CN106442726B - 隧道衬砌无损检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道衬砌无损检测装置，包括安装在工作台的底座下带刹车万向脚轮，工作台、距离微调组件、高度调整组件、自动敲击组件和外设的上位机。装置工作时通过钢管、脚手架直角扣件固定在铁路工程车上，由火车头拖动铁路工程车及装载的检测装置沿隧道移动，通过装置中自动敲击组件对隧道衬砌进行敲击，麦克风将敲击声波转为电信号，由上位机采集与分析敲击声音信号，获得隧道衬砌的结构参数、空洞等隧道健康信息，实现对隧道衬砌的无损检测。本装置采用模块化设计，装拆方便，满足“天窗时间”及对不同隧道衬砌检测的要求，具有操作简单，自动化程度高，检测效率和精度高，检测后对隧道衬砌的状况判断快速，性价比高等特点。

Description

隧道衬砌无损检测装置

技术领域

本发明涉及一种隧道衬砌无损检测装置，具体地说是一种通过本装置自动对运营铁路隧道衬砌表面敲击，采集声音信号进行分析，通过解析音频信号获得铁路隧道衬砌的结构参数、空洞等隧道健康状况信息，实现对运营铁路隧道衬砌无损检测的装置。

背景技术

运营铁路隧道的健康状况关系着铁路轨道交通运输的安全，因此对铁路隧道衬砌定期开展全面综合的检测对铁路的安全运输起着至关重要的作用。尤其运营多年的铁路隧道衬砌可能存在渗漏水、衬砌变形、衬砌后背脱空、浅层空洞、空隙、掉块等病害现象，需对其进行检测。目前对运营铁路隧道衬砌检测的方法可以分为有损检测和无损检测两类，有损检测不仅破坏了隧道的衬砌结构，而且具有检测速度慢、代表性差等缺点；各种无损检测法则能在不破坏检测对象的条件下对测试体进行较为准确地检测，但运营铁路隧道遇到某些特殊环境或特别需要时，由于其中的一些无损方法自身存在局限，如早期隧道衬砌检测采用人工敲击，检测效率低、客观性不好、劳动强度大等弊病。随着运营铁路隧道的不断增多，为保证运营铁路隧道安全，需要开发出满足运营铁路隧道衬砌无损检测的装置，实现对运营隧道的自动化检测，用于解决人工敲击检测劳动强度大、检测效率低和效果差等问题。

运营铁路隧道衬砌的检测环境较为复杂，检测的时间段及时间长短受运营状态严格的限制，称为“天窗时间”，且隧道检测的地点及检测时所用的工程车不固定，要求隧道检测设备装拆方便；加上运营隧道类型尺寸各异，有高铁隧道和普通铁路隧道、单线隧道和双线隧道之分，要求一套隧道检测装备既能满足同一隧道不同测线的检测要求，又能满足多尺寸类型的隧道检测的要求；对运营铁路隧道检测时，还要求隧道衬砌检测装备操作简单、可靠性高，即使普通操作人员也应能完成检测；另一个要求是隧道检测装备的检测结果需可靠、受外界环境及人为因素影响小、客观性强。根据上述隧道对检测的要求，因此很有必要从多角度、多层面研究和开发运营铁路隧道衬砌无损检测装置。

发明内容

本发明的目的是要解决的现有技术存在的问题，而提供一种适应性强、装拆方便、操作简单、经济实用、检测客观性强、检测面积大、检测效率高，能适用于各种尺寸类型的运营铁路隧道衬砌进行自动的无损检测的隧道衬砌无损检测装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种隧道衬砌无损检测装置，包括顺序安装的带刹车万向脚轮、工作台、距离微调组件、高度调整组件、自动敲击组件和外设的上位机；

所述的带刹车万向脚轮安装在工作台底座下端，用于装置的移动、转运和刹车固定；

所述的工作台设有工作台面、底座和扶梯，工作台用于支撑工作台面上安装的距离微调组件，及距离微调组件上方的高度调整组件和自动敲击组件，扶梯用于操作人员上到工作台面上，操作自动敲击组件与隧道衬砌的距离微调及高度调整；

所述的距离微调组件包含步进电机A、减速器A、前支撑座、滚珠丝杠、丝杠螺母、直线导轨、铝型材、滑块、后支撑座、上支撑板、滚珠丝杠轴承座和联轴器，步进电机A和减速器A通过螺钉固定在前支撑座上，滚珠丝杠通过滚珠丝杠轴承座和后支撑座支撑，减速器A输出轴与滚珠丝杠轴通过联轴器连接，直线导轨通过螺钉固定在铝型材上，上支撑板通过螺钉与丝杠螺母及滑块连接，高度调整组件通过螺钉固定在上支撑板上；步进电机A转动时带动减速器A及滚珠丝杠转动，丝杠螺母平动，带动滑块及滑块上部的上支撑板、高度调整组件、自动敲击组件整体移动，实现自动敲击组件与被测隧道衬砌壁距离的微调；

