铁路隧道衬砌质量无损检测臂架及其检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及铁路隧道衬砌质量检测设备及其方法，尤其涉及一种铁路隧道衬砌质量无损检测臂架及其检测方法。
【背景技术】
[0002]随着国家交通的不断发展，铁路隧道的数量在逐年增加，在建设及运营隧道病害逐渐显现。因此需要一种能够对隧道衬砌质量进行全面、快速无损检测的设备，使隧道施工缺陷及运营病害能够提前得到治理。现有检测设备主要存在如下缺陷:
[0003]①用人工托举天线时，需要2至3人在工作平台上扶持天线，容易发生安全事故，而且由于体力等因素，天线常常不能确保紧密贴合衬砌表面，测线位置定位不准确，直接影响到部分测线段落的数据采集质量，导致部分衬砌缺陷的误判、漏判。
[0004]②人工采集里程时，由于隧道环境复杂，测试人员常常误打里程标记，导致里程定位错误；当天线移动速度不均以及蛇形前进时，易导致每两个里程标记之间的里程估计不准确。这样，就使得判定的衬砌质量缺陷定位不准确甚至错误。
[0005]③个别隧道衬砌系统检测车臂架系统体积庞大、液压系统复杂、控制调整复杂、车体笨重，使用成本高，不利于推广。
[0006]④对于新建隧道因路面不平整可能引起天线脱离衬砌表面不能进行机械补偿。
[0007]⑤不具备臂架或台架回转能力，检测过程中的调整较为困难，易出现天线脱离壁面的情况。
【发明内容】
[0008]针对既有隧道与新建隧道衬砌质量无损检测，本发明的目的在于提供一种铁路隧道衬砌质量无损检测臂架及其检测方法，臂架具备浮动调节功能，能够稳定夹持检测雷达天线，保证雷达天线与隧道衬砌面的可靠贴合;在检测施工隧道时针对起伏路面，能给予天线较大的补偿范围。因此本发明能降低检测人员劳动强度，提高检测质量和工作效率。
[0009]本发明的目的通过下述技术方案实现:
[0010]一种铁路隧道衬砌质量无损检测臂架，包括雷达天线夹持架、浮动缓冲油缸机构、三节臂、二节臂、基本臂、上俯仰变幅油缸、俯仰臂、下俯仰变幅油缸、回转驱动装置、安装座和回转座，所述雷达天线夹持架上安装有雷达天线，浮动缓冲油缸机构与雷达天线夹持架连接，浮动缓冲油缸机构、三节臂、二节臂、基本臂依次连接，三节臂、二节臂、基本臂三者构成伸缩臂机构;所述俯仰臂的上端端部与基本臂远离二节臂的一端端部铰接，俯仰臂与基本臂之间对应连接有上俯仰变幅油缸，俯仰臂铰接于回转座上，俯仰臂的下端端部与回转座之间设有下俯仰变幅油缸，回转座上设有驱动回转座运动的回转驱动装置，在回转座底部设有安装座，回转座通过回转驱动装置、安装座安装于行走载具上。
[0011 ]为了更好地实现本发明，所述雷达天线夹持架包括衬砌雷达天线夹持安装框架和万向连接机构，所述万向连接机构安装于衬砌雷达天线夹持安装框架的一侧，万向连接机构与浮动缓冲油缸机构连接;衬砌雷达天线夹持安装框架内部安装所述的雷达天线，雷达天线位于衬砌雷达天线夹持安装框架的另一侧，在衬砌雷达天线夹持安装框架位于雷达天线一侧设四个角处分别设有支承座，在每个支承座上安装有一个万向脚轮，其中一个支承座上的万向脚轮上安装有旋转编码器A，该旋转编码器A用于同步记录雷达天线的行走里程;所述衬砌雷达天线夹持安装框架位于万向连接机构一侧设有十字支承架，在十字支承架的四个顶端与衬砌雷达天线夹持安装框架的框架之间安装有四个弹簧。
[0012]本发明优选的浮动缓冲油缸机构技术方案是:所述浮动缓冲油缸机构包括缓冲油缸、行程开关、变幅油缸和限位撞头，缓冲油缸具有活塞杆，在缓冲油缸的活塞杆上设有连接板，缓冲油缸的活塞杆通过该连接板与雷达天线夹持架的万向连接机构连接;在缓冲油缸的连接板上端安装有行程开关和横梁，所述行程开关包括第一行程开关和第二行程开关，第一行程开关和第二行程开关通过横梁相对安装;所述缓冲油缸的缸筒底部与三节臂端部铰接;所述缓冲油缸的上端通过变幅油缸铰接于三节臂的上端，所述变幅油缸的缸筒底部铰接于三节臂上端，变幅油缸的活塞杆铰接于缓冲油缸上端的铰链座上;所述限位撞头安装于缓冲油缸的缸筒上，并且限位撞头在第一行程开关与第二行程开关之间。
[0013]本发明优选的伸缩臂机构技术方案是:所述三节臂可伸缩运动套合于二节臂内部，使得三节臂可在二节臂内部滑动，二节臂可伸缩运动套合于基本臂内部，使得二节臂可在基本臂内部滑动，三节臂、二节臂、基本臂相互套合构成伸缩臂机构;所述二节臂内部设有伸缩油缸A，该伸缩油缸用于驱动三节臂在二节臂内伸缩移动;所述基本臂外侧设置有伸缩油缸B，该伸缩油缸B用于驱动二节臂在基本臂内伸缩移动，伸缩油缸B的活塞杆端部铰接于二节臂的前端，伸缩油缸B的缸筒端铰接于基本臂的后端。
