CN111122603A - 一种单轨列车接触和非接触式在线检测的钢梁 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种单轨列车接触和非接触式在线检测的钢梁，涉及列车检测技术领域，包括基座及固定在基座上方的钢梁体，所述钢梁体内设置有多个分别朝向前后两侧的水平轮磨损检测装置、水平轮压力检测装置、集电靴压力检测装置、集电靴磨损检测装置以及至少一个朝向上侧的走行轮磨损检测装置，所述水平轮压力检测装置以及集电靴压力检测装置从钢梁体的前后两侧相应一侧侧面内穿出，所述钢梁体的前后两侧侧面以及上侧侧面上均设置有与相应的所述水平轮磨损检测装置、集电靴磨损检测装置以及走行轮磨损检测装置位置匹配的方孔。本申请具有在线实时检测，实现网络化、可视化、协同化和集成化管理，进而降低人工检测成本和误差，提高检测效率的效果。

Description

一种单轨列车接触和非接触式在线检测的钢梁

技术领域

本申请涉及列车检测技术领域，特别涉及一种单轨列车接触和非接触式在线检测的钢梁。

背景技术

单轨制式能更好适应复杂的地形地貌环境。跨座式单轨的高架桥桥墩宽度平均不到2米，与其他高架轨道交通相比，桥墩占地宽度节省近一半，在城市道路中央或道路两旁的绿化带就可以立柱，占地小、遮挡少、选线灵活。胶轮路轨系统是轨道运输的一种形式，它采用了道路交通的轮胎技术。即列车的车轮不再是传统的钢轮，取而代之的是橡胶车轮，其行走的轨道亦有别于传统的钢轮用路轨，具有低行驶噪音、更高的加速及减速率、更强的咬地能力的优点。但是，因为轮胎的摩擦度问题，虽然轮胎的价格要比钢轮便宜，但相对的更换率前者要高得多，变相令胶轮系统的保养费用较昂贵，且胶轮路轨技术的低普及率也导致高安装及保养费用。

转向架作为轨道车辆结构中最为重要的部件之一，其主要作用有：1)车辆上采用转向架是为增加车辆的载重、长度与容积、提高列车运行速度，以满足铁路运输发展的需要；2)保证在正常运行条件下，车体都能可靠地坐落在转向架上，通过轴承装置使车轮沿钢轨的滚动转化为车体沿线路运行的平动；3)支撑车体，承受并传递从车体至车轮之间或从轮轨至车体之间的各种载荷及作用力，并使轴重均匀分配。4)保证车辆安全运行，能灵活地沿直线线路运行及顺利地通过曲线。5)转向架的结构要便于弹簧减振装置的安装，使之具有良好的减振特性，以缓和车辆和线路之间的相互作用，减小振动和冲击，减小动应力，提高车辆运行平稳性和安全性。6)充分利用轮轨之间的粘着，传递牵引力和制动力，放大制动缸所产生的制动力，使车辆具有良好的制动效果，以保证在规定的距离之内停车。7)转向架是车辆的一个独立部件，在转向架于车体之间尽可能减少联接件。

但是，由于单轨列车正常有8个转向架，每个转向架上有4个导向轮、2个稳定轮、2个走行轮和2组集电靴，则单列车共计存在64个轮胎和16组集电靴。因此，若通过人工检测轮胎和集电靴的状态将导致工作量巨大而且效率低下。且传统的人工检测效率较低，人工干扰较大，无法对列车设备进行规则化、系统性、高效率检测，同时无法及时的反映列车设备的健康状况，评估运行状态，有待改进。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种单轨列车接触和非接触式在线检测的钢梁，以实现在线实时检测列车的目的。其具体方案如下：

