一种轨道状态检测装置及其应用

1.本技术属于交通技术领域，特别是涉及一种轨道状态检测装置及其应用。


背景技术：

2.随着我国铁路事业的蓬勃发展，我国铁路里程不断增长，截至2021年底已突破15万公里。为了保障漫长的线路安全运营，需要定期开展铁路基础设施的养护维修，而轨道结构的养护维修直接决定运营的安全状态，其中轨道状态检测更是指导养修作业的关键。
3.目前我国主要通过综合检测车、轨道专业检测车、人工检测等方式开展轨道状态检测，获取的检测数据以轨道几何形位及车体力学响应为主，其中直接指导现场养护维修作业的是轨道几何形位数据。现场针对几何形位数据反应的病害特征，通过维修手段实现对轨道几何的整正，实现满足运营需要的目的。但是，引起几何形位出现病害特征的原因复杂，仅通过调整轨道几何无法从根本上消除引起几何不平顺的深层次病害；此外，由于车载检测设备所测数据为轮载作用下的动态几何形位状态，而现场作业时只能复测静态几何形位数据，导致部分病害维修缺失。
4.人工检测主要测量道床的支承刚度，通过拆开轨道扣件，消除钢轨和轨枕间的约束，利用钢丝绳与钢轨的绑定以及反力支架，以钢轨为支承点，通过液压千斤顶向反力架顶部施加荷载，并传递到轨枕，实现对道床的垂向激扰，同时测定道床垂向位移，从而获取道床的支承刚度。大型刚度加载车通过车载液压伺服作动装置向轨道施加垂、横向激振荷载，通过对轨道施加垂向荷载，利用非接触式位移传感器获取部件的位移响应从而检测轨道刚度。
5.综上，针对既有轨道状态评价缺乏道床力学指标、既有人工检测及大型刚度加载车等道床力学检测手段难以普及的现状，实现对轨道病害基于“几何+力学”的智能化深层检测、规避由于检测手段差异引起的维修缺失显得尤为必要。


技术实现要素：

6.1.要解决的技术问题
7.针对目前轨道状态评价缺乏道床力学检测指标；既有轨道垂向刚度状态的检测手段包括人工检测、大型刚度加载车等方法操作复杂、无法普及，且未能实现对轨道刚度分层检测的问题，本技术提供了一种轨道状态检测装置及其应用。
8.2.技术方案
9.为了达到上述的目的，本技术提供了一种轨道状态检测装置，包括走行机构、加载机构和智能识别机构，所述走行机构根据待检测点位到达检测位置，所述加载机构对检测点位的轨道施加荷载，所述智能识别机构对施加荷载的轨道进行分层检测，获得轨道分层刚度。
10.本技术提供的另一种实施方式为：所述加载机构设置于所述走行机构上，所述智能识别机构设置于所述走行机构上。
11.本技术提供的另一种实施方式为：所述走行机构包括走行车架，所述走行车架上设置有走行轮，所述走行车架上设置有通孔。
12.本技术提供的另一种实施方式为：所述走行车架包括平架，所述平架通过折叠轴与支架连接，所述支架为4个。
13.本技术提供的另一种实施方式为：所述加载机构包括反力架，所述反力架通过千斤顶与加载组件连接，所述千斤顶能够穿过所述通孔。
14.本技术提供的另一种实施方式为：所述反力架包括依次连接的反力钳夹、反力支架和反力平架，所述反力钳夹夹持于钢轨上，所述加载组件包括依次连接的第一加载轮、加载轮轴和第二加载轮，所述加载轮轴与所述反力平架通过所述千斤顶固定。
15.本技术提供的另一种实施方式为：所述反力支架与所述反力平架通过拼装接口连接。
16.本技术提供的另一种实施方式为：所述智能识别机构包括双目视觉传感器和三维结构光传感器，所述双目视觉传感器与轨道刚度分层识别算法模块连接，所述三维结构光传感器与所述轨道刚度分层识别算法模块连接，所述双目视觉传感器设置于所述平架上，所述三维结构光传感器设置于所述平架上。
17.本技术还提供一种对所述的轨道状态检测装置的应用，所述监测装置用于轨道整体垂向刚度检测、轨道扣件胶垫的垂向刚度检测和有砟轨道的道床垂向刚度检测。
18.本技术提供的另一种实施方式为：所述轨道整体垂向刚度检测包括有砟轨道的整体垂向刚度检测和无砟轨道的整体垂向刚度检测；所述轨道扣件胶垫的垂向刚度检测包括有砟轨道扣件胶垫的垂向刚度检测和无砟轨道扣件胶垫的垂向刚度检测。
19.3.有益效果
