一种捣固作业效果实时评估系统

1.本技术涉及轨道捣固作业技术领域，尤其涉及一种捣固作业效果实时评估系统。


背景技术：

2.有砟道床一般由散体碎石道砟堆积组成，起到传递荷载、保持轨道结构平顺性和稳定性的作用。然而，在列车荷载的作用下道砟颗粒会磨耗破碎，进而引起道床弹性降低、不均匀沉降等表观病害，降低有砟轨道的使用寿命。
3.为保持有砟道床良好的服役性能，目前，一般采用大型养路机械进行养护维修，包括清筛、捣固、稳定和配砟整形等一系列作业，其中，捣固是最常见、最重要的一项作业方式。然而，由于现有大机作业的捣固智能化程度不高，只能按照预先设定的作业模式进行捣固，整条线路甚至多条线路的捣固方式单一，无法根据道床实际状态“对症下药”，这就导致捣固后线路开通运营不久即出现线路多处的轨道质量指数tqi超出限值，不得不封闭线路对线路再次捣固，大大降低了线路的运营效率。
4.另外，现有技术一般基于轨道质量指数对捣固作业质量进行评价，或综合考虑捣固作业成本对捣固时机进行决策，但是这两种本质上都是对捣固作业效果的后评估，即捣固作业完成后以线路的状态和列车的运营效果为标准进行评估，并且以此指导下一次的大机捣固作业。
5.基于上述不足，非常有必要对大机捣固作业效果进行实时评估，及时发现道床状态，并随之调整捣固模式，为实现大机智能化养护维修奠定基础。


技术实现要素：

6.本技术的实施例提供一种捣固作业效果实时评估系统，通过在捣固装置上新增磁致位移传感器，从而实现在捣镐夹持过程中对大机捣固作业效果进行实时评估，节省了评估时间的同时提高了评估精度和效率，并且能够根据评估效果实时指导大机后续的作业方式和时机。
7.为达到上述目的，本技术的实施例提供了一种捣固作业效果实时评估系统，包括：并排设置的两组捣固装置，所述捣固装置包括两对呈双侧布置的捣固组件，所述捣固组件包括两个夹持油缸、一对镐臂和两对捣镐，两个所述夹持油缸能够驱动对应的两对所述捣镐完成夹持动作；设置在所述夹持油缸上的磁致伸缩位移传感器，所述磁致伸缩位移传感器能够检测所述夹持油缸的伸缩位移；数据处理单元，与所述磁致伸缩位移传感器电连接，所述数据处理单元能够接收所述夹持油缸的伸缩位移并根据所述夹持油缸的伸缩位移计算所述捣镐的夹持位移；控制单元，与所述数据处理单元电连接，所述控制单元能够将所述捣镐的夹持位移与预设值进行比较并输出评估结果。
8.进一步地，所述磁致伸缩位移传感器的一端连接在所述夹持油缸的活塞杆上，另一端连接在所述夹持油缸的缸筒上。
9.进一步地，所述磁致伸缩位移传感器的两端均通过球窝头连接在所述夹持油缸的
活塞杆和缸筒上。
10.进一步地，所述磁致伸缩位移传感器包括测杆、电子仓和套在测杆上的非接触磁环。
11.进一步地，所述数据处理单元和所述控制单元均集成在捣固车上。
12.进一步地，所述预设值包括第一预设值和第二预设值，所述第一预设值大于所述第二预设值；所述控制单元能够在所述捣镐的夹持位移大于所述第一预设值时，记录位置信息、输出补砟信号；并在所述捣镐的夹持位移小于所述第一预设值且大于所述第二预设值时，输出再次捣固的信号。
13.进一步地，所述控制单元还能够实时监测所述捣镐的夹持位移，并在所述捣镐的夹持位移不变或逐渐变大时，记录位置信息并输出补砟信号。
14.进一步地，所述镐臂为“h”形，所述镐臂的上端连接所述夹持油缸，所述镐臂的下端分别连接一个捣镐。
15.进一步地，所述夹持油缸通过偏心轴连接在捣固车上。
16.进一步地，还包括机架，所述镐臂铰接在所述机架上。
17.本技术相比现有技术具有以下有益效果：
18.1、本技术通过在捣固装置上新增磁致位移传感器，实现在捣镐夹持过程中对大机捣固作业效果进行实时评估，节省了评估时间的同时提高了评估精度和效率，并且能够根据评估效果实时指导大机后续的作业方式和时机。
19.2、本技术从大机作业的过程中对每一处的捣固作业效果进行合理评估，具有实时性、同步性和指导性。