一种单轨列车接触和非接触式在线检测的钢梁，包括基座以及固定在基座上方的钢梁体，所述钢梁体内设置有多个分别朝向前后两侧的水平轮磨损检测装置、水平轮压力检测装置、集电靴压力检测装置、集电靴磨损检测装置以及至少一个朝向上侧的走行轮磨损检测装置，所述水平轮压力检测装置以及集电靴压力检测装置从所述钢梁体的前后两侧相应一侧侧面内穿出，且所述钢梁体的前后两侧侧面以及上侧侧面上均设置有与相应的所述水平轮磨损检测装置、集电靴磨损检测装置以及走行轮磨损检测装置位置匹配的方孔。

优选地，还包括：所述基座上设置有与工控机通讯连接的信号箱体，所述信号箱体与水平轮压力检测装置和集电靴压力检测装置通讯连接，所述水平轮磨损检测装置、集电靴磨损检测装置以及走行轮磨损检测装置与所述工控机通讯连接。

优选地，还包括：所述集电靴压力检测装置包括与钢梁体内侧壁连接的后置板，所述后置板上固定连接有集电靴压力传感器，所述集电靴压力传感器远离后置板的一侧依次连接有前置板以及从所述钢梁体内穿出的集电靴压力绝缘子。

优选地，还包括：所述水平轮压力检测装置包括与钢梁体内侧壁连接的后置模块板，所述后置模块板上固定连接有水平轮压力传感器，所述水平轮压力传感器远离后置模块板的一侧依次连接有前置模块板，所述前置模块板与所述钢梁体相应一侧外侧面齐平。

优选地，还包括：所述水平轮磨损检测装置包括设置有供能装置的密封外壳体，所述外壳体的一侧设置有两个光学镜片，并在所述外壳体内设置有分别与相应的所述光学镜片匹配的面阵工业相机和一字线型激光器，所述面阵工业相机通过图像采集卡与工控机连接，所述激光器通过相应的所述光学镜片向测量物品横截面垂直投射一字线型激光，所述面阵工业相机通过相应的所述光学镜片拍摄激光光条图像。

优选地，还包括：所述供能装置包括向所述面阵工业相机和一字线型激光器供能的线束以及套接在线束上的密封护套，所述密封护套固定在外壳体上。

优选地，还包括：所述外壳体包括侧盖板，所述侧盖板与所述外壳体通过螺栓密封固定连接。

优选地，还包括：所述外壳体内设置有与所述面阵工业相机匹配的U型稳定支架，所述U型稳定支架的两端均设置有固定相应一端的固定边架。

优选地，还包括：所述固定边架设置有供所述U型稳定支架相应一端端部插入的插接固定槽，所述U型稳定支架的端部螺纹连接有与两个所述固定边架相向一侧抵接的固定螺栓。

通过以上方案可知，本申请提供了单轨列车接触和非接触式在线检测的钢梁，该检测系统具有以下有益效果：

1、通过结构光实现实时通过式的检测；

2、基于非接触式光电检测技术，水平轮磨损检测装置、集电靴磨损检测装置以及走行轮磨损检测装置均以光电检测技术为主导，在线实时测量，测量精度高，处理速度快；

3、提供综合有效的解决方案，对列车、线路各个设备健康状态的整体评估和检测；

4、对单轨胶轮列车上转向架上的众多检测项实时快速检测；

5、实现网络化、可视化、协同化和集成化管理；

6、降低人工检测成本和误差，提高检测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请公开的钢梁的结构示意图；