20.与现有技术相比，本技术提供的轨道状态检测装置的有益效果在于：
21.本技术提供的轨道状态检测装置，为一种便携式轨道垂向刚度智能分层检测小车。
22.本技术提供的轨道状态检测装置，结合轨道几何形位数据的轨道垂向刚度智能分层检测装置，用于在开展养护维修几何形位整正时对轨道整体、扣件、道床力学状态的检测，从而实现对轨道深层病害的检测；同时，在检测过程中引入加载作用，可以有效规避静态检测对动态不平顺的漏检、漏修。
23.本技术提供的轨道状态检测装置，通过简化结构，实现了可拆卸、便携式设计，满足了现场应用和推广需求。
24.本技术提供的轨道状态检测装置，检测设备操作简便，单人可操作完成，相比较人工检测可降低人工成本；相比较大型刚度加载车，本设备投入低，可以大面积应用推广。
25.本技术提供的轨道状态检测装置的应用，轨道状态检测装置为具有可分离、可拼装、可组合、可便携构造特点的小车，包括走行机构、加载机构、智能识别机构三个模块，主要用于有砟和无砟轨道的整体垂向刚度检测、有砟和无砟轨道扣件胶垫的垂向刚度检测、有砟轨道的道床垂向刚度检测。弥补当前养护维修轨道状态检测只测几何的不足。
附图说明
26.图1是本技术的轨道状态检测装置结构示意图；
27.图2是本技术的走行机构侧向示意图；
28.图3是本技术的走行机构俯视示意图；
29.图4是本技术的走行机构正视示意图；
30.图5是本技术的加载机构侧视示意图；
31.图6是本技术的加载机构俯视示意图；
32.图7是本技术的加载机构正视示意图；
33.图8是本技术的加载机构第二正视示意图；
34.图9是本技术的智能识别机构示意图；
35.图10是本技术的加载作用下有砟轨道变形示意图；
36.图11是本技术的加载作用下有砟轨道钢轨轨面变形示意图；
37.图12是本技术的加载作用下有砟轨道扣件胶垫变形示意图；
38.图13是本技术的加载作用下有砟轨道轨枕下沉示意图；
39.图14是本技术的加载作用下无砟轨道变形示意图；
40.图15是本技术的加载作用下无砟轨道钢轨轨面变形示意图；
41.图16是本技术的加载作用下无砟轨道扣件胶垫变形示意图；
42.图17是本技术的加载轮对走行功能示意图；
43.图18是本技术的反力钳夹走行功能示意图。
具体实施方式
44.在下文中，将参考附图对本技术的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本技术，并能够实施本技术。在不违背本技术原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
45.无论是人工还是基于大型加载车的轨道刚度检测，目前都未能实现普及应用。
46.(1)人工检测
47.人工检测需要拆除轨道扣件，一方面效率低下，耗费大量时间，一组轨枕区域支承刚度检测约需30分钟；另一方面，该方法会对轨道结构的稳定性造成影响，特别是无缝线路区域，扣件的拆除会对锁定轨温造成影响，由此对运营安全带来不利。因而目前的人工测试也主要应用在线路大中修时的部分点位检测，未能在日常养护维修过程中普及。
48.(2)大型刚度加载车
49.由于全路目前仅有1辆大型刚度加载车，该车主要用于线路的测试和调试，功能完备，但是较为复杂，不仅能对线路施加垂向荷载还能施加横向和激振荷载，加载范围大，因而造价高，检测费用高，无法广泛用于线路的日常检测。
50.目前的人工检测方法主要检测的是有砟道床支承刚度，对于扣件及无砟轨道部件则无法检测，无法对轨道整体及其他部件进行有效的检测。而刚度加载车也由于研制时间相对较早，在未能实现对轨道部件的刚度分层检测，仅能对轨道整体刚度检测。
51.参见图1～18，本技术提供一种轨道状态检测装置，包括走行机构、加载机构和智能识别机构，所述走行机构根据待检测点位到达检测位置，所述加载机构对检测点位的轨道施加荷载，所述智能识别机构对施加荷载的轨道进行分层检测，获得轨道分层刚度。
