型轨道数据采集设备的载体和信息数据的传输平台，可以根据检测任务需要搭载相关的检测模块对铁路轨道状况进行连续的检测、数据采集以及区间位置信息的实时上传，工作人员可以通过调度中心与轨检车建立通讯联系并远程控制轨检车，设定巡检任务。
本发明的轨检车具有结构简单、使用成本低的特点，并且在应用于列车轨道检测时，无需申请区间停车，能够全天不间断工作，轨道现场无需工作人员，切实有效的提升了铁路轨道检测的安全性与便捷性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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