一种用于轨道结构病害识别的移动装置

本发明涉及轨道检测，具体涉及一种用于轨道结构病害识别的移动装置。

背景技术：

1、在列车荷载的往复作用下，轨道结构容易出现多种不同的病害，对于轨道线路的养护维修和轨道检测的需求不断提高。现有的轨道检测包括现场人工巡检、基于激光技术或图像处理技术的检测、基于脉冲激励的病害识别检测等。其中基于脉冲激励的病害识别技术，是通过采集对轨道施加外界激励荷载作用下的振动噪声信号，根据响应的差异性来进行轨道病害的识别，该技术能够对轨道病害进行准确、及时的检测评估，较早的发现不良状态问题，捕捉轨道结构存在的隐患，有利于降低铁路线路在服役过程中突然发生脆性断裂的安全隐患，进而保障轨道交通的正常有序运行。

2、为了提高对铁路轨道的在线检测能力，本案申请人先期进行了系列研发，如：

3、cn112379004a公开了“一种用于轨道病害识别的移动加载装置”，该装置可在控制移动加载装置行进的同时，控制加载机构敲击钢轨施加激励来实现信号激发，进而采集振动加速度、声压、加载频率和加载力幅等数据，并根据响应的差异性来判断轨道病害。但是该装置存在如下技术缺陷：在加载力较大时稳定性不足；行进过程中容易出现无法精准控制加载落点；多头锤击式的机构旋转力臂小，加载力幅度难以调整；多个锤头产生的冲击信号彼此会相互干扰，且产生的冲击噪声信号也彼此干扰。

4、cn113834744 a公开了“一种轨道结构的脉冲激励加载机构”，该机构对装配式加载车轮进行切面处理，由旋转电机驱动整个装置沿着测试轨道前进，装配式加载车轮每旋转一周，压柱撞击钢轨一次，实现脉冲激励的加载。但是该装置存在如下技术缺陷：切面处理后的装配式加载车轮只能通过调节轮径来实现对锤击位置的控制，无法精确控制落点位置、无法保证精准加载在轨道扣件之间；其加载方式是通过切削圆盘式车轮对轨道冲击产生锤击激励，因此车轮在工作时需要克服的阻力会很大，进行检测工作时的稳定性不足，不适合长时间、长距离的检测。

5、此外，现有技术中也出现了直接冲击于钢轨的落轴激励、施加在车轴位置的落锤激励技术，但是这类技术目前仅适用于对轨道系统的减振评估，难以适用于对轨道的病害识别与定位；并且这类技术还需要在运行列车上进行加装，受车辆服役状态影响较大。

技术实现思路

1、本发明提供一种用于轨道结构病害识别的移动装置，以解决现有技术中对铁路轨道的在线检测时，加载落点难以精确控制、加载稳定性不足等问题，实现提高对加载落点的控制精度，同时提高加载稳定性的目的。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种用于轨道结构病害识别的移动装置，包括支撑骨架，还包括与所述支撑骨架相连的加载组件、行走组件和控制系统，以及用于采集被识别轨道反馈的响应信息的数据采集系统；

4、所述加载组件包括用于在被识别轨道顶面滚动的敲击轮、用于向所述敲击轮向下施加激励荷载的锤击机构；

5、所述行走组件包括位于敲击轮前后两端的行走轮，所述行走轮用于在被识别轨道顶面滚动；

6、所述控制系统包括用于监测任一行走轮行走里程的里程监测模块、用于驱动锤击机构动作的控制模块，所述里程监测模块与所述控制模块信号连接。

7、针对现有技术中对铁路轨道的在线检测时，加载落点难以精确控制、加载稳定性不足等问题，本发明提出一种用于轨道结构病害识别的移动装置，本装置中，支撑骨架作为整个移动装置的主体骨架，在其上设置有加载组件、行走组件、控制系统和数据采集系统。其中，加载组件通过敲击轮与被识别的轨道顶部接触，由锤击机构敲击轮施加激励荷载，通过敲击轮将激励荷载传递至下方的轨道上；同时敲击轮可随着移动装置的移动进行滚动。整个移动装置通过行走组件实现沿铁路轨道的移动，行走组件中的行走轮在敲击轮的前后两端至少各有一个，行走轮同样在被识别轨道顶面滚动；其中敲击轮的前后两端，是指在轨道的延伸方向，以移动装置的前进方向为前、后退方向为后。本技术的控制系统包括里程监测模块、控制模块，通过里程监测模块监测任一行走轮的行走里程，进而确定整个移动装置在轨道上的移动里程，控制模块根据该移动里程，来控制锤击机构动作。

