CN117249760A - 高铁无砟轨道层间离缝高精度检测装置、方法及离缝定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高铁无砟轨道层间离缝高精度检测装置，包括车架和设于所述车架底部的平移模组以及设于所述平移模组内的离缝检测组件，所述平移模组用于带动所述离缝检测组件横向平移，所述离缝检测组件包括横向伸缩组件和可旋转设于所述横向伸缩组件端部的竖向伸缩组件，所述竖向伸缩组件的端部设有激光相机组件；本发明还公开了一种高铁无砟轨道层间离缝高精度检测方法和高铁无砟轨道层间离缝定位方法；本发明通过垂直离缝采集数据，以保证离缝检测精度。

Description

高铁无砟轨道层间离缝高精度检测装置、方法及离缝定位 方法

技术领域

本发明涉及高铁无砟轨道层间离缝高精度检测技术领域，特别是一种高铁无砟轨道层间离缝高精度检测装置、方法及离缝定位方法。

背景技术

中国高速铁路发展迅猛，截至2022年底，我国高速铁路运营里程已经突破4.2万公里，其中无砟轨道凭借高平顺、高稳定、少维修的结构特点成为是我国高速铁路轨道的主要结构形式。无砟轨道作为典型的层状结构，随着高速铁路列车速度提升、轴重提高、行车密度增大，及列车动荷载、温度荷载和水压力等复杂环境耦合影响下导致无砟道床质量状态不断恶化，出现离缝损伤。离缝致使无砟轨道的力学性能逐步恶化，随着服役时间的增加这些伤损如果不能及时被发现，往往很快发展成较大的损伤，会进一步削弱无砟道床的耐久性和使用寿命。为了保证线路的安全运营，需要对轨道状态进行全面细致的检测，这就需要精度更高、更先进、更快速的检测技术。

通常离缝检测车由采集设备和走行装置组成。为了适应不同轨道类型的离缝检测，市面上逐渐出现了一些离缝检测装置，其中以中国专利申请(CN 111776007A)公开的结构最具有代表性。该结构通过驱动液压杆展开装置，利用粗调机构调节倾角，之后利用微调结构调节激光器，来完成不同类型轨道离缝的采集。然而，该装置调节过程复杂，自动化程度不高；未适配轨道上移动的走行装置，缺乏对考虑快速通过岔区问题，检测效率低；类似装置只考虑横向调节激光器适用不同板宽，尚未进行竖向高度调节，导致在检测离缝过程中相机拍摄存在夹角，存在盲区，影响检测离缝的精度；缺乏线路上发生离缝损伤位置的定位。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种高铁无砟轨道层间离缝高精度检测装置、方法及离缝定位方法，本发明通过垂直离缝采集数据，以保证离缝检测精度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高铁无砟轨道层间离缝高精度检测装置，包括车架和设于所述车架底部的平移模组以及设于所述平移模组内的离缝检测组件，所述平移模组用于带动所述离缝检测组件横向平移，所述离缝检测组件包括横向伸缩组件和可旋转设于所述横向伸缩组件端部的竖向伸缩组件，所述竖向伸缩组件的端部设有激光相机组件。

作为本发明的进一步改进，所述横向伸缩组件包括伺服驱动电机和横向伸缩臂；所述伺服驱动电机由电机驱动器驱动，且伺服驱动电机的输出轴上设有滚珠丝杠组件，所述滚珠丝杠组件上连接有滑块平台，所述横向伸缩臂设于所述滑块平台上，丝杠组件用于驱动所述滑块平台在导轨组件上做平移运动，从而带动带动横向伸缩臂进行横向伸缩。

作为本发明的进一步改进，所述竖向伸缩组件包括竖向伸缩臂一和竖向伸缩臂二，所述竖向伸缩臂一的一端通过关节电机与所述横向伸缩臂的端部链接，竖向伸缩臂一的另一端与所述竖向伸缩臂二的一端连接，竖向伸缩臂二的另一端设置所述激光相机组件。

