CN105459153B - 铁路隧道衬砌质量无损检测臂架及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路隧道衬砌质量无损检测臂架及其检测方法，雷达天线夹持架上安装有雷达天线，浮动缓冲油缸机构与雷达天线夹持架连接，浮动缓冲油缸机构、三节臂、二节臂、基本臂依次连接，俯仰臂与基本臂铰接，俯仰臂与基本臂之间连接有俯仰变幅油缸，俯仰臂铰接于回转座上，俯仰臂与回转座之间设有下俯仰变幅油缸，回转座上设有回转驱动装置，在回转座底部设有安装座，回转座连接于行走载具上。本发明采用多级俯仰、多级伸缩结构并且可腰转，实现了雷达天线与隧道衬砌壁面的贴合，降低了检测人员劳动强度，提高检测质量和工作效率，能够对单线或双线隧道进行无损检测，且能适应一定的起伏路面。本发明能够记录行驶里程，自动调整臂架姿态，保持侧线高度在一定范围内，具有测量精度高的特点。

Description

铁路隧道衬砌质量无损检测臂架及其检测方法

技术领域

本发明涉及铁路隧道衬砌质量检测设备及其方法，尤其涉及一种铁路隧道衬砌质量无损检测臂架及其检测方法。

背景技术

随着国家交通的不断发展，铁路隧道的数量在逐年增加，在建设及运营隧道病害逐渐显现。因此需要一种能够对隧道衬砌质量进行全面、快速无损检测的设备，使隧道施工缺陷及运营病害能够提前得到治理。现有检测设备主要存在如下缺陷：

①用人工托举天线时，需要2至3人在工作平台上扶持天线，容易发生安全事故，而且由于体力等因素，天线常常不能确保紧密贴合衬砌表面，测线位置定位不准确，直接影响到部分测线段落的数据采集质量，导致部分衬砌缺陷的误判、漏判。

②人工采集里程时，由于隧道环境复杂，测试人员常常误打里程标记，导致里程定位错误；当天线移动速度不均以及蛇形前进时，易导致每两个里程标记之间的里程估计不准确。这样，就使得判定的衬砌质量缺陷定位不准确甚至错误。

③个别隧道衬砌系统检测车臂架系统体积庞大、液压系统复杂、控制调整复杂、车体笨重，使用成本高，不利于推广。

④对于新建隧道因路面不平整可能引起天线脱离衬砌表面不能进行机械补偿。

⑤不具备臂架或台架回转能力，检测过程中的调整较为困难，易出现天线脱离壁面的情况。

发明内容

针对既有隧道与新建隧道衬砌质量无损检测，本发明的目的在于提供一种铁路隧道衬砌质量无损检测臂架及其检测方法，臂架具备浮动调节功能，能够稳定夹持检测雷达天线，保证雷达天线与隧道衬砌面的可靠贴合；在检测施工隧道时针对起伏路面，能给予天线较大的补偿范围。因此本发明能降低检测人员劳动强度，提高检测质量和工作效率。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种铁路隧道衬砌质量无损检测臂架，包括雷达天线夹持架、浮动缓冲油缸机构、三节臂、二节臂、基本臂、上俯仰变幅油缸、俯仰臂、下俯仰变幅油缸、回转驱动装置、安装座和回转座，所述雷达天线夹持架上安装有雷达天线，浮动缓冲油缸机构与雷达天线夹持架连接，浮动缓冲油缸机构、三节臂、二节臂、基本臂依次连接，三节臂、二节臂、基本臂三者构成伸缩臂机构；所述俯仰臂的上端端部与基本臂远离二节臂的一端端部铰接，俯仰臂与基本臂之间对应连接有上俯仰变幅油缸，俯仰臂铰接于回转座上，俯仰臂的下端端部与回转座之间设有下俯仰变幅油缸，回转座上设有驱动回转座运动的回转驱动装置，在回转座底部设有安装座，回转座通过回转驱动装置、安装座安装于行走载具上。

为了更好地实现本发明，所述雷达天线夹持架包括衬砌雷达天线夹持安装框架和万向连接机构，所述万向连接机构安装于衬砌雷达天线夹持安装框架的一侧，万向连接机构与浮动缓冲油缸机构连接；衬砌雷达天线夹持安装框架内部安装所述的雷达天线，雷达天线位于衬砌雷达天线夹持安装框架的另一侧，在衬砌雷达天线夹持安装框架位于雷达天线一侧设四个角处分别设有支承座，在每个支承座上安装有一个万向脚轮，其中一个支承座上的万向脚轮上安装有旋转编码器A，该旋转编码器A用于同步记录雷达天线的行走里程；所述衬砌雷达天线夹持安装框架位于万向连接机构一侧设有十字支承架，在十字支承架的四个顶端与衬砌雷达天线夹持安装框架的框架之间安装有四个弹簧。

本发明优选的浮动缓冲油缸机构技术方案是：所述浮动缓冲油缸机构包括缓冲油缸、行程开关、变幅油缸和限位撞头，缓冲油缸具有活塞杆，在缓冲油缸的活塞杆上设有连接板，缓冲油缸的活塞杆通过该连接板与雷达天线夹持架的万向连接机构连接；在缓冲油缸的连接板上端安装有行程开关和横梁，所述行程开关包括第一行程开关和第二行程开关，第一行程开关和第二行程开关通过横梁相对安装；所述缓冲油缸的缸筒底部与三节臂端部铰接；所述缓冲油缸的上端通过变幅油缸铰接于三节臂的上端，所述变幅油缸的缸筒底部铰接于三节臂上端，变幅油缸的活塞杆铰接于缓冲油缸上端的铰链座上；所述限位撞头安装于缓冲油缸的缸筒上，并且限位撞头在第一行程开关与第二行程开关之间。