52.具体的，本技术的轨道状态检测装置为便携式轨道垂向刚度智能分层检测小车，小车分为走行机构、加载机构和智能识别机构。根据前期轨检几何数据确定待测点位，利用走行机构调整小车的以到达检测位置，通过加载机构实现对轨道结构的定点加载，结合智能识别机构实现基于力学加载和机器视觉的轨道刚度分层检测。小车采用分离式设计思路，通过拼装组合，满足便携、易组装的需求。基于上述功能，实现在养护维修前后对轨道刚度的分层检测，从而指导和评价养护维修。
53.走行机构为简易小型走行车架，主要为加载机构提供行进动力平台，为智能识别机构提供传感器搭载平台。加载机构为组装式加载装置，主要向轨道施加荷载，并利用传感器检测出轨道的静态响应，从而获取轨道分层刚度。智能识别机构为轨道刚度智能检测识别装置，主要利用装在走行机构平架下方的传感器，检测识别加载前后的钢轨、轨枕等部件的垂向位移，从而获取轨道分层刚度。通过对走行、加载、智能识别机构组装形成轨道状态检测装置。
54.通过搭建一款由三个模块拼装而成的检测小车，具备更好的便携性，能够在日常养护维修作业中携带使用；本装置检测无需拆除扣件，对线路扰动小；较低人工操作需求，小车具有较高的智能化程度。
55.进一步地，所述加载机构设置于所述走行机构上，所述智能识别机构设置于所述走行机构上。
56.进一步地，所述走行机构包括走行车架，所述总行车架上设置有走行轮，所述走行车架上设置有通孔8。这里的通孔8为千斤顶嵌入孔。
57.进一步地，所述走行车架包括平架5，所述平架5通过折叠轴6与支架9连接，所述支架9为4个。走行机构主要包括4个电动走行小轮7，1个走行车架，其中走行车架包括4根支架9和1个平架5，走行车架采用折叠式设计，4根支架9可弯折后满足便携需求。
58.进一步地，所述加载机构包括反力架，所述反力架通过千斤顶13与加载组件连接，所述千斤顶13能够穿过所述通孔8。
59.进一步地，所述反力架包括依次连接的反力钳夹10、反力支架15和反力平架12，所述反力钳夹10设置于钢轨1上，所述加载组件包括依次连接的第一加载轮14、加载轮轴16和第二加载轮14，所述加载轮轴16与所述反力平架12通过所述千斤顶13固定。
60.加载轮14的踏面可以加载轴线为中心发生转动，反力钳夹10也可分别以其夹钳中心轴发生转动，从而和走行机构运动相协调。
61.走行机构利用两对遥控蓄电电动力走行轮在钢轨上实现纵向移动。加载机构的电动千斤顶穿过走行机构通孔8，由走行机构为其提供纵向走行牵引动力。其中加载机构与轨道由加载轮对和反力夹钳10相互作用。
62.进一步地，所述反力支架15与所述反力平架12通过拼装接口11连接。主要包括1套反力架、1个加载轮对、1组电动加载千斤顶13。其中反力架包括4对反力钳夹10，4根反力支架15，1个反力平架12；加载轮对包括两个加载轮14和一个固定加载轴16，其中加载轮14可绕轴发生转动，加载轴16与反力平架12通过千斤顶13固定。
63.加载轮对具备转动自由度，在走行机构的牵引下，实现在钢轨表面的走行。具体的，加载轮对的轮轴与电动液压千斤顶13之间采用固定约束，第一加载轮踏面26、第二加载轮踏面26通过转动轴承28与加载轮轴27形成整体，加载轮对在走行机构牵引下，受到由千
斤顶13传递下来的纵向力，踏面26与轮轴17间相对转动，实现踏面26在钢轨上的连续走行。
64.单个反力钳夹10由一对反力夹头组成，通过螺栓29约束实现对钢轨轨头的夹持，同时夹头30与钢轨轨腰间预留一定游间，以便在纵向走行时避免夹头卡死；夹头30分为两个部分，包括圆形反力盘31和夹头主体32，圆形反力盘31与夹头主体32间同样可以发生相对转动，保障反力盘31在受到夹头主体32传递下来的纵向牵引力时能够与钢轨轨头下部及轨腰间能够合理接触，避免卡死。
65.本技术的轨道状态检测装置采用定点加载检测，即在加载时为静止状态，走行过程中为卸载状态，故加载机构在走行阶段主要受到走行阻力，不会受到由加载力作用而产生的额外阻力。
66.通过前述的走行过程，轨道状态检测装置能够结合线路轨检数据出现异常值准确走行至异常区段，并开展轨道刚度分层检测。