[0014]本发明进一步优选的伸缩臂机构技术方案是:所述二节臂内部具有滑块，二节臂内部的滑块用于对三节臂的伸缩滑动进行支承和导向；所述基本臂通过滑块、上下滚轮机构、两侧滚轮机构共同对二节臂的伸缩滑动进行支承和导向；所述的伸缩油缸B、伸缩油缸A分别集成了一个拉线尺，该拉线尺用来检测伸缩臂机构的伸缩行程;所述三节臂前端铰接处安装有旋转编码器B，该旋转编码器B用于检测浮动缓冲油缸机构的俯仰角度。
[0015]本发明优选的上下滚轮机构技术方案是:所述上下滚轮机构由滚筒A、滚动轴承A、滚筒支承架A、支撑轴A、支承壳体A构成，一个滚动轴承A对应套合连接于一个滚筒A内并构成一组滚动机构，滚筒支承架A上安装有四组滚动机构;所述滚筒支承架A通过安装在其上端的支撑轴A与支承壳体A铰接;所述支承壳体A安装在基本臂上，所述滚筒A与二节臂的外壁接触。
[0016]本发明优选的两侧滚轮机构技术方案是:所述两侧滚轮机构由滚筒B、滚动轴承B、滚筒支承架B、支撑轴B、支承壳体B构成，一个滚动滚筒B对应套合连接于一个滚动轴承B内并构成一组滚动机构，滚筒支承架B上安装有四组滚动机构;所述滚筒支承架B通过安装在其上端的支撑轴B与支承壳体B铰接;所述支承壳体B安装在基本臂上，所述滚筒B与二节臂的外壁接触。
[0017]作为优选，所述上俯仰变幅油缸一端铰接于基本臂前端，上俯仰变幅油缸另一端铰接于俯仰臂的中下部位，同时俯仰臂的上端铰接于基本臂的后端，俯仰臂的下端铰接于回转座的上顶端并通过两个下俯仰变幅油缸铰接于回转座的下端，俯仰臂用于支撑基本臂;所述俯仰臂的上端和下端安装有旋转编码器D和旋转编码器C，旋转编码器C用于检测基本臂相对于俯仰臂之间的俯仰角度，旋转编码器D用于检测俯仰臂相对于回转座的俯仰角度。
[0018]作为优选，所述安装座底部设有导电滑环和中央回转接头，所述回转驱动装置设置于回转座、安装座之间，回转驱动装置下端连接至安装座，回转驱动装置上端连接至回转座;所述回转驱动装置由液压马达驱动，回转驱动装置的侧部安装有旋转编码器E，旋转编码器E用于检测回转座腰转角度。
[0019]本铁路隧道衬砌质量无损检测臂架的工作原理及操作方法步骤如下:
[0020]A、启动回转驱动装置的液压马达，通过其传动机构带动回转座进行360°腰转运动。
[0021]B、启动上俯仰油缸和下俯仰油缸，调整伸缩臂机构(包含基本臂、二级臂和三节臂，三者合称伸缩臂机构)和俯仰臂的俯仰角度，保证砌地质雷达天线正确指向衬砌壁面。
[0022]C、启动基本臂、二级臂上的伸缩油缸，使砌地质雷达天线和雷达天线夹持架上的小轮能够贴向壁面。
[0023]D、调整浮动缓冲油缸下端的变幅油缸，使雷达天线能够正对贴合壁面。
[0024]以上所述为本发明无损检测臂架的基本操作步骤。
[0025]本发明所述的控制系统为半闭环控制系统，变幅油缸和伸缩油缸通过电磁比例阀控制，通过安装在回转驱动装置液压马达末端的旋转编码器测量臂架腰转的角位移和角速度;通过安装在俯仰臂前后两端铰接处的旋转编码器测量伸缩臂的俯仰角位移和角速度；通过安装在伸缩臂上的拉线尺测量伸缩臂的伸缩行程;通过安装在三节臂前端铰接点的旋转编码器测量缓冲油缸的俯仰角位移和角速度。
[0026]本发明所述的雷达天线夹持架上的其中一个小轮上安装有旋转编码器，用于同步记录衬砌检测雷达的行走里程。
[0027]基于上述内容，本发明的设计原理为:
[0028]驱动方式:液压驱动，动力取自行走载具，从载具底盘取力器接入液压栗，为机械臂提供液压动力。
[0029]控制方式:电液半闭环控制，控制电源来自于行走载具。
[0030]机械结构:无损检测臂架采用多关节联动，末端雷达天线夹持装置，可绕十字轴转动，通过浮动控制，及时响应与调整位姿，保证与被检测表面较好贴合。
[0031]行驶里程测定:用旋转编码器将载具行驶过程中的实际路线进行记录，并能够与理论路线进行比较，同时能够有一定的定位补偿计算能力。
[0032]检测高度测定:采用多个旋转编码器检测臂架各关节的相对角位移、拉线尺检测伸缩臂的伸缩行程，同时工控机将这些传感器反馈的数据计算成雷达的高度坐标，并通过人机界面显示。
[0033]臂架定位控制:臂架本身通过机械结构和控制系统进行一定的位置控制，并能够在人机界面中标定臂架状态和雷达坐标。
[0034]雷达与臂面贴合性和测线的保持:通过雷达贴合时的缓冲油缸行程来检测雷达的贴合性是否合适，工控机同时计算出的雷达与臂架基座的相对位置，并通过机械结构和控制系统协同调整雷达相应位置。
[0035]一种铁路隧道衬砌质量无损检测方法，包括无损检测控制系统，检测方法包括如下:
[0036]A、通过垂直陀螺仪检测行走载具的姿态参数，
[0037]其姿态参数包