本发明优选的伸缩臂机构技术方案是：所述三节臂可伸缩运动套合于二节臂内部，使得三节臂可在二节臂内部滑动，二节臂可伸缩运动套合于基本臂内部，使得二节臂可在基本臂内部滑动，三节臂、二节臂、基本臂相互套合构成伸缩臂机构；所述二节臂内部设有伸缩油缸A，该伸缩油缸用于驱动三节臂在二节臂内伸缩移动；所述基本臂外侧设置有伸缩油缸B，该伸缩油缸B用于驱动二节臂在基本臂内伸缩移动，伸缩油缸B的活塞杆端部铰接于二节臂的前端，伸缩油缸B的缸筒端铰接于基本臂的后端。

本发明进一步优选的伸缩臂机构技术方案是：所述二节臂内部具有滑块，二节臂内部的滑块用于对三节臂的伸缩滑动进行支承和导向；所述基本臂通过滑块、上下滚轮机构、两侧滚轮机构共同对二节臂的伸缩滑动进行支承和导向；所述的伸缩油缸B、伸缩油缸A分别集成了一个拉线尺，该拉线尺用来检测伸缩臂机构的伸缩行程；所述三节臂前端铰接处安装有旋转编码器B，该旋转编码器B用于检测浮动缓冲油缸机构的俯仰角度。

本发明优选的上下滚轮机构技术方案是：所述上下滚轮机构由滚筒A、滚动轴承A、滚筒支承架A、支撑轴A、支承壳体A构成，一个滚动轴承A对应套合连接于一个滚筒A内并构成一组滚动机构，滚筒支承架A上安装有四组滚动机构；所述滚筒支承架A通过安装在其上端的支撑轴A与支承壳体A铰接；所述支承壳体A安装在基本臂上，所述滚筒A与二节臂的外壁接触。

本发明优选的两侧滚轮机构技术方案是：所述两侧滚轮机构由滚筒B、滚动轴承B、滚筒支承架B、支撑轴B、支承壳体B构成，一个滚动滚筒B对应套合连接于一个滚动轴承B内并构成一组滚动机构，滚筒支承架B上安装有四组滚动机构；所述滚筒支承架B通过安装在其上端的支撑轴B与支承壳体B铰接；所述支承壳体B安装在基本臂上，所述滚筒B与二节臂的外壁接触。

作为优选，所述上俯仰变幅油缸一端铰接于基本臂前端，上俯仰变幅油缸另一端铰接于俯仰臂的中下部位，同时俯仰臂的上端铰接于基本臂的后端，俯仰臂的下端铰接于回转座的上顶端并通过两个下俯仰变幅油缸铰接于回转座的下端，俯仰臂用于支撑基本臂；所述俯仰臂的上端和下端安装有旋转编码器D和旋转编码器C，旋转编码器C用于检测基本臂相对于俯仰臂之间的俯仰角度，旋转编码器D用于检测俯仰臂相对于回转座的俯仰角度。

作为优选，所述安装座底部设有导电滑环和中央回转接头，所述回转驱动装置设置于回转座、安装座之间，回转驱动装置下端连接至安装座，回转驱动装置上端连接至回转座；所述回转驱动装置由液压马达驱动，回转驱动装置的侧部安装有旋转编码器E，旋转编码器E用于检测回转座腰转角度。

本铁路隧道衬砌质量无损检测臂架的工作原理及操作方法步骤如下：

A、启动回转驱动装置的液压马达，通过其传动机构带动回转座进行360°腰转运动。

B、启动上俯仰油缸和下俯仰油缸，调整伸缩臂机构(包含基本臂、二级臂和三节臂，三者合称伸缩臂机构)和俯仰臂的俯仰角度，保证砌地质雷达天线正确指向衬砌壁面。

C、启动基本臂、二级臂上的伸缩油缸，使砌地质雷达天线和雷达天线夹持架上的小轮能够贴向壁面。

D、调整浮动缓冲油缸下端的变幅油缸，使雷达天线能够正对贴合壁面。

以上所述为本发明无损检测臂架的基本操作步骤。

本发明所述的控制系统为半闭环控制系统，变幅油缸和伸缩油缸通过电磁比例阀控制，通过安装在回转驱动装置液压马达末端的旋转编码器测量臂架腰转的角位移和角速度；通过安装在俯仰臂前后两端铰接处的旋转编码器测量伸缩臂的俯仰角位移和角速度；通过安装在伸缩臂上的拉线尺测量伸缩臂的伸缩行程；通过安装在三节臂前端铰接点的旋转编码器测量缓冲油缸的俯仰角位移和角速度。