所述的高度调整组件包括支撑杆、动力传动部件、圆柱齿条杆、斜支撑杆，支撑杆通过螺钉固定在距离微调组件的上支撑板上，动力传动部件中设有蜗轮蜗杆、把手和齿轮，动力传动部件安装在支撑杆上，圆柱齿条杆通过动力传动部件插装在支撑杆中，斜支撑杆一端与圆柱齿条杆固连，另一端与自动敲击组件固连；转动动力传动部件上的把手，通过蜗轮蜗杆传动、齿轮及圆柱齿条杆的齿条传动，实现圆柱齿条杆上升或下降，从而固连在圆柱齿条杆上的斜支撑杆带动自动敲击组件实现高度的调整；

所述的自动敲击组件包括步进电机B、减速器B、组件安装板、固定弹簧座、弹簧、锤头、皮带轮、麦克风安装座、麦克风、弹簧安装板和L型安装板，所述的步进电机B、减速器B和麦克风安装座分别通过螺钉固定在组件安装板上，皮带轮过盈配合安装在减速器B输出轴上，皮带轮上固连有四个固定弹簧座，四个弹簧通过弹簧安装板分别与L型安装板及固定弹簧座固连，四个锤头与L型安装板固连，麦克风安装在麦克风安装座上；步进电机B带动减速器B转动，进而带动皮带轮转动，皮带轮上安装的固定弹簧座、弹簧带动锤头转动，实现锤头对隧道衬砌的敲击，四个锤头用于增加敲击频率，并以相同间距敲击衬砌满足检测密度的要求，麦克风用于将敲击的声波信号转化为电信号，通过采集卡将电信号传输至外设的上位机中；

上位机安装有解析软件，用于声波信号采集、存储、处理，解析出运营铁路隧道衬砌的健康状况。

所述的工作台、距离微调组件、高度调整组件和自动敲击组件均采用模块化设计。模块化设计使各组件拆装方便，满足运营铁路隧道检测“天窗时间”对检测时间段及时间长短限制，同时满足转运至其他隧道的装拆要求。

所述的装置工作时采用钢管、脚手架直角扣件将装置固定在铁路工程车上，并由火车头拖动铁路工程车及装置在运行过程中实施对隧道衬砌自动敲击和检测。采用钢管、脚手架直角扣件固定装置，目的是防止装置在运行和敲击过程中在铁路工程车上窜动，保证装置工作时的稳定性。

所述的高度调整组件在圆柱齿条杆上固连的斜支撑杆及自动敲击组件有1～4个，当圆柱齿条杆上固连2～4个的斜支撑杆及自动敲击组件时，实现同一隧道中2～4条测线的同时检测。

本发明的隧道衬砌无损检测装置在工作台的底座下方设有带刹车万向脚轮，装置在非工作状态时，带刹车万向脚轮可方便地将装置移动至室内以保护电气、设备安全；装置在工作状态时，带刹车万向脚轮将装置推到铁路工程车上，先将自动敲击组件粗调整至与隧道衬砌壁接近的位置，然后通过距离微调组件、高度调整组件进一步精确调整自动敲击组件与隧道衬砌壁的距离，使锤头按设定的力度可靠地敲击隧道衬砌壁。设计的距离微调组件、高度调整组件可满足装置在同一隧道不同测线的检测要求，及能适应多尺寸类型的隧道检测要求。

本发明的检测装置工作时只需通过调整距离微调组件、转动动力传动部件的把手，进行自动敲击组件位置调整的操作，操作简单，普通操作人员都可完成；再通过上位机控制和调整，保证四个锤头每次以固定的间隔距离、固定的力度敲击隧道衬砌，避免人力敲击不同的敲击密度、力度的差异造成的检测误差，在较大程度上提高了敲击检测的客观性；同时可通过更换不同劲度系数的弹簧以及调整锤头与隧道衬砌壁的距离均可获得不同敲击力度，增加本发明检测装置的适应性；另外，自动敲击组件采用弹簧的结构也避免了隧道衬砌壁对装置的刚性冲击，保证锤头在敲击后能滑过隧道衬砌壁，避免锤头卡死情况；安装的四个锤头，增加了检测时敲击的频率，以及通过固定的敲击相隔距离满足敲击检测密度的要求。

