新型軌檢小車整體車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

植立才,楊雪榮,成思源,2,楊世峰

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,廣州 510006；2.廣東省創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510006；3.廣州南方測(cè)繪儀器有限公司,廣州 510665)

新型軌檢小車整體車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

植立才1,楊雪榮1,成思源1,2,楊世峰3

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,廣州 510006；2.廣東省創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510006；3.廣州南方測(cè)繪儀器有限公司,廣州 510665)

基于傳統(tǒng)T型軌檢小車車架存在著裝配繁瑣、穩(wěn)定性不足、剛度差的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)一種新的Y型車架結(jié)構(gòu),該車架的主體結(jié)構(gòu)采用一體成型技術(shù),整體重心降低45mm,提高裝配效率與使用壽命的同時(shí)使軌檢小車在推行過(guò)程中穩(wěn)定性更好。通過(guò)對(duì)新Y型車架橫梁連接螺栓的強(qiáng)度校核,驗(yàn)證其螺栓連接的可靠性,并根據(jù)新Y型與傳統(tǒng)T型車架的ANSYS Workbench 有限元分析結(jié)果得出,新Y型車架剛度顯著提高。

軌檢小車; 整體車架; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 有限元分析

隨著國(guó)內(nèi)高速鐵路的快速發(fā)展，我國(guó)已成為世界上高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)的國(guó)家[1]。高鐵帶給了沿線城市巨大的經(jīng)濟(jì)效益與交通便利，加快了城市與城鎮(zhèn)之間的聯(lián)系?，F(xiàn)階段我國(guó)高鐵的運(yùn)行速度普遍在300 km/h以上，軌道的不平順勢(shì)必會(huì)影響到行車的速度和旅客的舒適性，引起運(yùn)行車輛的劇烈振動(dòng)，甚至引發(fā)重大的安全事故[2-3]。而軌道不平順的檢測(cè)是基于軌檢小車來(lái)完成的，目前國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的軌檢小車與國(guó)外瑞士安伯格GRP、德國(guó)GEDO CE軌檢小車相比仍存在一定的差距，為了減少昂貴的進(jìn)口采購(gòu)費(fèi)用，提高我國(guó)自主創(chuàng)新能力，軌檢小車的研發(fā)迫在眉睫[4]。

目前國(guó)內(nèi)的軌檢小車研發(fā)廠商主要采用傳統(tǒng)的T型車架結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減輕質(zhì)量、方便拆裝，但傳統(tǒng)T型車架結(jié)構(gòu)存在著裝配繁瑣、穩(wěn)定性不足、剛度差的缺點(diǎn)[5]。提出一種Y型軌檢小車新車架結(jié)構(gòu)，兼并傳統(tǒng)T型車架優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)并顯著提升了車架的裝配效率、穩(wěn)定性以及剛度性能。

1 新Y型車架軌檢小車的結(jié)構(gòu)

新Y型車架軌檢小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)分為多個(gè)模塊，基本包括：新Y型車架、手推架裝置、棱鏡安裝裝置、導(dǎo)向行走輪與剎車機(jī)構(gòu)、軌距測(cè)量與行走輪機(jī)構(gòu)、傳感器組件。新Y型車架整體是Y型的支撐結(jié)構(gòu)，小車各個(gè)模塊均安裝在車架上，如圖1所示。

圖1 新Y型車架軌檢小車基本結(jié)構(gòu)

手推架裝置固定于雙輪支架基座的正上方，作用是便于推行小車與安放便攜式電腦。棱鏡安裝裝置固定于左側(cè)橫梁中心偏右位置的固定基座上，作用是通過(guò)全站儀來(lái)捕獲軌檢小車上棱鏡的三維坐標(biāo)。導(dǎo)向行走輪與剎車機(jī)構(gòu)安裝在雙輪支架上并與軌道軌面貼合，作用是保證小車在推行過(guò)程中行走輪不會(huì)偏離軌道與輔助小車進(jìn)行測(cè)距與里程計(jì)算。軌距測(cè)量與行走輪機(jī)構(gòu)安裝在左側(cè)橫梁上，作用是測(cè)量軌道的軌距與小車的行走里程。傳感器組件包括里程傳感器、直線位移傳感器、水平傳感器，里程傳感器的作用是測(cè)量小車行走里程，直線位移與水平傳感器作用是測(cè)量軌道的軌距與超高[6]。

2 軌檢小車新Y型車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車架設(shè)計(jì)要滿足剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性好的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則外，還應(yīng)該具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)合理便于零部件安裝與耐磨性好等要求[7]。新Y型軌檢小車車架的主體結(jié)構(gòu)均采用一體成形技術(shù)，即左側(cè)橫梁、右側(cè)雙輪支架和車架支撐板都是經(jīng)過(guò)一次加工成型的，取代了傳統(tǒng)T型車架由多塊較厚側(cè)板橫梁、支撐板及連接板連接而成的結(jié)構(gòu)。新Y型與傳統(tǒng)T型車架結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 新Y型軌檢小車整體車架