作为本发明的进一步改进，所述竖向伸缩臂一与关节电机之间通过旋转伸缩臂连接件进行连接，所述横向伸缩臂和关机电机之间通过横向伸缩臂连接件连接。

作为本发明的进一步改进，所述平移模组内还设有用于保护激光相机组件、关节电机的电源线和信号线的拖链。

作为本发明的进一步改进，所述车架上还设有驱动电机、轮对、底盘、照明灯、供电箱、座椅、扶手、车控显示器、机械臂安装位、电气柜、220V电源、桌子和图像显示器。

作为本发明的进一步改进，该检测装置还包括编码器组件，所述编码器组件包括编码器轮、编码器和编码器固定支架，所述编码器固定支架用于固定所述编码器，所述编码器轮用于检测装置移动时与钢轨接触。

本发明还提供一种高铁无砟轨道层间离缝高精度检测方法，采用如上所述的高铁无砟轨道层间离缝高精度检测装置，所述的检测方法包括：

激光束与被测物体表面法线的夹角为0°，反射光束AA'与法线的夹角为θ，与成像的夹角为φ，入射光点A与到成像光学透镜中心O之间的距离为l₁，相应成像点A'与光学成像中心点之间的成像距离为l₂；实际激光移动距离AB为y，成像平面光斑移动距离A'B'为x，过B和B'点分别向AA'做垂线，垂足分别为C和D，可得：

代入参数可得：

解之：

当成像透镜组的焦距f已知时，在理想成像条件下，根据高斯成像定理可知:

整理可得，离缝高度y与成像上的光斑移动的距离x之间的理论计算关系式为：

其中：

其中，M为平移模组移动距离和横向伸缩组件伸缩距离和，S是起点O到轨道板板端的距离，h为激光器与透镜中心距离高度差。

本发明还提供一种高铁无砟轨道层间离缝定位方法，采用如上所述的高铁无砟轨道层间离缝高精度检测方法对离缝进行检测，所述的定位方法包括：

编码器在编码器轮接触钢轨过程中，产生两组差分信号A、B，每组信号相位相差90度，另外编码器每转一周则输出一个完整周期的Z相脉冲信号；通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，即可以记录检测装置的走行方向，通过Z相脉冲校正A、B信号，进而通过脉冲个数计算检测车的走行绝对距离。

作为本发明的进一步改进，通过脉冲个数计算检测车的走行绝对距离具体如下：

输入起始里程以作为编码器零点位置，编码器固定在检测车车轮上，检测车走行时编码器和车轮为同轴共转，具体里程记录方法如下：

其中，S为离缝发生处相对于检测起点的里程，r_e为编码器半径，r_v为检测车车轮半径，n为Z向脉冲个数。

本发明的有益效果是：

为克服相机调节过程复杂，自动化程度不高的问题，本发明预先计算不同无砟轨道类型下激光相机位置，预先设定机械臂横向和竖向多级调节程度，并在检测过程中通过系统调节，达到一键适配板型的目的；为使得在检测过程中走行装置快速通过岔区，本发明通过将竖向伸缩臂一和竖向伸缩臂二通过关节电机在在采集姿态基础上逆时针旋转180°，通过岔区后相机组件在顺时针旋转到采集姿态；为避免离缝采集盲区，本发明通过垂直离缝采集数据，以保证离缝检测精度；通过编码器记录检测裂缝的位置。

附图说明

图1为本发明实施例中检测装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中离缝采集组件的结构示意图；

图3为本发明实施例中离缝采集组件工作采集姿态结构示意图；

图4为本发明实施例中离缝采集组件过岔姿态结构示意图；

图5为本发明实施例中采集组件特殊状况工作采集姿态结构示意图；

图6为本发明实施例中激光相机采集姿态位置关系示意图；

图7为本发明实施例中编码器组件结构示意图；

图8为本发明实施例中激光相机采集离缝轮廓原理图；

图9为本发明实施例中检测装置的电路信号关系图。

附图标记：

1、走行装置驱动电机，2、轮对，3、底盘，4、照明灯，5、供电箱，6、座椅，7、扶手，8、车控显示器，9、编码器组件，10、离缝采集组件，11、机械臂安装位，12、电气柜，13、220V电源，14、桌子，15、图像显示器，16、底座板，17、调整层，18、轨道板，19、扣件系统，20、钢轨，21、离缝，22、激光相机组件，23、竖向伸缩臂一，24、竖向伸缩臂二，25、横向伸缩臂，26、旋转伸缩臂连接件，27、横向伸缩臂连接件，28、关节电机，29、伺服驱动电机，30、电机驱动器，31、拖链，32、滚珠丝杠组件，33、导轨组件，34、滑块平台，35、平移模组，36、编码器轮，37、编码器，38、编码器固定支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

