一种磁吸式钢轨平直度测量仪器

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，尤其涉及一种磁吸式钢轨平直度测量仪器。

背景技术

在轨道交通行业，高速、重载铁路线路中的无缝钢轨的应用越来越广泛。无缝钢轨是指通过焊接工艺将钢轨焊接起来，相对传统有缝钢轨，有效提高了列车运行中的安全、平稳度和舒适性等。为了评价无缝钢轨的焊接质量，钢轨焊接工艺要求在完成焊接以及后续打磨工序后，铁路相关部门应使用专用仪器检查钢轨焊接部位的平直度是否符合验收标准。通过对钢轨平直度数据采集、分析可以实现对钢轨焊接质量评价，日常运维巡检作业及指导后续的打磨钢轨工作，保证列车的运行安全。

目前我国铁路部门采用电子平直尺对钢轨的平直度进行检测。德国的SEC-RC电子平直尺在检测过程中需要操作人员手动安放并时刻保持扶住电子平直尺的动作，人为因素的介入可能会极大的干扰测量精度；同时，该仪器在钢轨焊缝两侧500mm范围内的采样点只有200个，即测量间隔5mm，采样点数量不够多；测量精度±0.02mm，线性误差±0.5％，纵向分辨率0.01mm；运动方式是采用四个电动马达驱动，因此由振动和移动产生的误差较高有待优化；仅可以在-5℃～50℃环境温度范围内正常使用，使用环境要求＜90％无水滴凝结，防水滴，对环境要求较高，不足以在极端气候下和重大险情中紧急使用。中国专利CN215296169U公开了一种自驱式钢轨平直度测量仪，其仪器采用步进电机驱动齿轮齿条传动来实现移动，但是齿轮齿条的啮合间隙导致在频繁的往复运动中无法精准控制位置。还有其他专利采用的诸如丝杆机构、皮带和钢丝绳等驱动方式，这些驱动都有不同程度的速度慢、直线度低、测量精度低和噪声大等一系列问题。专利CN215338274U公开了一种带夹持功能的钢轨平直度测量仪，该仪器通过在本体两端设置夹持装置实现装置与钢轨的固定，可以避免重心不稳导致的滑移，但是固定方式采用连杆铰接势必造成零部件关节磨损，且该方法夹持精度不高，不好保证重复测量平直度数据的一致性。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁吸式钢轨平直度测量仪器，以解决上述问题，达到节省人力、优化检测效率、提升检测精度，同时还能适应一定雨雪、低温等极端气候环境的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种磁吸式钢轨平直度测量仪器，包括：

仪器主腔体，所述仪器主腔体为密封结构；

两组磁吸组件，两组所述磁吸组件设置在所述仪器主腔体的两侧，两组所述磁吸组件用于将所述仪器主腔体固定在钢轨上；

驱动组件，所述驱动组件设置在所述仪器主腔体内，所述驱动组件在所述仪器主腔体内沿钢轨的延伸方向往复滑动；

检测模块，所述检测模块设置在所述驱动组件上，所述检测模块包括微米级测距传感器，所述微米级测距传感器在所述驱动组件的带动下对钢轨的表面进行平整度检测；

光栅尺定位件，所述光栅尺定位件设置在所述检测模块和所述仪器主腔体的内壁之间，所述光栅尺定位件用于提高驱动组件移动时的定位精度；

控制单元，所述控制单元设置在所述驱动组件上，所述控制单元与所述驱动组件、检测模块、光栅尺定位件电性连接。

优选的，所述仪器主腔体包括冂型壳体，所述冂型壳体的两端分别固定连接有侧边端盖，所述冂型壳体与所述侧边端盖之间通过设置有密封圈，两组所述侧边端盖之间固定连接有支撑架，所述驱动组件设置在所述支撑架上，所述检测模块与所述冂型壳体的底部开口之间设置有密封件。

优选的，所述磁吸组件包括磁吸基座，所述侧边端盖与所述磁吸基座固定连接，所述磁吸基座的底部固定连接有轨顶定位块，所述轨顶定位块的侧壁上固定连接有轨侧定位块，所述磁吸基座、轨顶定位块远离所述侧边端盖的一侧固定连接有磁力开关座，所述磁力开关座与钢轨对应设置，用于将磁吸基座固定在钢轨上。