本发明所述的雷达天线夹持架上的其中一个小轮上安装有旋转编码器，用于同步记录衬砌检测雷达的行走里程。

基于上述内容，本发明的设计原理为：

驱动方式：液压驱动，动力取自行走载具，从载具底盘取力器接入液压泵，为机械臂提供液压动力。

控制方式：电液半闭环控制，控制电源来自于行走载具。

机械结构：无损检测臂架采用多关节联动，末端雷达天线夹持装置，可绕十字轴转动，通过浮动控制，及时响应与调整位姿，保证与被检测表面较好贴合。

行驶里程测定：用旋转编码器将载具行驶过程中的实际路线进行记录，并能够与理论路线进行比较，同时能够有一定的定位补偿计算能力。

检测高度测定：采用多个旋转编码器检测臂架各关节的相对角位移、拉线尺检测伸缩臂的伸缩行程，同时工控机将这些传感器反馈的数据计算成雷达的高度坐标，并通过人机界面显示。

臂架定位控制：臂架本身通过机械结构和控制系统进行一定的位置控制，并能够在人机界面中标定臂架状态和雷达坐标。

雷达与臂面贴合性和测线的保持：通过雷达贴合时的缓冲油缸行程来检测雷达的贴合性是否合适，工控机同时计算出的雷达与臂架基座的相对位置，并通过机械结构和控制系统协同调整雷达相应位置。

一种铁路隧道衬砌质量无损检测方法，包括无损检测控制系统，检测方法包括如下：

A、通过垂直陀螺仪检测行走载具的姿态参数，

其姿态参数包括方位角是否变化、俯仰角是否变化、横滚角是否变化；

B、如果行走载具的方位角没有变化，则臂架不动作；

如果方位角有变化，则控制系统解出回转座动作需要的旋转角度。然后，回转驱动装置运动带动回转座以方位角相反角度腰转，旋转编码器E检测腰转角度，控制系统判定是否到位；如果控制系统判定腰转角度未到位，则回转驱动装置带动回转座继续腰转；如果控制系统判定腰转角度到位，则回转驱动装置停止运动；

C、如果行走载具的俯仰角没有变化，则臂架不动作；

如果俯仰角有变化，则控制系统解出臂架动作需要的俯仰参数，上俯仰变幅油缸运动并以反向调整基本臂的俯仰角度，然后通过旋转编码器C检测俯仰角度，控制系统判定是否到位；如果控制系统判定俯仰角度未到位，则上俯仰变幅油缸继续反向调整基本臂的俯仰角度；如果控制系统判定俯仰角度均已到位，则上俯仰变幅油缸停止运动；

D、如果行走载具的横滚角没有变化，则臂架不动作；

如果横滚角有变化，则控制系统解出臂架动作需要的俯仰参数，下俯仰变幅油缸分别运动并以反向调整俯仰臂的俯仰角度，然后通过旋转编码器D检测俯仰角度，控制系统判定是否到位；如果控制系统判定俯仰角度未到位，则下俯仰变幅油缸继续反向调整俯仰臂的俯仰角度；如果控制系统判定俯仰角度均已到位，则下俯仰变幅油缸停止运动；

E、控制系统继续对B～D进行判定并控制各液压执行机构分别作出补偿动作，不断循环调整；

F、如果浮动缓冲油缸机构上的行程开关被触发，则控制系统判定第一行程开关是否被触发，以及判定第二行程开关是否被触发；

如果第一行程开关被触发，伸缩油缸A和伸缩油缸B工作并使伸缩臂伸出一定距离，在伸缩臂伸出的同时拉线尺检测伸缩臂行程，控制系统判定是否到位；如果未到位，则伸缩油缸A和伸缩油缸B继续工作，如果到位，则控制系统结合垂直陀螺仪检测行走载具的姿态参数计算并判定变幅油缸是否需要调整，以保证天线高度保持在一定范围内；

如果第二行程开关被触发，伸缩油缸A和伸缩油缸B工作并使伸缩臂收回一定距离，在伸缩臂收回的同时拉线尺检测伸缩臂行程，控制系统判定是否到位；如果未到位，则伸缩油缸A和伸缩油缸B继续工作，如果到位，则控制系统综合垂直陀螺仪检测行走载具的姿态参数调整计算并判定变幅油缸是否需要调整，以保证天线高度保持在一定范围内；

F中判定出变幅油缸需要调整，则变幅油缸工作并调整浮动缓冲油缸机构的俯仰角度；旋转编码器B检测俯仰角度，控制系统判定是否到位，如果未到位，则变幅油缸继续工作并调整浮动缓冲油缸机构的俯仰角度，如果到位，则控制系统判定补偿完成，变幅油缸停止动作，等待下次调整；

F中判定出变幅油缸不需要调整，则控制系统判定补偿完成，等待下次调整。

衬砌地质雷达：混凝土测厚和缺陷检测装置，主要用于混凝土地质数据的采集。雷达检测时，需将天线与隧道衬砌表面密贴，它直接影响到检测的质量。

旋转编码器：旋转编码器是用来测量转速和角位移的传感器，能够将机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出到相应的接收设备中。

拉线盒：又称拉绳位移传感器，是一种直线位移传感器，功能是把机械直线运动转换成可以计量、记录或传送的电信号输出到相应的接收设备中。

回转驱动装置：一种用于驱动回转运动的装置，通常由蜗杆、回转支承、壳体、马达等部件构成，可以同时承受轴向力、径向力、倾覆力矩。

垂直陀螺仪：一种惯性传感器，用于测量运动载体的姿态参数(横滚和俯仰)、方位角、角速度和角加速度等信息，并将检测到的信息输出到相应的接收设备中。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明可安装于轨道车辆或轮式车辆上，通过机械臂的俯仰转动、伸缩移动、浮动调节等动作实现其末端夹持的雷达天线与被检测衬砌表面贴合，并能够按照预定的测线位置，随车辆行驶进行连续检测。