如图1-图7所示，一种铁无砟轨道层间离缝高精度检测装置，由走行装置驱动电机1、轮对2、底盘3、照明灯4、供电箱5、座椅6、扶手7、车控显示器8、编码器组件9、离缝采集组件10、机械臂安装位11、电气柜12、220V电源13、桌子14、图像显示器15、底座板16、调整层17、轨道板18、扣件系统19、钢轨20、离缝21、激光相机组件22、竖向伸缩臂一23、竖向伸缩臂二24、横向伸缩臂25、旋转伸缩臂连接件26、横向伸缩臂连接件27、关节电机28、伺服驱动电机29、电机驱动器30、拖链31、滚珠丝杠组件32、导轨组件33、滑块平台34、平移模组35、编码器轮36、编码器37、编码器固定支架38组成。

其中，走行装置驱动电机1为检测车提供动力，轮对2用于承载小车在钢轨上行走，底盘3用于承载上部配件，照明4灯用于检测车夜间照明，供电箱5用于存放电池以及供电系统，座椅6用于检测人员使用，扶手7用于检测人员使用，防止摔落，车控显示器8用于人机交互界操作，编码器组件9包含编码器轮36、编码器37、编码器固定支架38，离缝采集组件10用于采集离缝图像，机械臂安装位11用于安装平移模组35，电气柜12用于存放图像处理系统、车速控制系统、全车综合控制系统，220V电源13为移动电子设备供电、图像处理系统供电，桌子14用于放置桌面显示器，图像显示器15用于展示离缝图像，激光相机组件22用于拍摄离缝21，竖向伸缩臂一23用于调节激光相机组件22竖向高度，竖向伸缩臂二24用于调节激光相机组件22竖向高度，横向伸缩臂25用于调节激光相机组件22横向位置，旋转伸缩臂连接件26用于连接竖向伸缩臂二24和关节电机28，横向伸缩臂连接件27用于连接横向伸缩臂25和关节电机28，关节电机28用于驱动竖向伸缩臂一23和竖伸缩臂二24旋转，伺服驱动电机29使滚珠丝杠组件32和滑块平台34移动，电机驱动器30用于驱动伺服电机29，拖链31用于保护电源线和信号线，滚珠丝杠组件32带动滑块平台34移动，导轨组件33用于承载滑块平台34，滑块平台34用于连接导轨组件33和滚珠丝杠组件32以及横向伸缩臂25，平移模组35用于存放离缝采集组件10，编码器轮36用于接触钢轨，保证车运行时轮转动，编码器37记录里程信息，提供速度信号，提供相机触发信号，编码器固定支架38用于固定编码器37。

再如图3和图6所示，在进行离缝检测时，平移模组28向检车车外平移M1，电机驱动器30驱动伺服驱动电机29，带动滚珠丝杠组件32运动，使滑块平台34在导轨组件33上做平移运动，带动横向伸缩臂25平移M2，拖链31跟随运动保护激光相机组件22和关节电机28电源线和信号线。

关节电机28通过横向伸缩臂连接件27和旋转伸缩臂连接件26，连接横向伸缩臂25和竖向伸缩臂二24，关节电机28驱动激光相机组件22、竖向伸缩臂一23、竖向伸缩臂二24，顺时针旋转270°，竖向伸缩臂一23伸长N1，使得激光相机组件22达到预定采集位置，形成采集姿态，垂向采集离缝21。

再如图4所示，过道岔区时，关节电机28驱动激光相机组件22、竖向伸缩臂一23、竖向伸缩臂二24，在垂直采集姿态基础上，逆时针旋转180°，进行岔区避障。

再如图5所示，当调整层发生掉块时，关节电机28驱动激光相机组件22、竖向伸缩臂一23、竖向伸缩臂二24，在垂直采集姿态基础上，逆时针旋转任意角度，避开干扰物进行采集离缝21。