图2为本申请公开的钢梁去除钢梁体后的结构示意图；

图3为本申请公开的集电靴压力检测装置的结构示意图；

图4为本申请公开的水平轮压力检测装置的结构示意图；

图5为本申请公开的磨损检测装置的结构示意图；

图6为本申请公开的磨损检测装置的内部结构示意图；

图7为本申请公开的集电靴和水平轮的压力检测的流程框图。

1、基座；2、钢梁体；21、方孔；3、集电靴本体；4、信号箱体；5、简易绝缘子；101、水平轮磨损检测装置；201、水平轮压力检测装置；301、集电靴压力检测装置；401、集电靴磨损检测装置；501、走行轮磨损检测装置；601、后置板；602、前置板；603、集电靴压力绝缘子；604、集电靴压力传感器；710、外壳体；711、侧盖板；712、检测面板；713、光学镜片；714、密封支架；715、线束；716、密封护套；720、面阵工业相机；721、相机支架；730、滤波器；740、激光器；741、套接固定架；750、U型稳定支架；751、固定边架；752、插接固定槽；801、后置模块板；802、前置模块板；803、水平轮压力传感器。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，一种单轨列车接触和非接触式在线检测的钢梁，包括基座1以及固定在基座1上方的钢梁体2。单轨列车在该钢梁上行走并使得该钢梁对单轨列车的转向架上的众多检测项实时快速检测。

如图1、图2所示，钢梁体2内设置有多个分别朝向前后两侧的水平轮磨损检测装置101、水平轮压力检测装置201、集电靴压力检测装置301、集电靴磨损检测装置401以及至少一个朝向上侧的走行轮磨损检测装置501且位置与相应的轮胎和集电靴本体3匹配。在本实施例中，设置有四个水平轮磨损检测装置101，其中两个水平轮磨损检测装置101朝向钢梁体2前侧且另两个水平轮磨损检测装置101朝向钢梁体2后侧；设置有四个水平轮压力检测装置201，其中两个水平轮压力检测装置201朝向钢梁体2前侧且另两个水平轮压力检测装置201朝向钢梁体2后侧；设置有两个且分别朝向前后两侧的集电靴压力检测装置301和集电靴磨损检测装置401；以及设置有两个朝向上侧的走行轮磨损检测装置501。水平轮压力检测装置201以及集电靴压力检测装置301从钢梁体2的前后两侧相应一侧侧面内穿出，且所述钢梁体2的前后两侧侧面以及上侧侧面上均设置有与相应的所述水平轮磨损检测装置101、集电靴磨损检测装置401以及走行轮磨损检测装置501位置匹配的方孔21。需要说明的是，基座1上设置有与工控机通讯连接的信号箱体4。信号箱体4与水平轮压力检测装置201和集电靴压力检测装置301通讯连接，并在将相应的压力传感器的信号进行并联和放大后再传输到工控机。水平轮磨损检测装置101、集电靴磨损检测装置401以及走行轮磨损检测装置501与所述工控机通讯连接。

如图3所示，集电靴压力检测装置301包括与钢梁体2内侧壁连接的后置板601。后置板601上固定连接有集电靴压力传感器604。集电靴压力传感器604远离后置板601的一侧依次连接有前置板602以及从钢梁体2内穿出的集电靴压力绝缘子603。与此同时，为了提升集电靴本体3的压力检测精度，还在钢梁体2上还设置有多个简易绝缘子5(见图2)。

如图4所示，水平轮压力检测装置201包括与钢梁体2内侧壁连接的后置模块板801。后置模块板801上固定连接有水平轮压力传感器803。水平轮压力传感器803远离后置模块板801的一侧依次连接有前置模块板802。前置模块板802与钢梁体2相应一侧外侧面齐平。

如图1、图7所示，在信号箱体4内设置有用于水平轮压力检测的接线盒、放大器与采集器以及用于集电靴本体3压力检测的放大器与采集器，进而再通过信号箱体4将采集的水平轮压力检测值与集电靴压力检测值传送至工控机。需要说明的是，在水平轮压力检测模块中，接线盒并联连接多个水平轮压力传感器803，并通过用于接收模拟电压信号并放大模拟电压信号的放大器以及接收放大器输出的模拟电压信号的采集器将模拟电压信号转换成数字信号；在集电靴压力检测模块中，放大器接收模拟电压信号并放大模拟电压信号，进而再通过接收放大器输出的模拟电压信号的采集器将模拟电压信号转换成数字信号。