圖3 傳統(tǒng)T型軌檢小車整體車架

新Y型車架采用一體式結(jié)構(gòu)不僅有利于加工時(shí)一次成型，而且顯著地減少了軌檢小車裝配零件的數(shù)量，裝配效率得到明顯提升。由于新車架需要連接定位裝配的零件少，也相應(yīng)地降低了裝配時(shí)所產(chǎn)生不必要的累積誤差，從而使得軌檢小車的測(cè)量精度更高；與此同時(shí)，傳統(tǒng)T型車架采用螺釘連接的方式需對(duì)多個(gè)零件進(jìn)行拼接，小車使用過(guò)程中不慎的撞擊或長(zhǎng)時(shí)間使用后，組件和螺釘會(huì)產(chǎn)生變形，致使小車測(cè)量精度降低甚至報(bào)廢，而本新Y型軌檢小車車架則克服了上述缺陷，保證了其使用壽命和測(cè)量精度。

另外，新Y型軌檢小車整體車架是將右側(cè)雙輪支架上的基座與左側(cè)橫梁通過(guò)螺栓連接起來(lái)的，整體形成了Y型支撐結(jié)構(gòu)，整個(gè)軌檢小車的重心剛好落在Y型支撐結(jié)構(gòu)的交叉處，即雙輪支架上的基座中心點(diǎn)，相對(duì)傳統(tǒng)T型車架在結(jié)構(gòu)上顯得更加勻稱而穩(wěn)定。為了軌檢小車在推行過(guò)程中更加平穩(wěn)，新Y型車架對(duì)重心高低進(jìn)行了調(diào)整，相對(duì)傳統(tǒng)T型車架對(duì)重心降低了45 mm，兩種車架重心對(duì)比如圖4所示。

圖4 新Y型與傳統(tǒng)T型車架重心對(duì)比

新Y型小車的車架主體結(jié)構(gòu)材料與傳統(tǒng)T型車架材料相同，均使用2024型鋁合金材料，屈服強(qiáng)度δs=276 MPa，彈性模量E=70 GPa，具有較輕質(zhì)量與耐磨的情況下并有較好的強(qiáng)度與剛性，更好地滿足使用要求。

3 軌檢小車車架結(jié)構(gòu)分析

軌檢小車的車架承載著各個(gè)組成機(jī)構(gòu)與零件，除此之外，小車在平時(shí)檢測(cè)使用過(guò)程中，檢測(cè)人員通常在檢測(cè)鐵路上為了方便攜帶工具包與其他材料，經(jīng)常把這些物品放置在小車的雙輪車架上，因此需要更高剛度與可靠性的車架才能更好滿足使用要求。

3.1 新Y型車架橫梁連接螺栓的強(qiáng)度校核

左側(cè)橫梁與右側(cè)雙輪支架依靠螺栓連接成整體的Y型支撐結(jié)構(gòu)，且整車的受力中心位于左右兩側(cè)組件連接處附件的基座上，因此為了保證整體車架的可靠性，需要對(duì)連接螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核。車架橫梁的連接是采用性能為9.8級(jí)、材料為45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼的普通內(nèi)六角螺栓，d=8 mm，屈服強(qiáng)度σs=720 MPa，安全系數(shù)取最大值S=1.5。軌檢小車車架上所受總質(zhì)量(包括電池、筆記本電腦、棱鏡柱等其他零部件)約等于40 kg，并額外施加壓力1 000 N進(jìn)行強(qiáng)度校核。

(1)螺栓預(yù)緊力F0計(jì)算

雙輪支架與左側(cè)橫梁使用3個(gè)螺栓連接，如圖5所示，施加1000N額外壓力后得所受總載荷F∑=G+1 000 N=1 400 N，依據(jù)查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》連接螺栓預(yù)緊力公式，可計(jì)算得到

圖5 車架橫梁螺栓連接示意

(2)受拉螺栓螺紋部分的強(qiáng)度校核

本螺栓連接靠預(yù)緊力時(shí)接合面間產(chǎn)生摩擦力來(lái)抵抗工作橫向載荷，螺栓工作時(shí)充分?jǐn)Q緊，將總拉力F0增大30%作為計(jì)算載荷，此時(shí)螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)度條件為

