傳統(tǒng)T型軌檢小車(chē)走行輪結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

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)

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傳統(tǒng)T型軌檢小車(chē)走行輪結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

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)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)T型軌檢小車(chē)走行輪采用外圓環(huán)貼合軌道側(cè)面的設(shè)計(jì)，存在制造與后期維護(hù)繁瑣、單雙輪組件的走行輪不能互換、長(zhǎng)時(shí)間使用磨損大的問(wèn)題，提出一種新型的走行輪改進(jìn)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)采用3個(gè)規(guī)格完全一樣的走行輪，并設(shè)計(jì)一定位輪裝置代替雙輪組件走行輪外圓環(huán)的設(shè)計(jì)，顯著提升走行輪在制造與后期維護(hù)的簡(jiǎn)便性以及耐磨性能。通過(guò)對(duì)定位輪裝置中心軸的ANSYS Workbench有限元分析，驗(yàn)證該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

關(guān)鍵詞：軌檢小車(chē); 走行輪; 改進(jìn)設(shè)計(jì); 有限元分析

隨著貴廣、南廣、杭長(zhǎng)等高速鐵路的開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，截止2014年底，我國(guó)的高鐵運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到了1.6萬(wàn)km，是世界上高鐵運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)、在建規(guī)模最大的國(guó)家[1]。現(xiàn)階段我國(guó)高鐵的運(yùn)營(yíng)速度日益提高，而列車(chē)能否在高速狀態(tài)下安全行駛是社會(huì)一直以來(lái)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。其中，軌道幾何參數(shù)的精調(diào)是高速列車(chē)提供安全行駛的重要依據(jù)，而軌檢小車(chē)則是參與檢測(cè)軌道靜態(tài)幾何參數(shù)的便攜裝置，它結(jié)合專(zhuān)用計(jì)算機(jī)、特殊傳感器、高精度全站儀等先進(jìn)儀器設(shè)備組成精密的軌道檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)出軌距、水平(超高)、軌向(高低)、長(zhǎng)短波不平順等軌道幾何參數(shù)[2-3]。

目前我國(guó)軌檢小車(chē)的研發(fā)處于高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，但仍與國(guó)外先進(jìn)精密的瑞士安伯格GRP、德國(guó)GEDO CE軌檢小車(chē)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(chē)的研發(fā)勢(shì)在必行[4]。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)T型軌檢小車(chē)走行輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，總結(jié)其不足并提出一種新型的改進(jìn)方案，以提高走行輪在制造與后期維護(hù)的簡(jiǎn)便性以及耐磨性能。

1T型軌檢小車(chē)整體結(jié)構(gòu)

T型結(jié)構(gòu)軌檢小車(chē)是國(guó)內(nèi)研發(fā)廠商的主流設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減輕質(zhì)量、便捷拆裝[5]，其機(jī)械結(jié)構(gòu)由多個(gè)模塊組成，其中包括單輪組件、雙輪組件、傳感器組件、棱鏡安裝裝置、手推架裝置。軌檢小車(chē)是采用螺栓把單輪組件與雙輪組件連接起來(lái)，形成一體的T型結(jié)構(gòu)車(chē)架，而棱鏡裝置與手推架裝置分別安裝在單輪組件與雙輪組件基座的正上方，從而形成軌檢小車(chē)的整體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　傳統(tǒng)T型軌檢小車(chē)基本結(jié)構(gòu)