8、本技术工作时，在控制模块内提前预设好锤击的距离间隔，由人力或其它外力推动移动装置在被识别的轨道上前进，里程监测模块实时监测行走里程，每当前进一个预设的距离间隔时，控制模块则驱动锤击机构动作一次，向轨道施加一次冲击荷载激励，并通过数据采集系统采集所需的数据信号，以此为依据判断并识别当前轨道段是否具有相应病害。因此，本技术通过采集施加外界激励荷载作用下轨道的相关响应信号，再结合已有的数据分析程序，即可通过响应的差异性来进行轨道病害的识别，能够及时、准确的对轨道病害做出评估，尽早发现轨道结构存在的隐患和线路中的不良状态问题，可解决人工检测标准不一且依赖于人工经验、激光技术和图像处理技术对环境要求高等问题。能够实现对轨道结构不同病害的识别和分类。

9、本技术相较于现有技术而言：(1)可在行走过程中自动实现在指定位置的精确加载，确保加载位置为设定需要识别的位置，并可实现对不同扣件间距的设置，可以精准控制加载组件的落点位置；如以对轨道扣件的识别为例，只需保证初始加载位置在某扣件正上方，通过将扣件间距提前预设在控制模块内，则可保证之后每次加载都在扣件正上方或者附近，使采集到的信息更能准确反应出扣件的状态；(2)由外力推动行走，无需在装置内部设置用于行走的电机等动力源，可减少装置内部的电机等动力源的振动和噪声干扰，提高识别准确性；并且通过里程监测模块和控制模块的配合，可在保证加载落点精确的同时，避免外力推动装置前进时由于推行速度不稳定而带来的干扰，工作人员即使忽快忽慢的推动装置前进，也能够确保加载位置的准确，显著提高了对铁路轨道在线检测识别的可操作性；(3)加载部件有且仅有敲击轮，因此对轨道的冲击信号、冲击噪声等不会出现相互干扰的情况，提高了在加载力较大时的病害识别稳定性；(4)使用敲击轮自顶部向轨道直接加载，同时敲击轮可辅助装置在轨道顶部移动，相较于现有技术采用切削式圆盘加载的方式而言，可显著降低在轨道上的运行阻力，使得装置运行更加平稳，进而有利于实现长时间、长距离的检测识别工作。

10、进一步的，所述锤击机构包括固定在支撑骨架上的安装板、穿过所述安装板的被敲击轴、连接在被敲击轴下方的传力轮、位于被敲击轴上方的敲击锤、用于驱动所述敲击锤敲击所述被敲击轴顶端的动力机构，所述动力机构连接在安装板上，所述传力轮与所述敲击轮的顶端接触。

11、本方案中，当控制模块驱动锤击机构动作时，由动力机构驱动敲击锤，使敲击锤敲击被敲击轴顶端，再将该激励依次传递至传力轮、敲击轮，从而实现对下方轨道的脉冲激励的加载。其中传力轮与敲击轮呈接触状态，即是两者可发生相对转动，进而在保证激励荷载有效传递的同时，确保敲击轮在轨道顶部的正常滚动，避免传力轮干涉敲击轮的正常滚动行走。此外，通过敲击锤锤击的方式施加激励，能够保证背景噪声低，降低对轨道反馈的响应信息的干扰。

12、进一步的，还包括用于安装所述敲击轮的下轮座、与所述被敲击轴和下轮座均固定连接的安装座，所述安装座通过若干连接件悬挂在安装板下方，所述安装座的悬挂高度可调。

13、现有技术中，冲击激励在向下方轨道传递的过程中，容易同步传递至在线检测装置本体上，进而导致各类传感器的背景噪音较大、且彼此间相互干扰，严重影响了检测识别的准确性。而本方案中，通过若干连接件将安装座悬挂在安装板下方，进而实现了对下轮座、敲击轮、被敲击轴和安装座的共同悬挂，此种连接方式具有极好的隔振效果，能够大幅度降低冲击激励传递至支撑骨架本体上，进而有效克服了数据采集系统中各类传感器的背景噪音大且彼此间相互干扰的问题。

14、此外，本方案中安装座的悬挂高度可调，即是使得敲击轮的高度可调，以此确保敲击轮的底端能够与两侧的行走轮等高，保证敲击轮能够在被识别轨道顶面滚动，提高本技术对不同高度轨道的适用性。其中，对安装座悬挂高度的具体调节方式在此不做限定，本领域技术人员能够实现的任意高度调节方式均可适用；如根据需要调节各连接件的长度、调节被敲击轴的长度甚至调节下轮座的纵向高度等。此外，安装座与被敲击轴、下轮座可通过任意方式实现固定连接，优选的为可拆卸的固定连接方式。