67.小车停稳后，走行机构将暂停工作。加载机构通过电动液压千斤顶13对加载轮对施加向下位移行程，对加载轮正下方钢轨施加垂向荷载。此时加载机构反力平架12与反力夹钳10同步产生协调位移，使得反力夹钳10产生向上位移，在钢轨轨头的约束下反力夹钳10受到向上钢轨轨头的向下作用力，从而实现加载机构的受力平衡。由于加载轮对和反力夹钳10间隔一定距离，相互影响可以通过数据处理过滤。此时走行机构处于相对静止状态，通过安装在其平架5下方的传感器可以准确测得轨道各部件的变形数值，结合加载力数值从而计算获得轨道整体及分层刚度。
68.进一步地，所述智能识别机构包括双目视觉传感器18和三维结构光传感器17，所述双目视觉传感器18与轨道刚度分层识别算法模块连接，所述三维结构光传感器17与所述轨道刚度分层识别算法模块连接，所述双目视觉传感器18设置于所述平架5上，所述三维结构光传感器17设置于所述平架5上。硬件上主要包括2组双目视觉传感器18、2组三维结构光传感器17，软件上主要包括1套轨道刚度分层识别算法，所述轨道刚度分层识别算法嵌入轨道刚度分层识别算法模块。三维结构光传感器17为三维结构光传感器。
69.本技术还提供一种对所述的轨道状态检测装置的应用，所述监测装置用于轨道整体垂向刚度检测、轨道扣件胶垫的垂向刚度检测和有砟轨道的道床垂向刚度检测。
70.进一步地，所述轨道整体垂向刚度检测包括有砟轨道的整体垂向刚度检测和无砟轨道的整体垂向刚度检测；所述轨道扣件胶垫的垂向刚度检测包括有砟轨道扣件胶垫的垂向刚度检测和无砟轨道扣件胶垫的垂向刚度检测。
71.参见图10～16，如图10所示，在加载轮14的荷载作用下，有砟轨道结构会发生变形，钢轨1的轨面会发生下沉，扣件胶垫19会发生压缩，轨枕3也会发生下沉。通过力/变形＝刚度的基本关系，结合加载力的大小，钢轨1轨面的下沉可以用来反映轨道整体垂向刚度、扣件胶垫压缩量可以来反映胶垫垂向刚度、轨枕下沉量可以来反映有砟道床的垂向刚度。图11中在加载轮14的作用下，钢轨1受到大小为f1的加载力，钢轨1顶面会发生向下挠曲，相比较无荷载作用下的钢轨1表面，左右两轨产生大小为δ1的平均垂向位移，此时的轨道整体刚度d
整体
＝f1/δ1。图12中在加载轮14的作用下，轨道会受到垂向荷载作用，钢轨1将加载轮14作用力传递到扣件2，扣件胶垫19将力进一步向下传递。其中单个扣件胶垫19受到f2的作用力，此时扣件胶垫19相较于无荷载作用时，产生了δ2的压缩变形，故扣件胶垫19垂向刚度d
胶垫
＝f2/δ2。图13中，在加载轮14的作用下，轨道会受到垂向荷载作用，钢轨1将加载轮
作用力传递到扣件，扣件胶垫19将力进一步向下传递到轨枕，由于轨枕3近似刚性体，因而轨枕3的垂向位移变化反映了道床在荷载作用下的刚度响应。此时轨枕3所受荷载为f3，轨枕3下沉量为δ3，道床垂向刚度d
道床
＝f3/δ3。图14中在加载轮14的荷载作用下，无砟轨道结构会发生变形，钢轨1的轨面会发生下沉，扣件胶垫19会发生压缩。通过力/变形＝刚度的基本关系，结合加载力的大小，钢轨1轨面的下沉可以用来反映轨道整体垂向刚度、扣件胶垫压缩量可以来反映胶垫垂向刚度。图15中在加载轮14的作用下，钢轨1受到大小为f1的加载力，钢轨1顶面会发生向下挠曲，相比较无荷载作用下的钢轨表面，左右两轨产生大小为δ1的平均垂向位移，此时的轨道整体刚度d
整体
＝f1/δ1。图16中在加载轮14的作用下，轨道会受到垂向荷载作用，钢轨1将加载轮作用力传递到扣件，扣件胶垫19将力进一步向下传递。其中单个扣件胶垫19受到f2的作用力，此时扣件胶垫19相较于无荷载作用时，产生了δ2的压缩变形，故扣件胶垫19垂向刚度d
胶垫
＝f2/δ2。其中f1通过电动液压千斤顶直接获取，f2、f3利用其与f1间的映射关系计算获取。