本发明的隧道衬砌无损检测装置采用自动敲击隧道衬砌表面采集并解析声波信号的方式，实现对运营隧道的某条测线连续检测，检测效率高、检测面积大，具有波场信息丰富、探测精度较高等特点，同时对声波信号采集、存储、处理都是由外设的上位机一体化完成，自动化程度高。

本发明的隧道衬砌无损检测装置具有如下优点：

⑴、本发明的隧道衬砌无损检测装置采用模块化的设计，各模块装拆均很方便，装置总装配也很容易，能满足“天窗时间”及转运至不同隧道的要求。

⑵、本发明的隧道衬砌无损检测装置适应能力强，通过工作台、距离微调组件、高度调整组件能调整自动敲击组件与隧道壁的距离，满足多尺寸类型的隧道检测及同一隧道不同测线的检测要求。

⑶、本发明的隧道衬砌无损检测装置操作简单、采用锤头自动敲击、上位机一体化对声波信号采集、存储、处理，自动化程度高、检测过程客观性强，尤其在装置上安装多个自动敲击组件对同一隧道中多条测线的同时检测时，可以数倍地提高检测效率。

⑷、本发明的装置对隧道衬砌为无损检测，检测精度高，检测结果可靠，检测后对隧道衬砌的状况判断快速，性价比高，本发明的检测装置具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1为本发明的隧道衬砌无损检测装置结构示意图。

图2为本发明检测装置的距离微调组件结构示意图。

图3为本发明检测装置的自动敲击组件结构示意图。

图4为本发明的检测装置工作时状态侧视示意图。

图5为本发明的检测装置检测隧道时的正视图。

上述图中：1—铁路工程车，2—带刹车万向脚轮，3—工作台，3.1—底座，3.2—扶梯，3.3—工作台面，4—距离微调组件，4.1—步进电机A，4.2—减速器A，4.3—前支撑座，4.4—滚珠丝杠，4.5—丝杠螺母，4.6—直线导轨，4.7—铝型材，4.8—滑块，4.9—后支撑座，4.10—上支撑板，4.11—滚珠丝杠轴承座，4.12—联轴器，5—高度调整组件，5.1—支撑杆，5.2—动力传动部件，5.3—圆柱齿条杆，5.4—斜支撑杆，6—自动敲击组件，6.1—步进电机B，6.2—减速器B，6.3—组件安装板，6.4—固定弹簧座，6.5—弹簧，6.6—锤头，6.7—皮带轮，6.8—麦克风安装座，6.9—麦克风，6.10—弹簧安装板，6.11—L型安装板，7—钢管，8—脚手架直角扣件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的隧道衬砌无损检测装置作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

实施例1：本发明提供一种隧道衬砌无损检测装置，其结构如图1所示，包括带刹车万向脚轮2、工作台3、距离微调组件4、高度调整组件5、自动敲击组件6和外设的上位机。

所述的带刹车万向脚轮2安装在工作台3的底座3.1下端，用于在工作状态时调整好装置的位置，并锁住带刹车万向脚轮的刹车闸进行隧道衬砌检测，及在非检测工作状态时使用带刹车万向脚轮很方便装置的移动和转运。

所述的工作台3设有底座3.1、扶梯3.2和工作台面3.3，工作台面和底座用于支撑工作台面上安装的距离微调组件4，及距离微调组件上方的高度调整组件5和自动敲击组件6，扶梯用于操作人员上到工作台面上，进行自动敲击组件与隧道衬砌壁距离微调及高度调整等操作。

所述的距离微调组件4如图2所示，包含步进电机A4.1、减速器A4.2、前支撑座4.3、滚珠丝杠4.4、丝杠螺母4.5、直线导轨4.6、铝型材4.7、滑块4.8、后支撑座4.9、上支撑板4.10、滚珠丝杠轴承座4.11、联轴器4.12。步进电机A和减速器A通过螺钉固定在前支撑座上，滚珠丝杠通过滚珠丝杠轴承座和后支撑座支撑，减速器A输出轴与滚珠丝杠轴通过联轴器连接，直线导轨通过螺钉固定在铝型材上，铝型材选择4040铝型材，上支撑板通过螺钉与丝杠螺母及滑块连接，自动敲击组件6通过螺钉固定在上支撑板上，步进电机A4.1转动带动减速器A4.2及滚珠丝杠4.4转动，丝杠螺母4.5平动，带动滑块4.8及滑块上部的上支撑板4.10、高度调整组件5、自动敲击组件6整体移动，实现自动敲击组件与被测隧道壁距离的微调；