單輪組件結(jié)構(gòu)部分包括軌距測(cè)量機(jī)構(gòu)、左側(cè)車(chē)體構(gòu)架、軌距傳感器、走行輪組成，軌距測(cè)量機(jī)構(gòu)安裝在左側(cè)車(chē)體構(gòu)架內(nèi)并與貼合軌道內(nèi)側(cè)的導(dǎo)向輪連接，目的是檢測(cè)軌道軌距。雙輪組件結(jié)構(gòu)部分包括右側(cè)車(chē)體構(gòu)架、外圓環(huán)走行輪、剎車(chē)裝置組成，目的是與單輪組件連接配合成T型車(chē)架結(jié)構(gòu)，保持小車(chē)穩(wěn)定的行走姿態(tài)。棱鏡安裝裝置結(jié)構(gòu)部分包括棱鏡安裝柱與棱鏡組成，棱鏡的作用是配合高精度的全站儀測(cè)出棱鏡中心的三維坐標(biāo)。手推架裝置結(jié)構(gòu)部分由便攜式電腦支撐板、手推架組成，作用是便捷地推行小車(chē)在軌道上進(jìn)行檢測(cè)以及放置專(zhuān)用電腦。傳感器組件由軌距傳感器、水平傾角傳感器、里程傳感器組成，作用是測(cè)量軌道的軌距、超高與小車(chē)推行檢測(cè)段所行走的里程。

2軌檢小車(chē)走行輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

軌檢小車(chē)的走行輪是小車(chē)機(jī)械機(jī)構(gòu)至關(guān)重要的部分，它承載著小車(chē)行走、輔助軌距測(cè)量與小車(chē)?yán)锍虦y(cè)量的重任。走行輪對(duì)材料要求較高，氮化硅是其最常用的制造材料，可以滿足硬度高、耐磨損、抗氧化、抗冷熱沖擊、絕緣等性能要求。

2.1　傳統(tǒng)T型軌檢小車(chē)走行輪結(jié)構(gòu)分析

傳統(tǒng)軌檢小車(chē)走行輪由單輪組件走行輪與雙輪組件走行輪組成，其中單輪組件走行輪采用圓柱形設(shè)計(jì)，配合里程傳感器進(jìn)行小車(chē)的里程測(cè)量；而雙輪組件走行輪采用外圓環(huán)圓柱形設(shè)計(jì)，走行輪的外圓環(huán)在進(jìn)行軌距測(cè)量時(shí)由于軌距測(cè)量機(jī)構(gòu)彈簧力的作用使其貼合軌道內(nèi)側(cè)面，輔助軌檢小車(chē)進(jìn)行軌距測(cè)量，單雙輪組件走行輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　單雙輪組件走行輪結(jié)構(gòu)

由于單輪與雙輪組件走行輪采用圓柱形與外圓環(huán)圓柱形的設(shè)計(jì)，在制造過(guò)程需要不同的模具進(jìn)行鑄造，并且雙輪組件走行輪貼合軌道的外圓環(huán)側(cè)面與走行輪表面的精度也大不相同，從而大大增加了鑄造的繁瑣。另外由于軌檢小車(chē)的雙輪組件走行輪外圓環(huán)側(cè)面與軌道側(cè)面在軌道檢測(cè)時(shí)要一直保持貼合的滾動(dòng)接觸狀態(tài)，故在長(zhǎng)時(shí)間的使用會(huì)造成較明顯的磨損痕跡(圖3)，從而造成軌距測(cè)量誤差的加大。而在走行輪后期維護(hù)上，走行輪外圓環(huán)側(cè)面或者走行輪表面遇到磨損需要更換時(shí)，則需要換掉整個(gè)走行輪，從而造成維修成本增加與材料浪費(fèi)。

圖3　外圓環(huán)走行輪磨損

2.2　軌檢小車(chē)走行輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)

針對(duì)傳統(tǒng)T型軌檢小車(chē)走行輪采用外圓環(huán)貼合軌道側(cè)面的設(shè)計(jì)，存在制造與后期維護(hù)繁瑣、單雙輪組件的走行輪不能互換、長(zhǎng)時(shí)間使用磨損大的問(wèn)題，提出了一種新型的走行輪改進(jìn)機(jī)構(gòu)，該走行輪機(jī)構(gòu)的單雙輪組件整體結(jié)構(gòu)采用3個(gè)規(guī)格完全一樣的圓柱形走行輪，而雙輪組件的走形輪采用2個(gè)規(guī)格完全一樣的走形輪與一定位輪裝置組成，其中定位輪裝置代替雙輪組件走行輪外圓環(huán)的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　改進(jìn)后雙輪組件走行輪結(jié)構(gòu)