优选的，所述驱动组件包括两组固定连接在所述支撑架顶部的导轨，两组所述导轨平行设置，两组所述导轨上分别滑动连接有若干滑块，若干所述滑块上固定连接有动子载物台，所述检测模块、光栅尺定位件和所述控制单元设置在所述动子载物台上，所述动子载物台和所述支撑架之间设置有磁力驱动件。

优选的，所述磁力驱动件包括固定连接在所述支撑架上的内置定子基座，所述内置定子基座与所述导轨平行设置，所述内置定子基座的顶部交错固定连接有N极永磁体和S极永磁体，所述动子载物台的底部固定连接有动子，所述动子在所述N极永磁体、S极永磁体产生的均匀磁场的吸引力和排斥力交叉作用下带动所述动子载物台沿所述导轨移动。

优选的，所述检测模块包括两组分别固定连接在所述动子载物台两侧的侧支架，两组所述侧支架的底部之间固定连接有底支架，所述底支架位于所述支撑架的下方，所述密封件设置在所述底支架和所述冂型壳体之间，所述微米级测距传感器固定连接在所述底支架的底部。

优选的，所述密封件包括第一风琴罩和第二风琴罩，所述第一风琴罩和所述第二风琴罩的两侧分别与所述冂型壳体的两相对侧壁底部滑动连接，所述第一风琴罩和所述第二风琴罩的一端分别与两组所述侧边端盖固定连接，所述第一风琴罩和所述第二风琴罩的另一端分别固定连接在所述底支架的两端。

优选的，所述光栅尺定位件包括光栅探头和侧边光栅尺，所述侧边光栅尺固定连接在所述支撑架的侧壁上，所述动子载物台的一侧固定连接有光栅支架，所述光栅探头固定连接在所述光栅支架上，所述光栅探头与所述侧边光栅尺对应设置。

优选的，两组所述侧边端盖的内侧分别设置有一体化防撞测距模块，所述一体化防撞测距模块包括固定连接在所述侧边端盖上的防撞支架，所述防撞支架远离所述侧边端盖的一侧固定连接有防撞垫，所述防撞支架上固定连接有测距传感器，所述测距传感器的探头内嵌与所述防撞垫内，所述测距传感器用于检测与动子载物台之间的距离。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

1.本发明通过设置磁吸组件，利用强磁吸附原理以及机械定位协同作用的方式，实现测量仪器与待测钢轨紧密贴合，使测量过程不需要手动扶住，节省人力，同时提高了检测仪器与钢轨的定位精度。

2.本发明采用电磁驱动与光栅尺反馈协同控制，提高了平直度检测的定位精度、响应速度，增加了采样数量，实现检测仪器的微米级停动，测量精度可以达到微米级。

3.本发明所述仪器主腔体采用全密封设计，使内部器件与外界尽可能的隔离，提高了测量仪器的防水防尘等级，便于在雨雪等极端环境下使用。

4.本发明所述磁吸组件、驱动组件、检测模块和光栅尺定位件等零部件均采用模块化设计，便于更换维修，延长了设备服役寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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。

图1为本发明测量仪器的整体结构示意图；

图2为本发明测量仪器的主视局部剖示图；

图3为图2中位置A处的剖示图；

图4为本发明一体式防撞组件的结构示意图；

图5为本发明驱动组件的结构示意图；

图6为本发明检测模块示意图；

图7为本发明轨侧定位块的左视图；

图8为本发明的测量仪器进行轨顶平直度检测示意图；

图9为本发明的测量仪器进行轨侧平直度检测示意图；

其中，1、仪器主腔体；1-1、侧边端盖；1-2、密封圈；1-3、支撑架；1-4、冂型壳体；1-5、第一风琴罩；1-6、第二风琴罩；1-7、防撞支架；1-8、测距传感器；1-9、锁紧螺母；1-10、防撞垫；2、磁吸组件；2-1、磁力开关座；2-2、磁吸基座；2-3、轨侧定位块；2-4、轨顶定位块；2-5、加强筋；3、驱动组件；3-1、滑块；3-2、动子载物台；3-3、导轨；3-4、侧边光栅尺；3-5、动子；3-6、内置定子基座；3-7、N极永磁体；3-8、S极永磁体；4、检测模块；4-1、光栅支架；4-2、光栅探头；4-3、侧支架；4-4、底支架；4-5、微米级测距传感器；5、控制单元；5-1、电气控制盒腔体；5-2、电气控制盒上盖。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-图9，本发明提供了一种磁吸式钢轨平直度测量仪器，包括：

