高速軌道探傷車結構設計

楊強，李濤濤，盛俊杰，王嘉誠

（華東交通大學機電與車輛工程學院，南昌330013）

0 引 言

近年來隨著我國經濟的迅速發(fā)展，鐵路發(fā)展也取得了舉世矚目的成績，根據國家的中長期鐵路網規(guī)劃，到2020年，鐵路營業(yè)里程將增加至15 萬km，其中高鐵線路則將增加至3萬km，將覆蓋80%以上的大城市[1-3]。鐵路線路是鐵路運輸業(yè)的基礎設備，其常年裸露在大自然環(huán)境中，經受著風雨凍融和列車荷載的作用，軌道幾何尺寸會發(fā)生變化，路基及道床也會產生變形，隨著鋼軌、聯(lián)結零件及軌枕的不斷磨損，而使線路設備技術狀態(tài)不斷地發(fā)生變化，因此需要工務部門定期對其狀態(tài)進行檢測。而隨著我國鐵路里程的延長，鐵路工務部門要承擔的軌道檢測的作業(yè)任務量也將更加繁重[4]。

目前國內現有的靜態(tài)檢測探傷方式，主要是依靠工務段、車間、工區(qū)對線路進行檢測[5-6]。靜態(tài)檢測是指車輪沒有載荷，用人工或輕型測量小車對線路進行的檢查。而動態(tài)檢測是在列車車輪荷載作用下通過添乘儀、車載式線路檢查儀、軌道檢查車等設備對線路進行的檢測[7-9]。由于靜態(tài)線路檢測的局限性，動態(tài)線路檢測技術迫在眉睫，也是未來發(fā)展的重點方向。國內鐵路檢測技術在引進高速鐵路時經過發(fā)展，開發(fā)出了綜合檢測列車，“黃醫(yī)生”檢測車具有對線路軌道、牽引供電、通信信號等基礎設施、輪軌和弓網接觸狀態(tài)及列車舒適性指標等進行高速動態(tài)時空同步檢測，并具有實時數據傳輸、存儲和分析處理功能，實現了實時圖像識別和數據綜合處理等先進技術[10]，“黃醫(yī)生”采用5動3拖的模式，全車有5節(jié)車廂為動力車、3節(jié)車廂為拖車，是由兩個動力單元組成的動力分散型動車組，最高檢測時速為250 km，最大牽引功率達5500 kW，相當于擁有約7500匹馬力的動力。但“黃醫(yī)生”整車造價昂貴、能耗消耗巨大，且直屬中鐵集團由其統(tǒng)一調配，現有數量較少，且對一條線路的檢修探測以1～2個月呈周期性檢修, 線路檢修先由所屬鐵路局向中鐵集團申請“黃醫(yī)生”，因此對于數量龐大的線路檢測極為不便。

基于“黃醫(yī)生”檢測車應用的不足之處，設計軌道探傷檢測車，將原本分散在各個鐵路裝備中的功能集成起來安裝在1節(jié)車內，將原有的8節(jié)編組變?yōu)?節(jié)檢測車，可以檢測接觸網的位移及異物、建筑限界、鋼軌軌面參數、輪軌接觸力等缺陷，該軌道探傷車的成功應用，將極大提高軌道探傷效率、減輕基礎工務人員的工作強度。

1 結構設計與檢測系統(tǒng)

1.1 車頭優(yōu)化設計

列車貼近地面運行，長徑比遠大于其他交通工具，空氣阻力分布特性與汽車、卡車或飛機相比較更為復雜。列車的空氣阻力特性關系到列車的提速和列車的節(jié)能環(huán)保能力，優(yōu)化頭型是高速列車減阻技術的重要手段。該軌道探傷車設計的工作運行速度在250 km/h左右，最高速度可達300 km/h。為減少高速列車在運行過程中的氣動阻力，提出設計3種不同頭部外形來優(yōu)化檢測車氣動性能。通過Pro/Engineer三維軟件建立了高速列車模型、參數化的列車模型和計算域模型，圖1～圖3所示為3種不同的檢測車模型，即鯊魚鰭車身、頂部裸露檢測裝置車身、覆有凸包車身，對高速列車模型進行簡化處理以減少數值仿真計算。