(2)本发明具有一种带浮动调节功能的臂架，能够稳定夹持检测雷达天线，并且保证雷达天线与隧道衬砌臂面的可靠贴合；特别是在检测施工隧道时针对路面的不平整，可给予天线较大的补偿范围。降低检测人员劳动强度，提高检测水平和工作效率。

(3)本发明采用多级俯仰、多级伸缩结构，并且可腰转，能够适应多种隧道断面。本发明的臂架实现雷达天线与隧道衬砌壁面的贴合，有利于降低检测人员劳动强度，提高检测水平和工作效率。本发明能够记录行驶里程，自动调整臂架姿态，保持侧线高度在一定范围内，具有较高的测量精度。

(4)本发明行驶和运输状态折叠方便，也利于控制和雷达天线与隧道衬砌壁面的贴合。本发明机械部分结构布局简单，易维护，成本较低。同时，本发明可进行既有隧道与新建隧道衬砌质量的无损检测，可给予衬砌雷达天线较大的测量范围，如多个臂同时使用可以做到隧道除仰拱以外无死角覆盖。

附图说明

图1为本发明臂架的结构示意图；

图2为雷达天线夹持架的结构示意图；

图3为浮动缓冲油缸机构的结构示意图；

图4为伸缩臂机构横向和纵向剖视图；

图5为上下滚轮机构的剖面示意图；

图6为两侧滚轮机构的剖面示意图；

图7为俯仰臂的结构示意图；

图8为回转机构的结构示意图；

图9为本发明臂架的工作位置和范围示意图；

图10为本发明检测方法的流程框图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

1－雷达天线夹持架，111－万向脚轮，12－衬砌雷达天线夹持安装框架，13－弹簧，14－万向连接机构，15－旋转编码器A，2－浮动缓冲油缸机构，21－缓冲油缸,22－限位撞头,23－行程开关，231－第一行程开关,232－第二行程开关,24－变幅油缸，3－三节臂，31－旋转编码器B，4－二节臂，41－伸缩油缸A，5－基本臂，51－上下滚轮机构，511－滚筒A,512－滚动轴承A,513－滚筒支承架A,514－支撑轴A,515－支承壳体A，52－伸缩油缸B，53－两侧滚轮机构，531－滚筒B,532－滚动轴承B,533－滚筒支承架B,534－支撑轴B,535－支承壳体B，6－上俯仰变幅油缸，7－俯仰臂，71－旋转编码器C，72－旋转编码器D，8－下俯仰变幅油缸，9－回转驱动装置，91－旋转编码器E，911－液压马达，10－安装座，11－回转座。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：

实施例

如图1～图10所示，一种铁路隧道衬砌质量无损检测臂架，包括雷达天线夹持架1、浮动缓冲油缸机构2、三节臂3、二节臂4、基本臂5、上俯仰变幅油缸6、俯仰臂7、下俯仰变幅油缸8、回转驱动装置9、安装座10和回转座11，雷达天线夹持架1上安装有雷达天线，浮动缓冲油缸机构2与雷达天线夹持架1连接，浮动缓冲油缸机构2、三节臂3、二节臂4、基本臂5依次连接，三节臂3、二节臂4、基本臂5三者构成伸缩臂机构；俯仰臂7的上端端部与基本臂5远离二节臂4的一端端部铰接，俯仰臂7与基本臂5之间对应连接有上俯仰变幅油缸6，俯仰臂7铰接于回转座11上，俯仰臂7的下端端部与回转座11之间设有下俯仰变幅油缸8，回转座11上设有驱动回转座11运动的回转驱动装置9，该回转驱动装置9自带液压马达，在回转座11底部设有安装座10，回转座11通过回转驱动装置9、安装座10安装于行走载具上。

如图2所示，雷达天线夹持架1包括衬砌雷达天线夹持安装框架12和万向连接机构14，万向连接机构14安装于衬砌雷达天线夹持安装框架12的一侧，万向连接机构14与浮动缓冲油缸机构2连接；衬砌雷达天线夹持安装框架12的框架中安装雷达天线，雷达天线位于衬砌雷达天线夹持安装框架12的另一侧，在衬砌雷达天线夹持安装框架12位于雷达天线一侧设四个角处分别设有支承座，在每个支承座上安装有一个万向脚轮111，其中一个支承座上的一个万向脚轮111上安装有旋转编码器A15，该旋转编码器A15用于同步记录雷达天线的行走里程；衬砌雷达天线夹持安装框架12位于万向连接机构14一侧设有十字支承架，在十字支承架与衬砌雷达天线夹持安装框架12的框架之间安装有四个弹簧13。本发明优选的雷达天线夹持架1包含能够安装衬砌地质雷达天线的夹持安装框架和一个互垂直方向安装有弹簧的万向铰接机构，夹持安装框架上下两端安装有滚轮(即万向脚轮111)，以保证衬砌地质雷达天线能够随着衬砌表面贴合运动。