20.3、本技术“边捣固边评估”的方式大大提高了评估效率，线路运营周期得以延长，减少多次维修带来的高成本和高消耗。
21.4、本技术大机作业的智能化程度提高，数据得到有效利用，实现了高度集成化。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本技术实施例捣固作业效果实时评估系统的主视图；
24.图2为本技术实施例捣固作业效果实时评估系统的侧视图；
25.图3为本技术实施例捣固作业效果实时评估系统中磁致位移传感器的安装示意图1；
26.图4为本技术实施例捣固作业效果实时评估系统中磁致位移传感器的安装示意图2；
27.图5为本技术实施例捣固作业效果实时评估系统中磁致位移传感器的结构示意图；
28.图6为本技术实施例捣固作业效果实时评估系统中磁致位移传感器的工作波形图；
29.图7为本技术实施例捣固作业效果实时评估系统中捣固装置的连杆结构简图；
30.图8为本技术实施例捣固作业效果实时评估系统中一个捣镐的连杆结构示意图；
31.图9为本技术实施例捣固作业效果实时评估系统对一根轨枕工作的捣镐夹持运动原理图。
具体实施方式
32.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
33.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
34.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
35.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
36.大机作业效果与道床力学质量状态密切相关，评估大机作业效果既可以获取当前道床的力学质量状态，又可以以此为依据对下一步的大机作业模式进行正确决策，实现智能化养护维修。目前我国对大型捣固机械的作业质量动态评估仅规定了时间的限制，即大型捣固机械作业后15天内，利用轨检车进行动态检查评定，线路捣固计划制定与捣固质量评价主要以轨道质量指数tqi为依据，此外还综合考虑了捣固作业成本。
37.大机捣固作业的特点为：高低、三角坑、水平各单项的标准差在捣固后的质量均有改善。相关学者提出捣固指数的概念来评价垂向的捣固作业水平，捣固指数定义为左高低、右高低、水平和三角坑各自200m区段的标准差之和，为轨道质量指数的一部分，对作业控制有更强的针对性。在管理值一定的情况下，捣固的质量决定了线路垂向不平顺的保持时间。如果捣固质量较高，捣固后的捣固指数处于较低的水平，则线路需要维修的时间就会延长，经济效益就会提高。
38.在大机捣固作业效果评估中大多以tqi作为标准，相关学者提出以捣固作业后的tqi表征列车运行品质，以捣固周期简介衡量捣固作业成本，综合考虑列车运行品质和捣固作业成本两方面因素评价捣固作业效果，以及对捣固作业时机进行决策。综合评价指数α定义为捣固后列车运行品质与捣固作业成本的比值，作为最佳捣固时机的评价指标。α越大时，表示捣固后的列车运行品质越高，并且捣固成本越低，此时最适合进行捣固作业。
39.现有评估手段均是从轨道运营状态的角度分析捣固作业的效果和时机决策，往往是等到发现问题后再进行捣固，两次捣固之间的时间仅与轨道质量指数tqi相关联，本次的
捣固作业与下一次的捣固作业没有相关性。一般根据道床劣化的时间评估捣固作业的效果，无法做到实时评估。
40.另外，现有的大机捣固作业效果评估方法均是后评估，即捣固作业完成后根据线路的实际运营状态进行评估，而忽略了大机捣固作业过程中道床力学质量状态的变化过程，因此捣固作业完成后线路良好状态的保持时间没有得到重视。许多线路在大机捣固完成后刚开通运营不久，就出现了多处超限的问题，不得不利用大机再次进行捣固，进而线路运营时间大大缩短，同时又要安排大机作业组织，维修成本随之增加。