仪器主腔体1，仪器主腔体1为密封结构；

两组磁吸组件2，两组磁吸组件2设置在仪器主腔体1的两侧，两组磁吸组件2用于将仪器主腔体1固定在钢轨上；

驱动组件3，驱动组件3设置在仪器主腔体1内，驱动组件3在仪器主腔体1内沿钢轨的延伸方向往复滑动；

检测模块4，检测模块4设置在驱动组件3上，检测模块4包括微米级测距传感器4-5，微米级测距传感器4-5在驱动组件3的带动下对钢轨的表面进行平直度检测；

光栅尺定位件，光栅尺定位件设置在检测模块4和仪器主腔体1的内壁之间，光栅尺定位件用于提高驱动组件移动时的定位精度；

控制单元5，控制单元5设置在驱动组件3上，控制单元5与驱动组件3、检测模块4、光栅尺定位件电性连接。

仪器主腔体1设置为密封结构，可以将内部设备与外部进行隔绝，使得测量仪器在雨雪、低温等环境下可以正常运转，理论可使用环境最低温度可达-30℃；磁吸组件2的主要作用是将仪器主腔体1快速、稳固的固定在钢轨上，避免人员扶持带来的浪费人力以及人为因素降低检测精度的问题出现；驱动组件3的主要作用是带动检测模块在仪器主腔体1中沿钢轨的方向进行移动，以便微米级测距传感器4-5对钢轨的表面进行平整度检测；微米级测距传感器4-5的平直度检测精度可达到±2μ，检测精度高；光栅尺定位件的主要作用是对微米级测距传感器4-5的移动距离进行精确定位，进一步提高检测精度。整体上，本发明在进行钢轨平整度检测时，不需要人工扶持，节省人力、优化检测效率、提升检测精度，同时还能适应一定雨雪、低温等极端气候环境。

进一步优化方案，控制单元5包括固定连接在动子载物台3-2上的电气控制盒腔体5-1，电气控制盒腔体5-1的顶部为开口设置，所述开口可拆卸连接有电气控制盒上盖5-2，电气控制盒腔体5-1内设置有控制电路板、通信单元和其他电气元件。

电气控制盒上盖5-2与电气控制盒腔体5-1之间密封设置，通过封装在盒体内部可以实现电磁屏蔽功能，防止外部以及驱动产生的电磁场对电气元件的正常运行产生干扰。电气控制盒腔体5-1的侧壁上设置有电路外接口，用于与驱动组件、检测模块和光栅尺定位件电性连接。

进一步优化方案，仪器主腔体1包括冂型壳体1-4，冂型壳体1-4的两端分别固定连接有侧边端盖1-1，冂型壳体1-4与侧边端盖1-1之间通过设置有密封圈1-2，两组侧边端盖1-1之间固定连接有支撑架1-3，驱动组件设置在支撑架1-3上，检测模块4与冂型壳体1-4的底部开口之间设置有密封件。

如图1所示，侧边端盖1-1上开设有凹槽，用于固定密封圈1-2，侧边端盖1-1安装到冂型壳体1-4侧边时，冂型壳体1-4的内侧随形与密封圈1-2接触，达到在连接处密封的作用。

进一步优化方案，磁吸组件2包括磁吸基座2-2，侧边端盖1-1与磁吸基座2-2固定连接，磁吸基座2-2的底部固定连接有轨顶定位块2-4，轨顶定位块2-4的侧壁上固定连接有轨侧定位块2-3，磁吸基座2-2、轨顶定位块2-4远离侧边端盖1-1的一侧固定连接有磁力开关座2-1，磁力开关座2-1与钢轨对应设置，用于将磁吸基座2-2固定在钢轨上。

