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隧道激光除冰巡检装置结构设计与能耗分析研究
| 论文题名： | 隧道激光除冰巡检装置结构设计与能耗分析研究 |
| 关键词： | 隧道养护;激光除冰巡检装置;结构设计;能耗分析;双目视觉 |
| 摘要： | 随着我国基础设施建设能力的快速提升，铁路事业和公路事业迎来发展高峰期。目前，我国隧道建设总量已经突破五万余座，而由于隧道顶部老化而出现裂缝导致渗水的情况时有发生，在隧道内温度较低的情况下，极易凝结形成冰锥，这些冰锥会随着不断渗水而持续增大、变长，严重威胁隧道内设备和车辆的正常安全运行。因此，清除隧道顶壁冰锥成为隧道的日常维护保养的首要任务。本文设计了一款非接触式激光除冰巡检装置，使其可在隧道侧壁的轨道上对隧道顶壁的冰锥进行自动巡检、识别、清除。 利用 SolidWorks 软件对隧道激光除冰巡检装置整体结构进行模块化设计，分别为轨道模块，基础平台以及工作模块。装置结构紧凑可靠，占地面积小，巡检效率高，装置整体采用电机驱动，齿轮齿条传动，搭载防撞装置，照明灯以及显示屏，对装置的运动状态以及隧道环境进行实时监测。 基于双目视觉技术，对隧道激光除冰巡检装置的目标识别定位技术进行研究，实现对隧道顶壁冰锥的有效识别和三维空间的定位。利用已标定的视觉系统，采用K-means聚类算法对目标图像进行分割，对比各类边缘特征提取方法，运用外轮廓特征识别方法对冰锥进行识别；基于双目相机空间定位原理，利用 SURF 算法对冰锥目标进行定位。 结合激光对物体的作用以及传热基本理论对激光除冰过程进行仿真分析。对特殊情况下 40W 激光照射混凝土壁面的情况进行分析，确保在激光加热除冰过程中不会对隧道壁造成损伤；在冰柱初始温度不同、激光器与冰柱距离不同以及环境风速不同时的激光照射200s冰柱的融穿深度以及完全融穿所用时间进行仿真，并计算其除冰能耗。 搭建隧道激光除冰巡检装置试验样机，在分别改变冰柱初始温度、激光器与冰柱距离以及环境风速的情况下，对隧道激光除冰巡检装置的除冰能耗进行实验，与仿真结果进行对比分析，得到在温度越低、二者距离越远、风速越大时，融穿定量体积的冰所用时间越长，所需能量越多，除冰能耗越高。本文设计激光除冰巡检装置为隧道智能化除冰装备的应用开发提供了一定的理论依据。 |
| 作者： | 刘翼 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 闫宏伟;高贵军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 中北大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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