如图3所示，浮动缓冲油缸机构2包括缓冲油缸21、行程开关23、变幅油缸24和限位撞头22，缓冲油缸21具有活塞杆，在缓冲油缸21的活塞杆上设有连接板，缓冲油缸21的活塞杆通过该连接板与雷达天线夹持架1的万向连接机构14连接；在缓冲油缸21的连接板上端安装有行程开关23和横梁，行程开关23包括第一行程开关231和第二行程开关232，第一行程开关231和第二行程开关232通过横梁相对安装；缓冲油缸21的缸筒底部与三节臂3端部铰接；缓冲油缸21的上端通过变幅油缸24铰接于三节臂3的上端，变幅油缸24的缸筒底部铰接于三节臂3上端，变幅油缸24的活塞杆铰接于缓冲油缸21上端的铰链座上；限位撞头22安装于缓冲油缸21的缸筒上，并且限位撞头22在第一行程开关231与第二行程开关232之间。本发明优选的浮动缓冲油缸机构2下端安装有一个变幅油缸24，该变幅油缸24能够调整浮动缓冲油缸机构2的角度，且缓冲油缸21本身能够给予雷达天线夹持架1指向壁面的恒定贴合力以保持衬砌地质雷达天线的可靠贴合。本发明的三节臂3用于支撑浮动缓冲油缸机构2，且同时可在二节臂4中滑动伸缩。

如图4所示，三节臂3套合于二节臂4内部，使得三节臂3可在二节臂4内部伸缩滑动，二节臂4套合于基本臂5内部，使得二节臂4可在基本臂5内部伸缩滑动，三节臂3、二节臂4、基本臂5相互套合构成伸缩臂机构；二节臂4内部设有伸缩油缸A41，该伸缩油缸41用于驱动三节臂3在二节臂4内伸缩移动；基本臂5外侧设置有伸缩油缸B52，该伸缩油缸B52用于驱动二节臂4在基本臂5内伸缩移动，伸缩油缸B52的活塞杆端部铰接于二节臂4的前端，伸缩油缸B52的缸筒端铰接于基本臂5的后端。

如图4所示，二节臂4内部具有滑块，二节臂4内部的滑块用于支承、导向三节臂3的伸缩滑动；基本臂5通过滑块、上下滚轮机构51、两侧滚轮机构53共同支承二节臂4的伸缩滑动；伸缩油缸B52、伸缩油缸A41分别集成了一个拉线尺，该拉线尺用来检测伸缩臂机构的伸缩行程；三节臂3前端安装有旋转编码器B31，该旋转编码器B31用于检测浮动缓冲油缸机构2的俯仰角度。本发明优选的二节臂4用于支撑三节臂3，二节臂4体内壁安装有滑块，可支撑三节臂3的滑动，且同时二节臂4体内部后端安装有伸缩油缸，用于三节臂3的伸缩运动。

如图5所示，上下滚轮机构51由滚筒A511、滚动轴承A512、滚筒支承架A513、支撑轴A514、支承壳体A515构成，一个滚动轴承A512对应套合连接于一个滚筒A511内并构成一组滚动机构，滚筒支承架A513上安装有四组滚动机构；滚筒支承架A513通过安装在其上端的支撑轴A514与支承壳体A515铰接；支承壳体A515安装在基本臂5上，滚筒A511与二节臂4的外壁接触。

如图6所示，两侧滚轮机构53由滚筒B531、滚动轴承B532、滚筒支承架B533、支撑轴B534、支承壳体B535构成，一个滚动滚筒B531对应套合连接于一个滚动轴承B532内并构成一组滚动机构，滚筒支承架B533上安装有四组滚动机构；滚筒支承架B533通过安装在其上端的支撑轴B534与支承壳体B535铰接；支承壳体B535安装在基本臂5上，滚筒B531与二节臂4的外壁接触。

上俯仰变幅油缸6一端铰接于基本臂5前端，上俯仰变幅油缸6另一端铰接于俯仰臂7的中下部位，同时俯仰臂7的上端铰接于基本臂5的后端，俯仰臂7的下端铰接于回转座11的上顶端并通过两个下俯仰变幅油缸8铰接于回转座11的下端，俯仰臂7用于支撑基本臂5。如图7所示，俯仰臂7的上端和下端安装有旋转编码器D72和旋转编码器C71，旋转编码器C71用于检测基本臂5相对于俯仰臂7之间的俯仰角度，旋转编码器D72用于检测俯仰臂7相对于回转座11的俯仰角度。本发明优选的俯仰臂7用于支撑基本臂5，通过一个上俯仰变幅油缸铰接于基本臂5前端，同时俯仰臂7的一端铰接于基本臂的后端，俯仰臂前端铰接于回转座的上顶端，并通过两个下俯仰变幅油缸铰接于回转座的下端。本结构可实现基本臂相对于俯仰臂进行俯仰运动，俯仰臂相对回转座的俯仰运动。

安装座10底部设有导电滑环和中央回转接头，回转驱动装置9设置于回转座11、安装座10之间，回转驱动装置9下端连接至安装座10，回转驱动装置9上端连接至回转座11。如图8所示，回转驱动装置9由液压马达911驱动，回转驱动装置9的侧部安装有旋转编码器E91，旋转编码器E91用于检测回转座11腰转角度。本发明优选的回转座11用于连接俯仰臂7和回转驱动装置9，通过回转驱动装置9实现臂架的360°回转运动。本发明的安装座10用于连接回转驱动装置9和行走载具，其内部中心安装有导电滑环和中央回转接头，保证电气系统和液压系统的输入输出。