15、进一步的，还包括用于安装所述传力轮的上轮座、套设在被敲击轴外的第一弹性件；所述上轮座连接在被敲击轴的底端，所述第一弹性件位于上轮座与安装座之间。

16、本方案通过第一弹性件的预紧力为上轮座始终提供向下的推力，进而使得传力轮、敲击轮均始终受到向下的推力，保证敲击轮始终紧贴在被识别轨道的顶部，确保激励荷载能够有效传递至下方轨道上。其中，第一弹性件的顶端通过安装座实现定位。

17、进一步的，所述动力机构包括凸轮、用于驱动所述凸轮转动的电机、活动抵接在所述凸轮上的转动杆、与所述转动杆转动配合的固定杆；所述敲击锤安装在转动杆上，所述固定杆固定连接在安装板上；所述电机与所述控制模块信号连接。

18、本方案在常态下，由凸轮将转动杆顶起、使敲击锤不与被敲击轴接触；当控制模块驱动锤击机构动作时，电机启动，带动凸轮转动，使转动杆绕固定杆向下转动，带动转动杆上的敲击锤向下转动，直至敲击在被敲击轴顶端。本方案可通过更换不同质量的敲击锤来调节锤击激励的大小，也可通过改变凸轮形状进而调节力臂长度，以此控制锤击激励的大小；可以保证加载力幅值和脉冲特性稳定，确保加载机构的性能稳定，使结构轻量化，易于现场调节和操作。

19、其中，控制模块每驱动锤击机构动作一次，电机的输出端则转动360°，即带动凸轮转动一圈。

20、进一步的，还包括第二弹性件，以及位于安装板下方的定位件；所述第二弹性件的两端分别与转动杆、定位件可拆卸连接。

21、在某些现有技术中，完全依靠加载部件的重力提供荷载，若要获得较大的激励荷载，需要使加载部件具有较大的自重，这无疑会增大装置的整理质量与体积，变相导致结构复杂度和材料要求都更为严苛；同时，现有技术在加载力较大时的性能稳定性会受到影响，甚至会干扰加载位置的精准度。为了克服上述问题，本方案特设置第二弹性件，第二弹性件的顶端与转动杆相连、底端与定位件相连，因此通过第二弹性件的预紧力，可为转动杆始终提供向下的拉力，在凸轮转动解除对转动杆的限位时，该拉力能够瞬间释放、进而为转动杆和敲击锤提供更大的动量，以此实现在不增大装置自重的前提下获得较大激励荷载的效果。

22、此外，本方案中第二弹性件的两端均可拆卸连接，因此可通过更换不同刚度的第二弹性件提供不同大小的预紧力，显著提高了本技术的使用灵活性、拓宽了适用范围。并且，当第二弹性件的预紧力足够大时，本方案中的锤击荷载主要由第二弹性件提供、重力只起辅助作用，在此工况下可更加保证加载组件的结构和性能稳定，确保在长距离、长时间工作时，加载力的幅度和脉冲特性均具有极好的稳定性。

23、本方案中的定位件位于安装板下方，只需保证与安装板保持相对固定、且能够使第二弹性件始终为转动杆提供向下拉力即可，其具体连接位置在此不做限定，如连接在安装板底部、连接在安装座上、甚至连接在下轮座上等均可。

24、进一步的，还包括与所述凸轮同轴且固定连接的触发片、与所述触发片相匹配的感应装置，所述感应装置用于感应所述触发片的转动方位，所述感应装置与所述控制模块信号连接。

25、本技术中，虽然有里程监测模块监测行走里程并控制锤击机构动作，但是这并不能保证凸轮在每次在开始工作时的初始位置、以及在每次转动后都能够回到将转动杆顶升至最高位置的理想初始状态，一旦凸轮的初始位置误差较大或复位不稳定，则不利于保证加载力的幅度和脉冲特性的稳定性。为了克服这一问题，本方案还设置有触发片与感应装置，触发片会随凸轮的转轴同轴转动，由感应装置识别触发片的转动方位，进而即可判断凸轮当前处于何种朝向。