如图1所示，轨顶定位块2-4和轨侧定位块2-3采用机加工大理石材料，可以提高定位块的表面精度，加工平面度3μm，有利于减小测量误差。磁吸基座2-2上设置有加强筋2-5，可提高磁吸基座2-2的结构强度，提升支撑仪器主腔体1的稳定性。磁力开关座2-1选用实验室常见的强力开关式磁力座，其顶部固定连接有提手，在需要将测量仪器固定在钢轨上时，只需在轨顶定位块2-4和轨侧定位块2-3于钢轨接触定位后，转动磁力开关座2-1上的开关，通过磁力开关座2-1吸附在钢轨上，达到使磁吸基座2-2固定在钢轨上的目的，从而实现对仪器主腔体1的固定。

如图1和图7所示，轨侧定位块2-3上加工有同钢轨轨侧外形一致的仿形面，可在检测钢轨顶部平直度时进行机械定位；轨侧定位块2-3上还加工有同钢轨轨腰外形一致的仿形面，可在检测钢轨轨侧平直度时进行机械定位。

如图5和图6所示，进一步优化方案，驱动组件3包括两组固定连接在支撑架1-3顶部的导轨3-3，两组导轨3-3平行设置，两组导轨3-3上分别滑动连接有若干滑块3-1，若干滑块3-1上固定连接有动子载物台3-2，检测模块4、光栅尺定位件和控制单元5设置在动子载物台3-2上，动子载物台3-2和支撑架1-3之间设置有磁力驱动件。

进一步优化方案，磁力驱动件包括固定连接在支撑架1-3上的内置定子基座3-6，内置定子基座3-6与导轨3-3平行设置，内置定子基座3-6的顶部交错固定连接有N极永磁体3-7和S极永磁体3-8，动子载物台3-2的底部固定连接有动子3-5，动子3-5在N极永磁体3-7、S极永磁体3-8产生的均匀磁场的吸引力和排斥力交叉作用下带动动子载物台3-2沿导轨3-3移动。

如图5所示，N极永磁体3-7、S极永磁体3-8两种永磁体间隔排布，且呈线性阵列状态固定在内置定子基座3-6上，目的是产生非接触的均匀磁场。动子3-5在控制单元的控制下通过电生磁原理，在磁场产生的吸引和排斥交叉作用力驱动下沿直线导轨进行高精度的直线运动，从而带动动子载物台3-2沿导轨3-3进行滑移。由于驱动力产生时没有阻力，可达到免维护长期工作的效果。

如图6所示，进一步优化方案，检测模块4包括两组分别固定连接在动子载物台3-2两侧的侧支架4-3，两组侧支架4-3的底部之间固定连接有底支架4-4，底支架4-4位于支撑架1-3的下方，密封件设置在底支架4-4和冂型壳体1-4之间，微米级测距传感器4-5固定连接在底支架4-4的底部。

如图6所示，底支架4-4的中心开设槽孔用来固定连接微米级测距传感器4-5。当动子3-5在电磁力驱动下通过动子载物台3-2、侧支架4-3、底支架4-4等带动微米级测距传感器4-5沿导轨3-3进行滑移时，微米级测距传感器4-5可对对待测钢轨的表面进行快速扫描，收集所测的平直度数据，并将数据传递至控制单元5。

如图1和图2所示，进一步优化方案，密封件包括第一风琴罩1-5和第二风琴罩1-6，第一风琴罩1-5和第二风琴罩1-6的两侧分别与冂型壳体1-4的两相对侧壁底部滑动连接，第一风琴罩1-5和第二风琴罩1-6的一端分别与两组侧边端盖1-1固定连接，第一风琴罩1-5和第二风琴罩1-6的另一端分别固定连接在底支架4-4的两端。

进一步优化方案，冂型壳体1-4的两相对内壁的底部设置有滑槽(图中未示出)，第一风琴罩1-5和第二风琴罩1-6滑动连接在滑槽内。第一风琴罩1-5和第二风琴罩1-6可以是尼龙布、三防布等多种材质配合不锈钢骨架加工而成，且在两端设有安装孔，便于与所述侧边端盖1-1和底支架4-4密封连接。