改進(jìn)設(shè)計(jì)后，單雙輪組件走行輪的規(guī)格完全相同，從而減少鑄造模具的多樣化與鑄造成本；而在后期維護(hù)方面，走行輪的維修更換與定位輪沒(méi)有任何聯(lián)系，取代了傳統(tǒng)軌檢小車(chē)的走行輪外圓環(huán)側(cè)面或者走行輪表面遇到磨損更換時(shí)，則需要換掉整一個(gè)走行輪的不便，從而顯著提升了維修效率與降低了維修成本。除此之外，傳統(tǒng)軌檢小車(chē)外圓環(huán)走行輪的側(cè)面與軌道側(cè)面在檢測(cè)工作時(shí)一直處于面面接觸的滾動(dòng)摩擦狀態(tài)，而改進(jìn)后走行輪機(jī)構(gòu)的定位輪與軌道側(cè)面為點(diǎn)面接觸，與傳統(tǒng)T型走行輪外圓環(huán)接觸軌道側(cè)面相比大大減少了輪子接觸軌道側(cè)面的接觸面積，從而降低了材料的磨損以及更有利于走行輪長(zhǎng)時(shí)間的使用。

2.3　定位輪裝置設(shè)計(jì)分析

通過(guò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，傳統(tǒng)軌檢小車(chē)走行輪貼合軌面的外圓環(huán)被定位輪裝置所代替，該裝置基本零件由側(cè)板、定位輪、中心軸、固定塊、螺母、軸承組成。定位輪的側(cè)板安裝在固定塊上，作用是為了保護(hù)定位輪避免與其他物體發(fā)生碰撞；固定塊通過(guò)螺栓安裝在雙輪的支架上，作用是為了整個(gè)定位輪裝置處于固定狀態(tài)；定位輪安裝在中心軸上，并且輪的最下緣貼合軌道內(nèi)側(cè)軌頂面下16 mm處，作用是在進(jìn)行軌距測(cè)量時(shí)通過(guò)軌距測(cè)量機(jī)構(gòu)彈簧力的作用使其貼合軌道內(nèi)側(cè)面下16 mm處，輔助軌檢小車(chē)進(jìn)行軌距測(cè)量，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　定位輪裝置結(jié)構(gòu)

由于定位輪與走行輪的工作性能相似并要求小車(chē)處于絕緣狀態(tài)，則制造材料同樣為氮化硅。

3定位輪裝置中心軸的有限元分析

軌檢小車(chē)在進(jìn)行軌道測(cè)量工作時(shí)，由于軌距測(cè)量機(jī)構(gòu)彈簧力的作用使定位輪貼合軌道內(nèi)側(cè)面，則軌檢小車(chē)x平面受力情況如圖6所示。軌距測(cè)量機(jī)構(gòu)的彈簧力F=100 N使雙輪組件的兩個(gè)定位輪貼緊軌道內(nèi)側(cè)面，而兩個(gè)定位輪則受反作用支撐力Fb1X與Fb2X=50 N，因此定位輪裝置在受力時(shí)相當(dāng)于懸臂梁狀態(tài)，而定位輪材料為氮化硅受力不發(fā)生塑型變形，則定位輪中心軸是受力變形的關(guān)鍵部位。

圖6　軌檢小車(chē)x平面受力

由于定位輪輔助軌檢小車(chē)進(jìn)行軌距測(cè)量，而軌距的測(cè)量是根據(jù)小車(chē)橫梁固定的長(zhǎng)度加上軌距傳感器測(cè)量的可變長(zhǎng)度而得到，定位輪軸的變形勢(shì)必會(huì)引起軌距測(cè)量誤差，因此需要對(duì)其進(jìn)行有限元分析。