41.最后，虽然我国大部分线路已经实现了使用大型养路机械进行养护维修，与过去的人力、小型机械相比效率大大增加，但目前大机作业的智能化程度偏低，比如作业模式只能预先设定，整个过程比较单一，无法根据线路状态及时调整，即不能较好地实现“状态修”。实际作业过程中不同的线路、甚至同一条线路的不同位置，道床力学质量状态不尽相同。若在大机捣固作业过程中不对作业效果进行评估，只是按照固定的模式运行，则不能很好地发挥大机捣固的效果。
42.为了解决上述技术问题，本技术的实施例提供了一种捣固作业效果实时评估系统，基于现有的大型养路机械中的捣固车，通过加装设备的方式对现有装置进行全面升级，主要是在捣固车上加装设备。现有的大机捣固系统有两套捣固装置，每套捣固装置有16个捣镐，即共32个捣镐，其中两两一组，共同被一个夹持油缸驱动，因此有16个夹持油缸。捣固系统的加装设备包括16个磁致位移传感器，分别安装在每组捣镐的夹持油缸上(16组共16个)。
43.具体的，参照图1和图2，本技术实施例捣固作业效果实时评估系统包括机架5和并排连接在机架5上的两组捣固装置1、数据处理单元(图中未示)和控制单元(图中未示)。其中，捣固装置1包括两对呈双侧布置的捣固组件11，捣固组件11包括两个夹持油缸111、一对捣镐臂112和两对捣镐113。捣镐臂112为“h”形，捣镐臂112的上端连接夹持油缸111，下端分别连接一个捣镐113，中部铰接在机架5上。夹持油缸111通过偏心轴4连接在捣固车上。两个夹持油缸111能够驱动对应的两对捣镐113完成夹持动作。
44.参照图3，夹持油缸111上设有磁致伸缩位移传感器2，磁致伸缩位移传感器2能够检测夹持油缸111的伸缩位移。具体的，磁致伸缩位移传感器2的一端通过球窝头3连接在夹持油缸的活塞杆114上，另一端通过球窝头3连接在夹持油缸的缸筒115上。
45.数据处理单元和控制单元均集成在捣固车上。数据处理单元与磁致伸缩位移传感器2电连接，数据处理单元能够接收夹持油缸111的伸缩位移并根据夹持油缸111的伸缩位移计算捣镐113的夹持位移。控制单元与数据处理单元电连接，控制单元能够将捣镐113的夹持位移与预设值进行比较并输出评估结果。
46.具体的，预设值包括第一预设值和第二预设值，第一预设值大于第二预设值。第一预设值及第二预设值由用户依据对道床密实度的需求进行合理设定。控制单元能够在捣镐113的夹持位移大于第一预设值时，记录位置信息、输出补砟信号；并在捣镐113的夹持位移小于第一预设值且大于第二预设值时，输出再次捣固的信号。
47.控制单元还能够实时监测捣镐113的夹持位移，并在捣镐113的夹持位移不变或逐渐变大时，记录位置信息并输出补砟信号。
48.本技术实施例的原理如下：
49.捣固过程分为起道、下插、夹持和撤回四个过程，其中最主要的为夹持过程。在夹持过程中，捣镐臂112和捣镐113在夹持油缸111的作用下完成夹持运动，通过磁致位移传感器2检测夹持油缸的活塞杆114在该过程中的伸缩位移，换算成捣镐113的夹持位移。根据大机在捣固夹持作业中的夹持位移，控制单元评估大机捣固作业的质量，并且判断下一步的动作，起到评估大机捣固作业效果的作用。本技术利用的基本原理主要包括磁致位移传感器2的工作原理、捣镐113在夹持过程中的运动检测原理和捣固作业效果评估原理。
50.参照图5和图6，磁致伸缩位移传感器2的工作原理如下：
51.磁致伸缩位移传感器2包括测杆21、电子仓和套在测杆21上的非接触磁环23。非接触磁环23内装有磁铁，测杆21内装有波导管24(磁致伸缩管)和扭转应变脉冲转换器22。测杆21由不导磁的不锈钢管制成，能够保护波导管24。工作时，电子仓内的电子电路产生一个起始脉冲，当该脉冲在波导管24中传输时，同时产生了一个沿波导管24方向前进的旋转磁场，当这个旋转磁场与非接触磁环23中的永久磁场相遇时，发生磁致伸缩效应，使波导管24发生扭动，这一扭动被安装在电子仓22内的拾能机构所感知并转换为相应的电流脉冲，然后通过电子电路计算出两个脉冲之间的时间差，即可精确地测量出机械位移量。因此，测量周期包括以下几个方面：电流脉冲产生磁场、与定位磁铁磁场相互作用产生扭转应变脉冲、扭转应变脉冲扩散、转换器探测到应变脉冲信号、将飞行时间转换成位置。