所述的高度调整组件参见图1，包括支撑杆5.1、动力传动部件5.2、圆柱齿条杆5.3、斜支撑杆5.4。支撑杆通过螺钉固定在距离微调组件的上支撑板4.10上，动力传动部件中设有蜗轮蜗杆、把手和齿轮，动力传动部件安装在支撑杆上，圆柱齿条杆通过动力传动部件插装在支撑杆中，有1根斜支撑杆5.4一端焊在圆柱齿条杆上，另一端焊在自动敲击组件6的组件安装板6.3上；转动动力传动部件5.2上的把手，通过蜗轮蜗杆传动、齿轮及圆柱齿条杆5.3的齿条传动，实现圆柱齿条杆上升或下降，从而固连在圆柱齿条杆上的斜支撑杆带动自动敲击组件实现高度的调整。

所述的自动敲击组件6参见图3，包括步进电机B6.1、减速器B6.2、组件安装板6.3、固定弹簧座6.4、弹簧6.5、锤头6.6、皮带轮6.7、麦克风安装座6.8、麦克风6.9、弹簧安装板6.10和L型安装板6.11；所述的步进电机B、减速器B、麦克风安装座分别通过螺钉固定在组件安装板上，皮带轮过盈配合安装在减速器B输出轴上，皮带轮上固连有四个固定弹簧座，四个弹簧通过弹簧安装板分别与L型安装板及固定弹簧座固连，四个锤头与L型安装板固连，麦克风安装在麦克风安装座上；步进电机B带动减速器B转动，进而带动皮带轮转动，皮带轮上安装的固定弹簧座6.4、弹簧6.5带动锤头6.6转动，实现锤头对隧道衬砌的敲击，安装的四个锤头用于增加敲击频率，且每个锤头敲击的间距相同，满足敲击检测密度的要求，麦克风6.9用于将敲击的声波信号转化为电信号，通过采集卡将电信号传输至外设的上位机；

上位机安装有解析软件，用于声波信号采集、存储、处理，解析出运营隧道衬砌的健康状况。

所述的工作台3、距离微调组件4、高度调整组件5和自动敲击组件6均采用模块化设计。本发明的装置设计的距离微调组件、高度调整组件可满足同一隧道不同测线的检测要求，也能适应多尺寸类型的隧道衬砌检测的要求。

本发明的检测装置采用模块化设计，其装配过程为：

a、首先将工作台3的底座下带刹车万向脚轮2安装好并锁住；

b、装配好距离微调组件4，然后将其整体抬至工作台面3.3上，通过螺栓使距离微调组件与工作台面固连；

c、装配好高度调整组件5、自动敲击组件6，将高度调整组件5的斜支撑杆5.4一端焊在圆柱齿条杆5.3上，另一端焊在自动敲击组件6的组件安装板6.3上，然后将其整体安装至距离微调组件4的上支撑板4.10上，完成装配。

本装置拆卸过程与装配过程相反，模块化设计使隧道衬砌无损检测装置装拆方便。

将上述隧道衬砌无损检测装置应用于运营的铁路隧道衬砌检测，操作步骤如下：

⑴、工作前，首先将本发明的检测装置整体抬到铁路工程车1上，移动带刹车万向脚轮2、工作台3，同时通过高度调整组件5，对自动敲击组件6高度及与隧道衬砌壁的距离做初步调整，使自动敲击组件6与隧道衬砌壁的高度及距离在锤头6.6敲击范围内。

⑵、通过距离微调组件4微调自动敲击组件6与隧道衬砌壁的距离，满足对某条测线敲击位置及力度的要求，距离调整好后，将两根钢管7穿过工作台3的底座上焊接的方钢压住工作台，两根钢管之间用脚手架直角扣件8固定，如图4所示，保证装置工作时的稳定性。

⑶、开启自动敲击组件6的步进电机B6.1开关，步进电机B6.1、减速器B6.2旋转带动锤头6.6旋转对隧道衬砌面进行敲击，麦克风6.9用于将敲击的声波信号转化为电信号，然后通过采集卡将电信号传输至上位机中，上位机采集、存储、处理检测到的数据，上位机中软件解析出运营隧道衬砌的健康状况。参见如图5，图5为隧道衬砌无损检测装置对某条隧道测线进行敲击检测的工作图。

实施例2：本发明提供一种隧道衬砌无损检测装置，其结构、装配过程及检测操作步骤与实施例1基本相同，不同的只是装置在所述的高度调整组件5的圆柱齿条杆上固连有4个斜支撑杆5.4及自动敲击组件6，可以实现同一隧道中4条测线的同时检测。