在Solidworks進(jìn)行三維建模后，另存為XT格式，導(dǎo)入Ansys Workbench平臺(tái)進(jìn)行進(jìn)一步分析，材料加載45號(hào)鋼，定位中心軸被固定塊固定的圓柱面施加圓柱面約束A，端面施加固定約束C，定位輪受力端面施加軸承荷載B，則定位輪中心軸約束與荷載如圖7所示。

圖7　定位輪中心軸約束與荷載圖

在施加約束與荷載后，求解得到定位中心軸應(yīng)變與應(yīng)力結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8　定位輪中心軸50 N受力變形云圖

圖9　定位輪中心軸50 N受力應(yīng)力云圖

根據(jù)Ansys Workbench平臺(tái)分析結(jié)果可知，定位中心軸在承受50 N的支撐力時(shí)所發(fā)生的最大變形為0.007 678 mm，最大應(yīng)力為20 MPa。根據(jù)《客運(yùn)專(zhuān)線軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x暫行技術(shù)條件》科技基(2008)86號(hào)規(guī)定，軌距測(cè)量誤差為±0.3 mm，而定位輪中心軸所產(chǎn)生的變形誤差0.007 678 mm遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.3 mm，并且最大應(yīng)力20 MPa也遠(yuǎn)小于材料45號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度δs=355 MPa，因此定位輪裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)T型軌檢小車(chē)走行輪的改進(jìn)設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論。

(1)新型的走行輪機(jī)構(gòu)采用3個(gè)規(guī)格完全一樣的走行輪，避免了傳統(tǒng)T型單雙輪組件的走行輪不能互換的不便。

(2)新型的走行輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一定位輪裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)T型雙輪組件走行輪外圓環(huán)的設(shè)計(jì)，顯著提升了走行輪在制造與后期維護(hù)的簡(jiǎn)便性。

(3)新型的走行輪機(jī)構(gòu)的定位輪與軌道側(cè)面為點(diǎn)面接觸，與傳統(tǒng)T型走行輪外圓環(huán)接觸軌道側(cè)面相比大大減少了輪子接觸軌道側(cè)面的接觸面積，從而降低了材料的磨損以及更有利于走行輪長(zhǎng)時(shí)間的使用。

(4)通過(guò)對(duì)新型的走行輪機(jī)構(gòu)定位輪裝置中心軸的Ansys Workbench有限元分析結(jié)果得出，驗(yàn)證了該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

因此改進(jìn)設(shè)計(jì)的新型走行輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性高，顯著提升了走行輪在制造與后期維護(hù)的簡(jiǎn)便性以及耐磨性能，適用于軌檢小車(chē)結(jié)構(gòu)的更新?lián)Q代。目前該走行輪機(jī)構(gòu)已被新型的軌檢小車(chē)所采用，并在合福高鐵在建路段已經(jīng)調(diào)試成功。

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Improved Structure Design of Traditional Track Inspection Instrument with T-shape Walking Wheel

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.)

Abstract：In view of the problems during manufacturing and later maintenance period， the inability to exchange the walking wheels between the single and double wheel component and the severe abrasion for longtime employment， which are existed in the design of the excircle ring plying-up the side of the railway track in the traditional track inspection instrument with T-shaped walking wheel， this paper proposes a new type of improved walking wheel mechanism with three totally same standard walking wheels. One positioned wheel device is also designed to replace the excircle ring of the walking wheel in the double wheel component for this new mechanism. Both of the simplicity of the manufacturing and maintenance in later period and the wear-resisting property of the walking wheels have been notably improved. Finally， the rationality of the structural design is verified via the ANSYS Workbench finite element analysis (FEA) of the central axis inside of the positioned wheel device.

Key words：Track inspection instrument; Walking wheels; Improved design; Finite element analysis

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

基金項(xiàng)目：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(2011A06 0901001，2013B061000006)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013J4300019)

收稿日期：2015-05-06； 修回日期：2015-06-08

中圖分類(lèi)號(hào)：U213.4+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.005

文章編號(hào)：1004-2954(2016)01-0023-04