同时，在工控机进行水平轮压力检测以及集电靴压力检测时，通过采用电压标定部分以及系统软件计算部分完成检测与输出：

其中，电压标定部分包括如下步骤：

步骤1：计算设备量程40Xkg与数据采集电压40YV，分别计算压力对应的压力值，其中，X、Y均为大于0的常数且根据实验要求设定；

步骤2：系统上电，并在空载情况下控制电位器输出电压为0V；

步骤3：系统下电后重新上电，通过万用表检测输出电压是否为0V，若是则继续步骤3，否则重复步骤1；

步骤4：增加额定压力值Xkg并观察万用表输出电压是否为YV，若是，则完成相应标定并继续步骤7，否则继续步骤5；

步骤5：调整电位器并使电位器输出电压为YV，系统下电并撤去增加的额定压力值Xkg；

步骤6：系统重新上电，通过万用表检测输出电压是否为0V，若是则继续步骤4，否则继续步骤1-4；

步骤7：继续增加额定压力值aXkg，a为常量且大于1小于40；

步骤8：通过万用表检测输出电压是否为增加aYV，若是，则完成相应标定并继续步骤7，否则继续步骤6；

步骤9：施加标定的额定压力值并通过采集卡采集放大器输出的模拟电压信号，计算得出相应的重量通过工控机显示；

步骤10：根据灵敏度＝显示质量/采集电压计算灵敏度，当所有灵敏度一致则完成标定，若相应的标定额定压力值下的灵敏度不一致则重新标定。

系统软件计算部分包括如下步骤：

步骤1：放大器接收相应的压力传感器的模拟电压信号并放大模拟电压信号；

步骤2：采集卡采集接收放大器输出的模拟电压信号，并将模拟电压信号转换成数字信号；

步骤3：工控机接收采集卡输出数字信号并显示。

如图5所示，水平轮磨损检测装置101、集电靴磨损检测装置401以及走行轮磨损检测装置501均为磨损检测装置。该磨损检测装置包括设置有供能装置的密封外壳体710。外壳体710包括侧盖板711，且侧盖板711与外壳体710通过螺栓密封固定连接。因此，在对该检测设备进行检修维护时，通过拆除侧盖板711即可。与此同时，在外壳体710的一侧设置有两个检测面板712，每个检测面板712上均设置有光学镜片713，每个光学镜片713均通过相应的密封支架714固定在外壳体710上。需要提及的是，位于相应的水平轮磨损检测装置101、集电靴磨损检测装置401以及走行轮磨损检测装置501的两个检测面板712之间的夹角均根据具体固定位置与角度设定。

如图5、图6所示，外壳体710内设置有分别与相应的光学镜片713匹配的面阵工业相机720和一字线型激光器740。面阵工业相机720通过图像采集卡与工控机连接。激光器740通过相应的光学镜片713向测量物品横截面垂直投射一字线型激光；面阵工业相机720通过相应的光学镜片713拍摄激光光条图像。在外壳体710内还设置有滤波器730，起到滤除干扰噪声的作用。需要提及的是，在钢梁体2的顶端设置有与走行轮磨损检测装置501匹配的方孔21(见图1)；在钢梁体2的侧面设置有多个分别与相应的水平轮磨损检测装置101和集电靴磨损检测装置401匹配的方孔21，进而起到供一字线型激光从钢梁体2内穿出并供面阵工业相机720拍摄相应的激光光条图像的作用。

供能装置可以为线束715、电池等设备。在本实施例中，供能设备采用线束715，线束715的一端与面阵工业相机720、激光器740和滤波器730连接，另一端套接固定在外壳体710上的密封护套716并从外壳体710内穿出，以达到提升该检测装置密封性的目的。