如图8所示，本实施例还提供一种高铁无砟轨道层间离缝高精度检测方法，包括：

激光束与被测物体表面法线的夹角为0°，反射光束AA'与法线的夹角为θ，与成像的夹角为入射光点A与到成像光学透镜中心O之间的距离为l₁，相应成像点A'与光学成像中心点之间的成像距离为l₂。实际激光移动距离AB为y，成像平面光斑移动距离A'B'为x，过B和B'点分别向AA'做垂线，垂足分别为C和D，可得：

如图8所示，其中：

代入参数可得：

解之：

当成像透镜组的焦距f已知时，在理想成像条件下，根据高斯成像定理可知:

整理可得，离缝高度y与成像上的光斑移动的距离x之间的理论计算关系式为：

激光相机组件搭建好后激光器和透镜高度差h，以及θ，l₁，l₂都是固定值，将激光相机组件通过35平移模组、25横向伸缩臂、23竖向伸缩臂一、24竖向伸缩臂二，相对O点的移动距离带入成像公式中可以得到

其中，M为35平移模组移动距离M₁、25横向伸缩臂伸缩距离M₂的和，S是起点O到轨道板板端的距离，h为激光器与透镜中心距离高度差，不同轨道板宽度不同，其S值也不同，因此需要调节参数M。

为保证离缝采集精度，保证激光相机垂直采集离缝，避免采集盲区，检测不同轨道板时，其竖向伸缩臂一伸缩距离N₁也会发生变化，竖向伸缩臂二长N₂。因此，为克服相机调节过程复杂，自动化程度不高的问题，本发明预先计算不同无砟轨道类型下激光相机位置，预先设定检测不同轨道类型时的平移模组35、横向伸缩臂25、竖向伸缩臂一23、竖向伸缩臂二调节距离24，并在检测过程中通过软件系统控制调节，达到一键适配板型的目的。

另外，将激光相机组件22横向上通过平移模组35移动距离M1、横向伸缩臂25伸缩距离M2两级调节，竖向通过竖向伸缩臂一23移动N1、竖向伸缩臂二24移动N2两级调节，是为了利用不同截面大小的伸缩臂调节距离增加整体的稳定性、和精确性。M1和N1是粗调激光相机的横向、竖向位置，M2、N2是精细化调节相机位置，目的是采集不同轨道板型的离缝时，相机采集高度不变，并且能够垂直对中采集离缝。

为实现线路上离缝21损伤位置的定位，本实施例采用编码器37进行离缝位置定位，编码器37在编码器轮36接触钢轨过程中，产生两组差分信号A、B，每组信号相位相差90度，另外编码器每转一周则输出一个完整周期的Z相脉冲信号。通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，即可以记录检测车的走行方向，通过Z相脉冲校正A、B信号，进而通过脉冲个数计算检测车的走行绝对距离。离缝实际检测任务中，需要输入起始里程以作为编码器零点位置，编码器固定在检测车车轮上，检测车走行时编码器和车轮为同轴共转，具体里程记录原理如下：

S-离缝发生处相对于检测起点的里程；

r_e-编码器半径；

r_v-检测车车轮半径；

n-Z向脉冲个数。

本实施例的电路信号关系如图9所示，编码器一方面提供激光相机组件触发信号进行采集，激光相机组件采集的图像通过图像处理单元进行处理，处理后进行存储并在图像显示器上进行显示。编码器另一方面提供车速的反馈信号，经车速控制系统处理后控制车辆速度。

图像处理单元和车速控制系统将信号传输到全车综合控制系统，全车综合控制系统将里程、电量、离缝等信息反馈给人机交互界面，检测人员将指令下发到全车控制系统，进而下发到车速控制系统和图像处理系统。同时，全车综合控制系统又控制供电系统，供电系统通过触发独立开关控制各个组件供电，供电系统也将电源信息反馈全车综合控制系统。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高铁无砟轨道层间离缝高精度检测装置，其特征在于，包括车架和设于所述车架底部的平移模组以及设于所述平移模组内的离缝检测组件，所述平移模组用于带动所述离缝检测组件横向平移，所述离缝检测组件包括横向伸缩组件和可旋转设于所述横向伸缩组件端部的竖向伸缩组件，所述竖向伸缩组件的端部设有激光相机组件。