52.捣镐113在夹持过程中的运动检测原理如下：
53.在捣固作业过程中，为了能够将道砟推送到轨枕底部，增加轨枕底部道床的密实度和弹性，捣固装置采用两种工作原理实现这一目的，分别是偏心轴连杆摇摆式振动原理和异步夹持原理。捣镐113把振动力传递给道砟颗粒，使道砟颗粒产生振动并向相对稳定的方向移动，增加道床的密实度；同时捣镐113在夹持力作用下把轨枕间隔中的道砟向轨枕底部挤压，使轨枕底部的道砟更加密实，最终提高了轨道结构的稳定性，保证行车安全。基于上述两个原理，捣镐的运动也分为两部分：水平简谐周期振动和夹持运动。这两种运动方向相同(或相反)，其合成运动为这两种运动的线性叠加。
54.参照图7和图8，液压马达通过弹性联轴节驱动振动轴旋转时，由于振动轴与内油缸连接的轴颈处有几毫米的偏心，装在偏心轴4颈上的内油缸，在偏心轴4的作用下作往复运动，夹持油缸111与捣镐臂112通过固定轴6连接，这时捣镐臂112就会在夹持油缸111的推动下以转动轴7(f)为支点来回摆动，从而使装在捣镐臂112上的捣镐113产生摇摆式强迫振动。
55.此外，位于内侧的左右两个夹持油缸分别位于相隔180
°
的偏心轴4上，并且右内侧夹持油缸111c与左外侧夹持油缸111a连接在一起，另外两个处于不同侧的夹持油缸(111b、111d)也以相同方式进行连接。因此，同一根轨枕两侧的捣镐113在振动时的位移相隔180
°
，且运动方向相反，从而达到从轨枕外侧向轨枕底部推送道砟的目的。若固定轴的位移为δ1，捣镐的位移为δ2，根据三角形相似定理可得出两者的换算关系，得捣镐113的振动位移。
56.参照图8和图9，捣镐113夹持运动的检测原理如下：
57.捣固车的液压系统控制夹持油缸111的动作，使夹持油缸的活塞杆114伸缩，带动捣镐臂112、捣镐113按照连杆机构的运动规律运动。当外夹持油缸(111a、111d)的活塞杆伸出、内夹持油缸(111b、111c)的活塞杆缩回时，即外捣镐臂受到a向的外力，内捣镐臂受到b向的外力时，内、外捣镐掌相向运动，实现对道砟的夹持。捣镐在道砟上施加相同的压力，进
行独立的运动，即单个捣镐之间绝对平衡，全部捣镐在各自表面上的压力是相等的。捣固过程中在每对捣镐前建立起阻力，一旦阻力达到预先设定的夹持压力，相应的捣镐自动停止，所以两侧捣镐在夹持过程中移动的距离各不相同。
58.捣固作业效果的实时评估原理如下：
59.在捣固作业过程中，道床各处的质量状态不同，因此不同的捣镐受到的道砟阻力不同，导致夹持位移的不同。在夹持油缸111上安装磁致位移传感器2，在捣镐夹持运动过程中实时检测夹持油缸的活塞杆114的伸缩位移，进而计算分析得出每对捣镐113的夹持位移。
60.根据检测出的夹持位移可实时对捣固作业效果实时评估，并做出是否进行再次捣固或补砟的决策。当夹持位移小于第一预设值且大于第二预设值时，控制单元发出再次捣固的信号，指导大机进行再次捣固作业；当夹持位移大于第一预设值，或者经过多次捣固作业夹持位移没有变小的趋势时，控制单元则将该处的位置信息实时记录，做出补砟的决策。因此，在大机捣固作业过程中实时检测捣镐的夹持位移，并可根据检测结果实时评估捣固作业效果，并指导下一步的大机养护维修作业。
61.以上，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何在本技术揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。