72.图2主要是从本技术的走行机构侧向观察，简单的介绍了其主要组成部件，以及相对于轨道结构的相对尺寸关系。走行轮7，为自带电力驱动；走行轮7和支架9构成的整体可以折叠轴6为轴心折叠。图3主要是本技术走行机构俯视观察，简单的描述了其主要结构形态，采用了尽可能减小重量和材料用量的方法。图4主要是本技术走行机构的正视观察，从结构上介绍了各部件的相对位置形态，和图2、3结合，立体化体现走行机构的形态结构。图6主要是本技术加载机构的俯视观察。4组反力钳夹10共同为千斤顶13提供反力，保持结构在加载过程中的平衡。图7和图8分别从反力钳夹10和加载轮14两个截面展示了加载机构的结构正视效果。其中反力钳夹10将钢轨1夹持，为千斤顶13提供位移反力，千斤顶13将作用力施加到加载轮轴16上，通过加载轮14实现对轨道的加载作用。图9主要示意了智能识别机构的两组传感器安装位置，分别位于走行机构平架下方，集合图像识别算法实现对轨道各部件的位移和形变检测。
73.尽管在上文中参考特定的实施例对本技术进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本技术公开的原理和范围内，可以针对本技术公开的配置和细节做出许多修改。本技术的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

技术特征：
1.一种轨道状态检测装置，其特征在于：包括走行机构、加载机构和智能识别机构，所述走行机构根据待检测点位到达检测位置，所述加载机构对检测点位的轨道施加荷载，所述智能识别机构对施加荷载的轨道进行分层检测，获得轨道分层刚度。2.如权利要求1所述的轨道状态检测装置，其特征在于：所述加载机构设置于所述走行机构上，所述智能识别机构设置于所述走行机构上。3.如权利要求1所述的轨道状态检测装置，其特征在于：所述走行机构包括走行车架，所述总行车架上设置有走行轮，所述走行车架上设置有通孔。4.如权利要求3所述的轨道状态检测装置，其特征在于：所述走行车架包括平架，所述平架通过折叠轴与支架连接，所述支架为4个。5.如权利要求3所述的轨道状态检测装置，其特征在于：所述加载机构包括反力架，所述反力架通过千斤顶与加载组件连接，所述千斤顶能够穿过所述通孔。6.如权利要求5所述的轨道状态检测装置，其特征在于：所述反力架包括依次连接的反力钳夹、反力支架和反力平架，所述反力钳夹设置于钢轨上，所述加载组件包括依次连接的第一加载轮、加载轮轴和第二加载轮，所述加载轮轴与所述反力平架通过所述千斤顶固定。7.如权利要求6所述的轨道状态检测装置，其特征在于：所述反力支架与所述反力平架通过拼装接口连接。8.如权利要求4所述的轨道状态检测装置，其特征在于：所述智能识别机构包括双目视觉传感器和三维结构光传感器，所述双目视觉传感器与轨道刚度分层识别算法模块连接，所述三维结构光传感器与所述轨道刚度分层识别算法模块连接，所述双目视觉传感器设置于所述平架上，所述三维结构光传感器设置于所述平架上。9.一种对权利要求1～8中任一项所述的轨道状态检测装置的应用，其特征在于：所述监测装置用于轨道整体垂向刚度检测、轨道扣件胶垫的垂向刚度检测和有砟轨道的道床垂向刚度检测。10.如权利要求9所述的轨道状态检测装置的应用，其特征在于：所述轨道整体垂向刚度检测包括有砟轨道的整体垂向刚度检测和无砟轨道的整体垂向刚度检测；所述轨道扣件胶垫的垂向刚度检测包括有砟轨道扣件胶垫的垂向刚度检测和无砟轨道扣件胶垫的垂向刚度检测。

技术总结
本申请属于交通技术领域，特别是涉及一种轨道状态检测装置及其应用。目前现场用于检测轨道垂向刚度状态的手段包括人工检测、大型刚度加载车等方法。对轨道刚度分层检测手段研究较少。本申请提供了一种轨道状态检测装置，包括走行机构、加载机构和智能识别机构，所述走行机构根据待检测点位到达检测位置，所述加载机构对检测点位的轨道施加荷载，所述智能识别机构对施加荷载的轨道进行分层检测，获得轨道分层刚度。通过简化结构，实现了可拆卸、便携式设计，满足了现场应用和推广需求。满足了现场应用和推广需求。满足了现场应用和推广需求。


技术研发人员：高亮 肖一雄 钟阳龙 苗帅杰 尹辉 陈志裴 石顺伟 肖宏 蔡小培 徐萌
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：2022.11.04
技术公布日：2023/1/31