故車架橫梁間采用的螺栓連接可靠，軌檢小車車架簡(jiǎn)化成一體的Y型結(jié)構(gòu)，利用有限元分析軟件做進(jìn)一步分析。

3.2 軌檢小車車架有限元分析

分析模型為新Y型與傳統(tǒng)T型小車車架。車架模型主要零件包括車架、3個(gè)行走輪與行走輪連接軸。為了節(jié)省分析時(shí)間則需要簡(jiǎn)化分析模型，3個(gè)行走輪與車架連接的軸直接化成一體。利用Solidworks三維軟件裝配好后，另存為XT格式，導(dǎo)入Ansys Workbench平臺(tái)進(jìn)行進(jìn)一步分析。車架主體結(jié)構(gòu)材料均加載鋁合金材料，剎車輪、行走輪等其他的材料均加載為結(jié)構(gòu)鋼材料。

在進(jìn)行分析過(guò)程中，除剎車輪、行走輪設(shè)置為固定約束外，其余部分均采用固定剛性連接，3個(gè)活動(dòng)輪添加固定約束I，額外重力A=1 000 N，徑向推力B=100 N，電池倉(cāng)重力C=25 N，棱鏡裝置重力D=25 N，測(cè)距彈力E=200 N，扳手孔軸向力F=200 N，軌距傳感器及導(dǎo)向輪裝置重力G=50 N，重力加速度H，則新Y型與傳統(tǒng)T型車架約束與載荷如圖6、圖7所示。

圖6 新Y型車架模型約束與載荷圖

圖7 傳統(tǒng)T型車架模型約束與載荷圖

在施加約束與載荷后，求解得到新Y型與傳統(tǒng)T型車架應(yīng)變結(jié)果如圖8所示。

圖8 新Y型與傳統(tǒng)T型車架額外重力1000N變形云圖

通過(guò)對(duì)新Y型與傳統(tǒng)T型的車架在ANSYS Workbench平臺(tái)進(jìn)行分析后，得出的分析數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 車架分析數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)分析結(jié)果可知，新Y型軌檢小車車架在額外承受額外重力1 000 N時(shí)較傳統(tǒng)T型車架最大變形減少了0.136 22 mm，而兩者的最大應(yīng)力相差不大，均遠(yuǎn)小于材料2024型鋁合金的屈服強(qiáng)度δs=276 MPa，因此新Y型軌檢小車車架達(dá)到了改進(jìn)優(yōu)化，剛度提升的目的。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)新Y型與傳統(tǒng)T型車架的分析研究，得出以下結(jié)論。

(1)新Y型車架主體結(jié)構(gòu)采用一體成型，較傳統(tǒng)T型結(jié)構(gòu)車架提高了裝配效率與使用壽命。

(2)新Y型車架在整體重心高低進(jìn)行了調(diào)整，相對(duì)傳統(tǒng)T型車架整體重心降低了45 mm，軌檢小車在推行過(guò)程中穩(wěn)定性更好。

(3)新Y型車架在承受額外重力1 000 N的最大變形較傳統(tǒng)T型車架降低了0.136 22 mm，最大應(yīng)力在材料2024型鋁合金的屈服應(yīng)力范圍內(nèi)，達(dá)到了改進(jìn)優(yōu)化，剛度提升的目的。

因此新Y型軌檢小車車架是一種較傳統(tǒng)T型車架具有更好的裝配效率、穩(wěn)定性與剛度的結(jié)構(gòu)，適用于軌檢小車結(jié)構(gòu)的更新?lián)Q代。目前該新Y型軌檢小車在合福高鐵在建路段已經(jīng)調(diào)試成功。

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Overall Frame Structural Design and Analysis of New Track Inspection Instrument

ZHI Li-cai1, YANG Xue-rong1, CHENG Si-yuan1,2, YANG Shi-feng3

(1.Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2.Key Laboratory of Innovation Method and Decision Management System of Guangdong Province, Guangzhou 510006, China;3.South Surveying & Mapping Instrument Co., Ltd. Guangzhou 510665, China)

In view of the disadvantages of the traditional T-shaped frame track inspection instrument with difficulties in assembling, poor stability and rigidity, this paper puts forward a new track inspection instrument with Y-shaped frame. The main structure of this new frame is integrated, lowering the overall center of gravity by 45 mm, improving the assembling efficiency, and extending the service life. In addition, it strengthens the stability during the process of implementation much than the traditional one. The reliability of the connecting bolts is proved with the test of the new Y-shaped frame beam. And the rigidity of new Y-shaped frame is significantly upgraded according to the results of the ANSYS Workbench finite element analysis and the comparison between the new frame of Y-shaped and the traditional T-shaped.

Track inspection instrument; Overall frame; Structural design; Finite element analysis

2014-11-12；

2014-12-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51105078)；廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(2012B091100190)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011A060901001，2013B061000006)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013J4300019)

植立才(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：licai129@126.com。

1004-2954(2015)08-0059-03

U216.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.014