实施例3：本发明提供一种隧道衬砌无损检测装置，其结构与实施例2相同，即在所述的高度调整组件5的圆柱齿条杆上固连有4个斜支撑杆5.4及自动敲击组件6，不同的只是使用时将本发明2台这样相同结构的检测装置固定在同一铁路工程车1上，实现单线铁路隧道8条测线的同时检测。

本发明的隧道衬砌无损检测装置采用模块化设计，装拆方便、操作简单。本装置对隧道衬砌的检测为无损检测，检测客观性好，检测面大，检测效率高、检测结果可靠，检测后对隧道衬砌的状况判断快速，具有很好的推广应用前景。

Claims (2)

1.一种隧道衬砌无损检测装置，包括顺序安装的带刹车万向脚轮、工作台、距离微调组件、高度调整组件、自动敲击组件和外设的上位机；其特征在于：

所述的带刹车万向脚轮安装在工作台底座下端，用于装置的移动、转运和刹车固定；

所述的工作台设有工作台面、底座和扶梯，工作台用于支撑工作台面上安装的距离微调组件，及距离微调组件上方的高度调整组件和自动敲击组件，扶梯用于操作人员上到工作台面上，操作自动敲击组件与隧道衬砌的距离微调及高度调整；

所述的距离微调组件包含步进电机A、减速器A、前支撑座、滚珠丝杠、丝杠螺母、直线导轨、铝型材、滑块、后支撑座、上支撑板、滚珠丝杠轴承座和联轴器，步进电机A和减速器A通过螺钉固定在前支撑座上，滚珠丝杠通过滚珠丝杠轴承座和后支撑座支撑，减速器A输出轴与滚珠丝杠轴通过联轴器连接，直线导轨通过螺钉固定在铝型材上，上支撑板通过螺钉与丝杠螺母及滑块连接，高度调整组件通过螺钉固定在上支撑板上；步进电机A转动时带动减速器A及滚珠丝杠转动，丝杠螺母平动，带动滑块及滑块上部的上支撑板、高度调整组件、自动敲击组件整体移动，实现自动敲击组件与被测隧道衬砌壁距离的微调；

所述的高度调整组件包括支撑杆、动力传动部件、圆柱齿条杆、斜支撑杆，支撑杆通过螺钉固定在距离微调组件的上支撑板上，动力传动部件中设有蜗轮蜗杆、把手和齿轮，动力传动部件安装在支撑杆上，圆柱齿条杆通过动力传动部件插装在支撑杆中，斜支撑杆一端与圆柱齿条杆固连，另一端与自动敲击组件固连；转动动力传动部件上的把手，通过蜗轮蜗杆传动、齿轮及圆柱齿条杆的齿条传动，实现圆柱齿条杆上升或下降，从而固连在圆柱齿条杆上的斜支撑杆带动自动敲击组件实现高度的调整；所述的高度调整组件在圆柱齿条杆上固连的斜支撑杆及自动敲击组件有1～4个；

所述的自动敲击组件包括步进电机B、减速器B、组件安装板、固定弹簧座、弹簧、锤头、皮带轮、麦克风安装座、麦克风、弹簧安装板和L型安装板，所述的步进电机B、减速器B和麦克风安装座分别通过螺钉固定在组件安装板上，皮带轮过盈配合安装在减速器B输出轴上，皮带轮上固连有四个固定弹簧座，四个弹簧通过弹簧安装板分别与L型安装板及固定弹簧座固连，四个锤头与L型安装板固连，麦克风安装在麦克风安装座上；步进电机B带动减速器B转动，进而带动皮带轮转动，皮带轮上安装的固定弹簧座、弹簧带动锤头转动，实现锤头对隧道衬砌的敲击，四个锤头用于增加敲击频率，并以相同间距敲击衬砌满足检测密度的要求，麦克风用于将敲击的声波信号转化为电信号，通过采集卡将电信号传输至外设的上位机中；

上位机安装有解析软件，用于声波信号采集、存储、处理，解析出运营铁路隧道衬砌的健康状况；

所述的装置工作时采用钢管、脚手架直角扣件将装置固定在铁路工程车上，并由火车头拖动铁路工程车及装置在运行过程中实施对隧道衬砌自动敲击和检测；当圆柱齿条杆上固连2～4个的斜支撑杆及自动敲击组件时，实现同一隧道中2～4条测线的同时检测。

2.根据权利要求1所述的隧道衬砌无损检测装置，其特征在于：所述的工作台、距离微调组件、高度调整组件和自动敲击组件均采用模块化设计。