如图6所示，外壳体710内设置有用于固定面阵工业相机720的相机支架721以及用于固定激光器740的套接固定架741，以起到提升面阵工业相机720与激光器740的固定稳定性的作用。与此同时，在外壳体710内还设置有与面阵工业相机720匹配的U型稳定支架750。U型稳定支架750的两端均设置有固定相应一端的固定边架751。固定边架751设置有供U型稳定支架750相应一端端部插入的插接固定槽752，并在U型稳定支架750的每个端部均螺纹连接有与固定边架751相向一侧抵接的固定螺栓。在使用时，面阵工业相机720伸长并插入U型稳定支架750内，达到进一步提升面阵工业相机720拍摄时的稳定性以及激光光条图像的拍摄精确度的目的。

需要提及的是，水平轮、集电靴以及走行轮的检测方法包括如下步骤：

步骤1：线束通电并向面阵工业相机与激光器同时供能；

步骤2：激光器通过相应的光学镜片向测量物品横截面垂直投射一字线型激光；

步骤3：面阵工业相机通过相应的光学镜片拍摄激光光条图像，通过图像采集卡采集拍摄的激光光条图像并向工控机传送；

步骤4：工控机采用steger算法提取每一帧的结构光条纹中心；

步骤5：采用模版匹配算法，即

其中，x(m)代表标准模板信号，k为信号的长度，y(n+m)代表选择的光条中心邻域信号的偏移量；

将测量物品表面花纹深度作为表征测量物品磨耗的物理量，通过比较中心花纹的深度变化与边缘花纹深度变化，得出测量物品的偏磨值。

需要说明的是，steger算法包括如下步骤：

步骤1：对图像进行一般性去噪以及逐点微分，并采用高斯核对图像进行卷积，即

g_x,σ(x,y)＝g_σ(y)g′_σ(x)

g_y,σ(x,y)＝g′_σ(y)g_σ(x)

g_xx,σ(x,y)＝g_σ(y)g″_σ(x)

g_xy,σ(x,y)＝g′_σ(y)g′_σ(x)

g_yy,σ(x,y)＝g″_σ(y)g_σ(x)

其中，g_σ(x)和g_σ(y)分别代表x轴和y轴的高斯分布，g′_σ(x)和g′_σ(y)代表一阶偏导，g″_σ(x)和g″_σ(y)代表二阶偏导，σ代表与线宽相关的标准差，且所述σ由下列公式计算获得：

其中，w为曲线的像素宽度；

步骤2：通过与相应的高斯核r_x，r_y，r_xx，r_xy，r_yy进行卷积运算，计算曲线的法向方向，即

r_x＝g_x,σ(x,y)*I(x,y)

r_y＝g_y,σ(x,y)*I(x,y)

r_xx＝g_xx,σ(x,y)*I(x,y)

r_xy＝g_xy,σ(x,y)*I(x,y)

r_yy＝g_yy,σ(x,y)*I(x,y)

其中，I(x,y)代表图像矩阵，g_x,σ、g_y,σ、g_xx,σ、g_xy,σ和g_yy,σ为步骤1得到的高斯核，r_x，r_y，r_xx，r_xy和r_yy为相应的卷积结果；

步骤3：通过Hessian矩阵，即

选取满足设定阀值的点计算特征向量和特征值，选取具有最大特征绝对值的特征向量作为曲线的法向方向；

步骤4：选组，满足上述方向导数特征点即为期望获取的结构光条纹中心。

通过该检测方法，将计算密集型卷积过程进行了并行化优化，改进了算法的计算效率，且相比原有的顺序执行流程，改进后的算法效率提升了大约20倍。同时，通过工控机的计算机显示图形界面提升清晰度，工控机读取分析数据，提高科学性和准确度，且方便后期检测系统的更新；实现检测数据的记录、存储、上传和分析处理。

本申请涉及的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (9)