26、在本技术每次开始工作时、以及锤击机构每进行一次锤击后，均由感应装置识别触发片的转动方位，并将识别结果传输至控制模块，由控制模块判断凸轮当前是否复位至初始状态，若发现凸轮朝向具有偏差，即可由控制模块控制电机启动，进而在本技术的移动工作过程中实时修正凸轮朝向，更加确保在长距离、长时间工作时加载力的幅度和脉冲特性的稳定。

27、其中，触发片的具体形状、以及感应装置对触发片当前转动方位的具体识别方式在此不做限定，任何能够实现所需的方位判断的感应技术均可适用于本技术，如通过红外、激光等光电方式实现感应，或通过压力、磁力等力学方式实现感应。

28、进一步的，所述行走组件还包括位于支撑骨架底部且向内成对分布的若干辅助轮、位于支撑骨架下方的若干万向轮；所述辅助轮用于在被识别轨道侧面滚动。

29、本方案的辅助轮两两相对，且在支撑骨架底部向内分布；在本技术工作时，两侧的辅助轮分别与被识别轨道的两侧侧面接触，进而显著提高装置移动过程中的稳定性，更加有利于完成长时间、长距离的检测识别任务。此外，在运送本技术的移动装置时通过万向轮方便转运。

30、进一步的，所述控制系统还包括与所述控制模块信号连接的人机交互模块。本方案可通过人机交互模块实现工作人员与控制模块之间的信息交互，如设置所需的加载间距、观察控制系统和数据采集系统的工作状态、实时读取所采集的数据信息等。其中，如控制按钮/按键、显示器、信号指示灯、触屏设备甚至与智能手机相匹配的app等现有人机交互技术均可适用。

31、进一步的，所述数据采集系统包括用于监测锤击机构的锤击力的第一传感器、用于监测敲击轮与被识别轨道的轮轨噪声的第二传感器、用于监测敲击轮的振动加速度的第三传感器、用于监测支撑骨架的振动加速度的第四传感器，以及用于存储所采集的响应信息的数据采集模块。

32、其中，各传感器的具体安装位置及产品型号等在此不做限定，本领域技术人员可根据实际工况进行适应性的选型和安装。此外，数据采集模块可对数据采集系统采集的响应信息进行本地存储，便于在当次作业完成后，将数据导出到本地计算机进行后续的离线分析。当然，数据采集模块也可通过无线传输方式实时将采集的数据在线传输至后台计算机或云端。

33、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

34、1、本发明可在行走过程中自动实现在指定位置的精确加载，并可根据不同扣件间距精准控制锤击落点，使采集到的信息更能准确反应出轨道病害状态。

35、2、本发明由外力推动行走，无需在装置内部设置用于行走的电机等动力源，可减少装置内部的电机等动力源的振动和噪声干扰，提高识别准确性；并在保证加载落点精确的同时，避免外力推动前进时推行速度不稳定而带来的干扰，确保加载位置的准确，显著提高了对铁路轨道在线检测识别的可操作性。

36、3、本发明通过敲击轮作为直接的加载部件，对轨道的冲击信号、冲击噪声等不会出现相互干扰的情况，提高了在加载力较大时的病害识别稳定性。

37、4、本发明的敲击轮可辅助整个装置在轨道顶部移动，相较于现有技术采用切削式圆盘加载的方式而言，可显著降低在轨道上的运行阻力，使得装置运行更加平稳，进而有利于实现长时间、长距离的检测识别工作。

38、5、本发明通过若干连接件将安装座悬挂在安装板下方，进而实现了对下轮座、敲击轮、被敲击轴和安装座的共同悬挂，通过悬挂实现了极好的隔振效果，能够大幅度降低冲击激励传递至支撑骨架本体上，进而有效克服了数据采集系统中各类传感器的背景噪音大且彼此间相互干扰的问题。

39、6、本发明可通过更换不同质量的敲击锤来调节锤击激励的大小，也可通过改变凸轮形状进而调节力臂长度，以此控制锤击激励的大小；可以提高加载力幅值和脉冲特性稳定，确保加载机构的性能稳定，使结构轻量化，易于现场调节和操作。

40、7、本发明通过第二弹性件实现在不增大装置自重的前提下获得较大激励荷载的效果；通过更换不同刚度的第二弹性件提供不同大小的预紧力，可显著提高了本技术的使用灵活性、拓宽了适用范围；同时第二弹性件更加保证了加载组件的结构和性能稳定，确保在长距离、长时间工作时，加载力的幅度和脉冲特性均具有极好的稳定性。

41、8、本发明具有运行平稳且行走阻力小的特点，有利于降低人力消耗，便于长时间、长距离的轨道病害识别作业。