图9为本发明臂架的工作位置和范围示意图，图中a为臂架全伸出(即上述伸缩臂机构全部伸出)的最大轨迹，图中b为臂架全伸出(即上述伸缩臂机构全部伸出)的最小轨迹，由于臂架具有两个俯仰级，所以臂架全伸出会出现最大轨迹和最小轨迹，最大轨迹和最小轨迹之间的范围能够覆盖最大的双线铁路隧道断面。图中c为臂架的最大俯角位置，图中d为臂架的行走载具。图中e为臂架的水平位置，图中f为最小单线铁路隧道轮廓，图中g为最大双线铁路隧道轮廓，图中h为臂架的最大仰角位置。

铁路隧道衬砌质量无损检测臂架的基本操作步骤如下：A、启动回转驱动装置9的液压马达，通过其传动机构带动回转座11进行360°腰转运动。

B、启动上俯仰油缸6和下俯仰油缸8，调整伸缩臂(包含基本臂5、二级臂4和三节臂3)和俯仰臂7的俯仰角度，保证砌地质雷达天线正确指向衬砌壁面。

C、启动基本臂5、二级臂4上的伸缩油缸41和伸缩油缸52，使砌地质雷达天线和雷达天线夹持架1上的万向脚轮11能够贴向壁面。

D、调整浮动缓冲油缸3下端的变幅油缸24，使雷达天线能够正对贴合壁面。如图10所示，一种铁路隧道衬砌质量无损检测方法，包括无损检测控制系统，检测方法包括如下：

A、通过垂直陀螺仪检测行走载具的姿态参数，其姿态参数包括方位角是否变化、俯仰角是否变化、横滚角是否变化；

B、如果行走载具的方位角没有变化，则臂架不动作；

如果方位角有变化，则控制系统解出回转座11动作需要的角度，回转驱动装置9带动回转座11以方位角相反角度腰转，旋转编码器E91检测腰转角度，控制系统判定是否到位；如果控制系统判定腰转角度未到位，则回转驱动装置9带动回转座11继续腰转；如果控制系统判定腰转角度到位，则回转驱动装置停止运动；

C、如果行走载具的俯仰角没有变化，则臂架不动作；

如果俯仰角有变化，则控制系统解出臂架动作需要的俯仰参数，上俯仰变幅油缸6运动并以反向调整基本臂5的俯仰角度，然后通过旋转编码器C71检测俯仰角度，控制系统判定是否到位；如果控制系统判定俯仰角度未到位，则上俯仰变幅油缸6继续反向调整基本臂5的俯仰角度；如果系统判定俯仰角度均已到位，则上俯仰变幅油缸停止运动；

D、如果行走载具的横滚角没有变化，则臂架不动作；

如果横滚角有变化，则控制系统解出臂架动作需要的俯仰参数，下俯仰变幅油缸8分别运动并以反向调整俯仰臂7的俯仰角度，然后通过旋转编码器D72检测俯仰角度，控制系统判定是否到位；如果控制系统判定俯仰角度未到位，则下俯仰变幅油缸8继续反向调整俯仰臂7的俯仰角度；如果控制系统判定俯仰角度均已到位，则下俯仰变幅油缸停止运动；

E、控制系统继续对B～D进行判定并控制各液压执行机构分别作出补偿动作，不断循环调整；

F、如果浮动缓冲油缸机构2上的行程开关23被触发，则检测行程开关231是否被触发，以及检测行程开关232是否被触发；

如果行程开关231被触发，伸缩油缸41和伸缩油缸52工作并使伸缩臂伸出一定距离，在伸缩臂伸出的同时拉线尺检测伸缩臂行程，控制系统判定是否到位；如果未到位，则伸缩油缸41和伸缩油缸52继续工作，如果到位，则控制系统结合垂直陀螺仪检测行走载具的姿态参数计算并判定变幅油缸24是否需要调整，以保证天线高度保持在一定范围内；

如果行程开关232被触发，伸缩油缸41和伸缩油缸52工作并使伸缩臂收回一定距离，在伸缩臂伸出的同时拉线尺检测伸缩臂行程，控制系统判定是否到位；如果未到位，则伸缩油缸41和伸缩油缸52继续工作，如果到位，则控制系统结合垂直陀螺仪检测行走载具的姿态参数计算并判定变幅油缸24是否需要调整，以保证天线高度保持在一定范围内；

F中判定出变幅油缸24需要调整，则变幅油缸24工作并调整浮动缓冲油缸机构2的俯仰角度；旋转编码器B31检测俯仰角度，控制系统判定是否到位，如果未到位，则变幅油缸24继续工作并调整浮动缓冲油缸机构2的俯仰角度，如果到位，则控制系统判定补偿完成，变幅油缸24停止动作，等待下次调整；