1.一种单轨列车接触和非接触式在线检测的钢梁，其特征在于:包括基座(1)以及固定在基座(1)上方的钢梁体(2)，所述钢梁体(2)内设置有多个分别朝向前后两侧的水平轮磨损检测装置(101)、水平轮压力检测装置(201)、集电靴压力检测装置(301)、集电靴磨损检测装置(401)以及至少一个朝向上侧的走行轮磨损检测装置(501)，所述水平轮压力检测装置(201)以及集电靴压力检测装置(301)从所述钢梁体(2)的前后两侧相应一侧侧面内穿出，且所述钢梁体(2)的前后两侧侧面以及上侧侧面上均设置有与相应的所述水平轮磨损检测装置(101)、集电靴磨损检测装置(401)以及走行轮磨损检测装置(501)位置匹配的方孔(21)。

2.根据权利要求1所述的一种单轨列车接触和非接触式在线检测的钢梁，其特征在于：所述基座(1)上设置有与工控机通讯连接的信号箱体(4)，所述信号箱体(4)与水平轮压力检测装置(201)和集电靴压力检测装置(301)通讯连接，所述水平轮磨损检测装置(101)、集电靴磨损检测装置(401)以及走行轮磨损检测装置(501)与所述工控机通讯连接。

3.根据权利要求1所述的一种单轨列车接触和非接触式在线检测的钢梁，其特征在于：所述集电靴压力检测装置(301)包括与钢梁体(2)内侧壁连接的后置板(601)，所述后置板(601)上固定连接有集电靴压力传感器(604)，所述集电靴压力传感器(604)远离后置板(601)的一侧依次连接有前置板(602)以及从所述钢梁体(2)内穿出的集电靴压力绝缘子(603)。

4.根据权利要求1所述的一种单轨列车接触和非接触式在线检测的钢梁，其特征在于：所述水平轮压力检测装置(201)包括与钢梁体(2)内侧壁连接的后置模块板(801)，所述后置模块板(801)上固定连接有水平轮压力传感器(803)，所述水平轮压力传感器(803)远离后置模块板(801)的一侧依次连接有前置模块板(802)，所述前置模块板(802)与所述钢梁体(2)相应一侧外侧面齐平并用于用于接触压力。

5.根据权利要求1所述的一种单轨列车接触和非接触式在线检测的钢梁，其特征在于：所述水平轮磨损检测装置(101)包括设置有供能装置的密封外壳体(710)，所述外壳体(710)的一侧设置有两个光学镜片(713)，并在所述外壳体(710)内设置有分别与相应的所述光学镜片(713)匹配的面阵工业相机(720)和一字线型激光器(740)，所述面阵工业相机(720)通过图像采集卡与工控机连接，所述激光器(740)通过相应的所述光学镜片(713)向测量物品横截面垂直投射一字线型激光，所述面阵工业相机(720)通过相应的所述光学镜片(713)拍摄激光光条图像。

6.根据权利要求5所述的一种单轨列车接触和非接触式在线检测的钢梁，其特征在于：所述供能装置包括向所述面阵工业相机(720)和一字线型激光器(740)供能的线束(715)以及套接在线束(715)上的密封护套(716)，所述密封护套(716)固定在外壳体(710)上。

7.根据权利要求5所述的一种单轨列车接触和非接触式在线检测的钢梁，其特征在于：所述外壳体(710)包括侧盖板(711)，所述侧盖板(711)与所述外壳体(710)通过螺栓密封固定连接。

8.根据权利要求5所述的一种单轨列车接触和非接触式在线检测的钢梁，其特征在于：所述外壳体(710)内设置有与所述面阵工业相机(720)匹配的U型稳定支架(750)，所述U型稳定支架(750)的两端均设置有固定相应一端的固定边架(751)。

9.根据权利要求8所述的一种单轨列车接触和非接触式在线检测的钢梁，其特征在于：所述固定边架(751)设置有供所述U型稳定支架(750)相应一端端部插入的插接固定槽(752)，所述U型稳定支架(750)的端部螺纹连接有与两个所述固定边架(751)相向一侧抵接的固定螺栓。

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