2.根据权利要求1所述的高铁无砟轨道层间离缝高精度检测装置，其特征在于，所述横向伸缩组件包括伺服驱动电机和横向伸缩臂；所述伺服驱动电机由电机驱动器驱动，且伺服驱动电机的输出轴上设有滚珠丝杠组件，所述滚珠丝杠组件上连接有滑块平台，所述横向伸缩臂设于所述滑块平台上，丝杠组件用于驱动所述滑块平台在导轨组件上做平移运动，从而带动带动横向伸缩臂进行横向伸缩。

3.根据权利要求2所述的高铁无砟轨道层间离缝高精度检测装置，其特征在于，所述竖向伸缩组件包括竖向伸缩臂一和竖向伸缩臂二，所述竖向伸缩臂一的一端通过关节电机与所述横向伸缩臂的端部链接，竖向伸缩臂一的另一端与所述竖向伸缩臂二的一端连接，竖向伸缩臂二的另一端设置所述激光相机组件。

4.根据权利要求3所述的高铁无砟轨道层间离缝高精度检测装置，其特征在于，所述竖向伸缩臂一与关节电机之间通过旋转伸缩臂连接件进行连接，所述横向伸缩臂和关机电机之间通过横向伸缩臂连接件连接。

5.根据权利要求3所述的高铁无砟轨道层间离缝高精度检测装置，其特征在于，所述平移模组内还设有用于保护激光相机组件、关节电机的电源线和信号线的拖链。

6.根据权利要求1所述的高铁无砟轨道层间离缝高精度检测装置，其特征在于，所述车架上还设有驱动电机、轮对、底盘、照明灯、供电箱、座椅、扶手、车控显示器、机械臂安装位、电气柜、220V电源、桌子和图像显示器。

7.根据权利要求1-6任一项所述的高铁无砟轨道层间离缝高精度检测装置，其特征在于，该检测装置还包括编码器组件，所述编码器组件包括编码器轮、编码器和编码器固定支架，所述编码器固定支架用于固定所述编码器，所述编码器轮用于检测装置移动时与钢轨接触。

8.一种高铁无砟轨道层间离缝高精度检测方法，其特征在于，采用如权利要求7所述的高铁无砟轨道层间离缝高精度检测装置，所述的检测方法包括：

激光束与被测物体表面法线的夹角为0°，反射光束AA'与法线的夹角为θ，与成像的夹角为入射光点A与到成像光学透镜中心O之间的距离为l₁，相应成像点A'与光学成像中心点之间的成像距离为l₂；实际激光移动距离AB为y，成像平面光斑移动距离A'B'为x，过B和B'点分别向AA'做垂线，垂足分别为C和D，可得：

|BC|＝|ysinθ,|OA′|＝l₂，|OA|＝l₁，/>|AC|＝|y|cosθ

代入参数可得：

解之：

当成像透镜组的焦距f已知时，在理想成像条件下，根据高斯成像定理可知:

整理可得，离缝高度y与成像上的光斑移动的距离x之间的理论计算关系式为：

其中：

其中，M为平移模组移动距离和横向伸缩组件伸缩距离和，S是起点O到轨道板板端的距离，h为激光器与透镜中心距离高度差。

9.一种高铁无砟轨道层间离缝定位方法，其特征在于，采用如权利要求8所述的高铁无砟轨道层间离缝高精度检测方法对离缝进行检测，所述的定位方法包括：

编码器在编码器轮接触钢轨过程中，产生两组差分信号A、B，每组信号相位相差90度，另外编码器每转一周则输出一个完整周期的Z相脉冲信号；通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，即可以记录检测装置的走行方向，通过Z相脉冲校正A、B信号，进而通过脉冲个数计算检测车的走行绝对距离。

10.根据权利要求9所述的高铁无砟轨道层间离缝定位方法，其特征在于，通过脉冲个数计算检测车的走行绝对距离具体如下：

输入起始里程以作为编码器零点位置，编码器固定在检测车车轮上，检测车走行时编码器和车轮为同轴共转，具体里程记录方法如下：

其中，S为离缝发生处相对于检测起点的里程，r_e为编码器半径，r_v为检测车车轮半径，n为Z向脉冲个数。