F中判定出变幅油缸24不需要调整，则控制系统判定补偿完成，等待下次调整。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铁路隧道衬砌质量无损检测臂架，其特征在于：包括雷达天线夹持架(1)、浮动缓冲油缸机构(2)、三节臂(3)、二节臂(4)、基本臂(5)、上俯仰变幅油缸(6)、俯仰臂(7)、下俯仰变幅油缸(8)、回转驱动装置(9)、安装座(10)和回转座(11)，所述雷达天线夹持架(1)上安装有雷达天线，浮动缓冲油缸机构(2)与雷达天线夹持架(1)连接，浮动缓冲油缸机构(2)、三节臂(3)、二节臂(4)、基本臂(5)依次连接，三节臂(3)、二节臂(4)、基本臂(5)三者构成伸缩臂机构；所述俯仰臂(7)的上端端部与基本臂(5)远离二节臂(4)的一端端部铰接，俯仰臂(7)与基本臂(5)之间对应连接有上俯仰变幅油缸(6)，俯仰臂(7)铰接于回转座(11)上，俯仰臂(7)的下端端部与回转座(11)之间设有下俯仰变幅油缸(8)，回转座(11)上设有驱动回转座(11)运动的回转驱动装置(9)，在回转座(11)底部设有安装座(10)，回转座(11)通过回转驱动装置(9)、安装座(10)安装于行走载具上；所述浮动缓冲油缸机构(2)包括缓冲油缸(21)、行程开关(23)、变幅油缸(24)和限位撞头(22)，缓冲油缸(21)具有活塞杆，在缓冲油缸(21)的活塞杆上设有连接板，缓冲油缸(21)的活塞杆通过该连接板与雷达天线夹持架(1)的万向连接机构(14)连接；在缓冲油缸(21)的连接板上端安装有行程开关(23)和横梁，所述行程开关(23)包括第一行程开关(231)和第二行程开关(232)，第一行程开关(231)和第二行程开关(232)通过横梁相对安装；所述缓冲油缸(21)的缸筒底部与三节臂(3)端部铰接；所述缓冲油缸(21)的上端通过变幅油缸(24)铰接于三节臂(3)的上端，所述变幅油缸(24)的缸筒底部铰接于三节臂(3)上端，变幅油缸(24)的活塞杆铰接于缓冲油缸(21)上端的铰链座上；所述限位撞头(22)安装于缓冲油缸(21)的缸筒上，并且限位撞头(22)在第一行程开关(231)与第二行程开关(232)之间。

2.按照权利要求1所述的铁路隧道衬砌质量无损检测臂架，其特征在于：所述雷达天线夹持架(1)包括衬砌雷达天线夹持安装框架(12)和万向连接机构(14)，所述万向连接机构(14)安装于衬砌雷达天线夹持安装框架(12)的一侧，万向连接机构(14)与浮动缓冲油缸机构(2)连接；衬砌雷达天线夹 持安装框架(12)的框架中安装所述雷达天线，雷达天线位于衬砌雷达天线夹持安装框架(12)的另一侧，在衬砌雷达天线夹持安装框架(12)位于雷达天线一侧设四个角处分别设有支承座，在每个支承座上安装有一个万向脚轮(111)，其中一个支承座的万向脚轮(111)上安装有旋转编码器A(15)，该旋转编码器A(15)用于同步记录雷达天线的行走里程；所述衬砌雷达天线夹持安装框架(12)位于万向连接机构(14)一侧设有十字支承架，在十字支承架与衬砌雷达天线夹持安装框架(12)的框架之间安装有四个弹簧(13)。

3.按照权利要求1所述的铁路隧道衬砌质量无损检测臂架，其特征在于：所述三节臂(3)套合于二节臂(4)内部，使得三节臂(3)可在二节臂(4)内部滑动，二节臂(4)套合于基本臂(5)内部，使得二节臂(4)可在基本臂(5)内部滑动，三节臂(3)、二节臂(4)、基本臂(5)相互套合构成伸缩臂机构；所述二节臂(4)内部设有伸缩油缸A(41)，该伸缩油缸A(41)用于驱动三节臂(3)在二节臂(4)内伸缩移动；所述基本臂(5)外侧设置有伸缩油缸B(52)，该伸缩油缸B(52)用于驱动二节臂(4)在基本臂(5)内伸缩移动，伸缩油缸B(52)的活塞杆端部铰接于二节臂(4)的前端，伸缩油缸B(52)的缸筒端铰接于基本臂(5)的后端。

4.按照权利要求1所述的铁路隧道衬砌质量无损检测臂架，其特征在于：所述二节臂(4)内部具有滑块，二节臂(4)内部的滑块用于支承、导向三节臂(3)的伸缩滑动；所述基本臂(5)通过滑块、上下滚轮机构(51)、两侧滚轮机构(53)共同支承二节臂(4)的伸缩滑动；所述的伸缩油缸B(52)、伸缩油缸A(41)分别集成了一个拉线尺，该拉线尺用来检测伸缩臂机构的伸缩行程；所述三节臂(3)前端安装有旋转编码器B(31)，该旋转编码器B(31)用于检测浮动缓冲油缸机构(2)的俯仰角度。

5.按照权利要求4所述的铁路隧道衬砌质量无损检测臂架，其特征在于：所述上下滚轮机构(51)由滚筒A(511)、滚动轴承A(512)、滚筒支承架A(513)、支撑轴A(514)、支承壳体A(515)构成，一个滚动轴承A(512) 对应套合连接于一个滚筒A(511)内并构成一组滚动机构，滚筒支承架A(513)上安装有四组滚动机构；所述滚筒支承架A(513)通过安装在其上端的支撑轴A(514)与支承壳体A(515)铰接；所述支承壳体A(515)安装在基本臂(5)上，所述滚筒A(511)与二节臂(4)的外壁接触。

6.按照权利要求4所述的铁路隧道衬砌质量无损检测臂架，其特征在于：所述两侧滚轮机构(53)由滚筒B(531)、滚动轴承B(532)、滚筒支承架B(533)、支撑轴B(534)、支承壳体B(535)构成，一个滚动滚筒B(531)对应套合连接于一个滚动轴承B(532)内并构成一组滚动机构，滚筒支承架B(533)上安装有四组滚动机构；所述滚筒支承架B(533)通过安装在其上端的支撑轴B(534)与支承壳体B(535)铰接；所述支承壳体B(535)安装在基本臂(5)上，所述滚筒B(531)与二节臂(4)的外壁接触。