如图1、图2和图6所示，在底支架4-4随动子载物台3-2相对冂型壳体1-4向右侧滑移时，第一风琴罩1-5受底支架4-4的推动作用下收缩自身的长度，第二风琴罩1-6在底支架4-4的拉动作用下伸长自身的长度，当底支架4-4向左移动时，第一风琴罩1-5伸长，第二风琴罩1-6缩短。通过设置风琴罩结构，既不会阻碍底支架4-4的移动，又可以对冂型壳体1-4的底部起到密封作用。

进一步优化方案，为进一步提高仪器主腔体1的密封效果，除在冂型壳体1-4与侧边端盖1-1之间使用密封圈1-2之外，在第一风琴罩1-5、第二风琴罩1-6与侧边端盖1-1、底支架4-4的接口处均匀涂抹防水密封胶，同时在设备组装完成后，仪器主腔体外部凡是有螺纹孔位置均可采取防水措施，比如安装硅胶堵头、粘贴强力防水标贴等，可高效降低水汽从螺纹孔位置侵入仪器内部的风险，提高设备的防水防尘效果，使仪器主腔体1的防水防尘等级达到IP64级。

进一步优化方案，光栅尺定位件包括光栅探头4-2和侧边光栅尺3-4，侧边光栅尺3-4固定连接在支撑架1-3的侧壁上，动子载物台3-2的一侧固定连接有光栅支架4-1，光栅探头4-2固定连接在光栅支架4-1上，光栅探头4-2与侧边光栅尺3-4对应设置。

如图1和图5所示，光栅探头4-2在光栅支架4-1和动子载物台3-2的带动下沿导轨3-3进行滑移时，光栅探头4-2通过识别侧边光栅尺3-4的信号形成反馈信号，利用光栅的光学原理监测直线运动形成闭环反馈，有利于提高检测运动的直线度及精准度，可实现动子载物台3-2的微米级停动。

进一步优化方案，两组侧边端盖1-1的内侧分别设置有一体化防撞测距模块，一体化防撞测距模块包括固定连接在侧边端盖1-1上的防撞支架1-7，防撞支架1-7远离侧边端盖1-1的一侧固定连接有防撞垫1-10，防撞支架1-7上固定连接有测距传感器1-8，测距传感器1-8的探头内嵌与防撞垫1-10内，测距传感器1-8用于检测与动子载物台3-2之间的距离。

如图4所示，测距传感器1-8通过锁紧螺母1-9固定连接在防撞支架1-7的一端。防撞垫1-10采用尼龙、硅橡胶、氟橡胶等具有减震、吸能功能的软弹性材质制成，允许动子3-5在失速撞击防撞垫1-10产生的冲击力的作用下发生0.2～0.4倍的回弹变形，避免动子3-5发生剧烈撞击。为了实现防撞预警功能，通过对测距传感器1-8预设超程阈值实现对动子3-5运动状态的实时监测、报警及控制动子3-5急停。通过一体化防撞测距设计，不仅提高了仪器腔体内部空间的利用率，也加强了运动部件的保护能力。

本实施例的工作过程如下：

如图8所示，测量钢轨踏面平直度时，将平直度检测仪器水平放置在钢轨顶面，控制轨顶定位块2-4和轨侧定位块2-3分别与钢轨顶面和侧面紧密贴合，手动操作两组磁力开关座2-1旋钮至“ON”档位，将仪器主腔体1固定在钢轨上。操纵仪器，使动子3-5在磁场的磁力作用下通过带动动子载物台3-2沿导轨3-3滑移，使微米级测距传感器4-5对待测钢轨位置距离进行快速扫描，并收集所测的平直度数据，实现自主对轨顶中线位置平直度进行测量。测量完成后拧动磁力开关座2-1的旋钮至“OFF”档位，取回本测量仪器。

如图9所示，测量钢轨轨侧平直度时，将平直度检测仪器倾斜贴靠在钢轨侧面，并控制轨侧定位块2-3与钢轨轨腰部位紧密贴合，手动操作磁力开关座2-1至“ON”档位，将仪器主腔体1固定在钢轨上。重复测量钢轨踏面平直度时的操作步骤，使仪器开始自主对轨侧距轨顶面16mm处平直度进行测量，测量完成后操作磁力开关座旋钮至“OFF”档位，取回本测量仪器。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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发明，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发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。