7.按照权利要求1所述的铁路隧道衬砌质量无损检测臂架，其特征在于：所述上俯仰变幅油缸(6)一端铰接于基本臂(5)前端，上俯仰变幅油缸(6)另一端铰接于俯仰臂(7)的中下部位，同时俯仰臂(7)的上端铰接于基本臂(5)的后端，俯仰臂(7)的下端铰接于回转座(11)的上顶端并通过两个下俯仰变幅油缸(8)铰接于回转座(11)的下端，俯仰臂(7)用于支撑基本臂(5)；所述俯仰臂(7)的上端和下端安装有旋转编码器D(72)和旋转编码器C(71)，旋转编码器C(71)用于检测基本臂(5)相对于俯仰臂(7)之间的俯仰角度，旋转编码器D(72)用于检测俯仰臂(7)相对于回转座(11)的俯仰角度。

8.按照权利要求1所述的铁路隧道衬砌质量无损检测臂架，其特征在于：所述安装座(10)底部设有导电滑环和中央回转接头，所述回转驱动装置(9)设置于回转座(11)、安装座(10)之间，回转驱动装置(9)下端连接至安装座(10)，回转驱动装置(9)上端连接至回转座(11)；所述回转驱动装置(9)由液压马达(911)驱动，回转驱动装置(9)的侧部安装有旋转编码器E(91)，旋转编码器E(91)用于检测回转座(11)腰转角度。

9.一种铁路隧道衬砌质量无损检测方法，其特征在于：包括控制系统，检 测方法包括如下：

A、通过垂直陀螺仪检测行走载具的姿态参数，其姿态参数包括方位角是否变化、俯仰角是否变化、横滚角是否变化；

B、如果行走载具的方位角没有变化，则臂架不动作；

如果方位角有变化，则控制系统解出回转座(11)动作需要的角度，回转驱动装置(9)带动回转座(11)以方位角相反角度腰转，旋转编码器E(91)检测腰转角度，控制系统判定是否到位；控制系统判定腰转角度未到位，则回转驱动装置(9)带动回转座(11)继续腰转；如果控制系统判定腰转角度到位，则回转驱动装置(9)停止运动；

C、如果行走载具的俯仰角没有变化，则臂架不动作；

如果横滚角有变化，则控制系统解出臂架动作需要的俯仰参数，下俯仰变幅油缸(8)分别运动并以反向调整俯仰臂(7)的俯仰角度，然后通过旋转编码器D(72)检测俯仰角度，控制系统判定是否到位；如果控制系统判定俯仰角度未到位，则下俯仰变幅油缸(8)继续运动并以反向调整俯仰臂(7)的俯仰角度；如果控制系统判定俯仰角度均已到位，则下俯仰变幅油缸停止运动；

D、如果行走载具的横滚角没有变化，则臂架不动作；

如果横滚角有变化，则控制系统解出臂架动作需要的俯仰参数，下俯仰变幅油缸分别运动并以反向调整俯仰臂的俯仰角度，然后通过旋转编码器D检测俯仰角度，控制系统判定是否到位；如果控制系统判定俯仰角度未到位，则下俯仰变幅油缸继续反向调整俯仰臂的俯仰角度；如果控制系统判定俯仰角度均已到位，则下俯仰变幅油缸停止运动；

E、控制系统继续对B～D进行判定并控制各液压执行机构分别作出补偿动作，不断循环调整；

F、如果浮动缓冲油缸机构(2)上的行程开关(23)被触发，则检测行程开关(231)是否被触发，以及检测行程开关(232)是否被触发；

如果检测行程开关(231)被触发，伸缩油缸(41)和伸缩油缸(52)工作并使伸缩臂伸出一定距离，在伸缩臂伸出的同时拉线尺检测伸缩臂行程，控制 系统判定是否到位；如果未到位，则伸缩油缸(41)和伸缩油缸(52)继续工作，如果到位，则控制系统结合垂直陀螺仪检测行走载具的姿态参数调整情况计算并判定变幅油缸(24)是否需要调整，以保证天线高度保持在一定范围内；

如果检测行程开关(232)被触发，伸缩油缸(41)和伸缩油缸(52)工作并使伸缩臂收回一定距离，在伸缩臂伸出的同时拉线尺检测伸缩臂行程，控制系统判定是否到位；如果未到位，则伸缩油缸(41)和伸缩油缸(52)继续工作，如果到位，则控制系统结合垂直陀螺仪检测行走载具的姿态参数调整情况计算并判定变幅油缸(24)是否需要调整，以保证天线高度保持在一定范围内；

F中判定出变幅油缸(24)需要调整，则变幅油缸(24)工作并调整浮动缓冲油缸机构(2)的俯仰角度；旋转编码器B(31)检测俯仰角度，控制系统判定是否到位，如果未到位，则变幅油缸(24)继续工作并调整浮动缓冲油缸机构(2)的俯仰角度，如果到位，则控制系统判定补偿完成，变幅油缸24停止动作，等待下次调整；

F中判定出变幅油缸(24)不需要调整，则控制系统判定补偿完成，等待下次调整。