圖1 鯊魚鰭車身

圖2 頂部裸露檢測器車身

圖3 覆有凸包車身

圖4 氣動力分析結果

通過分析發(fā)現，鯊魚鰭車身綜合減阻作用和節(jié)能效果最好，結果如圖4所示；覆有凸包車身可有效減低黏性阻力，但是其差壓阻力較大導致總減阻效果不太理想；頂部裸露檢測器車身其黏性阻力和壓差阻力都較大，所以減阻作用最差，因此僅從空氣動力學方面考慮應采用鯊魚鰭車身檢測車。

1.2 承載式車身設計

基于整車體積小質量輕，且無人駕駛所帶來的在結構上可創(chuàng)新優(yōu)化的空間大，我們主要對車體和轉向架（軌道車輛的走行部類似于汽車的車輪減震器轉向機構的總和）進行優(yōu)化。借鑒公路車輛的承載式結構，創(chuàng)新設計出以往沒有的承載式車身（如圖5），將所有檢測設備及儲能設備全部集成在車體內部，既突破了車架加車身的傳統(tǒng)設計，大幅減輕了整車質量，同時又能夠將檢測所用的電氣設備與輪軌隔離，很大程度上減少了檢測車在運行過程中對其設備的不良影響。

1.3 轉向架整體結構設計

在轉向架整體設計上，取消了一系懸掛，采用平行四桿機構，并在此機構的對角線上增設油壓減震器，與傳統(tǒng)的一系懸掛相比，大幅減輕了簧下質量，兩側空氣彈簧和牽引裝置均裝在轉向架頂部的構架上，縱向防沖桿有效避免了探傷車在運行時的縱向沖擊，構架和驅動裝置通過轉向架上臂、中臂、下臂連接起來，空氣彈簧作為垂向減震器緩解了車體的垂向振動，如圖6所示。整個轉向架結構緊湊，各部件相互配合使轉向架運行穩(wěn)定、靈活，同時也使軌道探傷車具有更為優(yōu)越的動力性能。

圖5 承載式車身設計

1.4 電動機獨立驅動牽引系統(tǒng)

該轉向架采用了電動機獨立驅動裝置，用4部電動機分別驅動車輪運行，且每個車輪有獨立的制動裝置，互不影響，如圖7所示。因此橫向運動完全解耦，故理論上不存在蛇形運動，不僅具有良好的高速穩(wěn)定性，還避免使用質量大、成本高的抗蛇行減震器，并且此種設計可以留出空間安裝縱向減震器，緩解車輛在加速或制動過程中帶來的縱向沖擊，改善車輛運行過程中的伸縮運動。

1.5 共軌兩用的履帶設計

為方便檢測車的行走，安裝履帶為探傷車提供在非軌道路面運行，實現跨軌運行，同時也是有效的避讓措施，當需要換軌時通過履帶升降使軌道探傷車在路面運行實現跨軌動作，結構如圖8所示。

1.6 檢測模塊及檢測形式

圖6 轉向架整體設計

圖7 電動機獨立驅動設計

圖8 履帶設計

圖9 檢測模塊布局

該軌道探傷檢測車裝有大部分檢測設備,將檢測技術做成子功能模塊集成在一個可以移動的平臺上,如圖9所示，轉向架上的紅外激光動態(tài)監(jiān)測設備可以檢測軌道表面質量、結構缺陷、扣件的松緊程度，圖像識別檢測系統(tǒng)主要用于檢測鋼軌軌面參數，檢測鋼軌缺陷。通過檢測車上的激光檢測模塊對接觸網的縱向高度及橫向位移進行檢測，圖像識別技術對接觸網進行異物檢測，如圖10所示。搭載在測力輪對上的輪軌接觸力測量裝置，可以依據測力裝置輸出電流的大小判斷輪軌接觸力，從而依據鋼軌對車輪的作用力反映鋼軌是否存在缺陷。激光斷面掃描儀可以對鋼軌的輪廓進行標準化檢測，測力輪對裝置可以檢測鋼軌間隙、道岔精度，如圖11所示。超聲波回彈檢測裝置可以檢測隧道輪廓和襯砌臺位移變化，判斷其是否影響列車正常運行，如圖12所示。地質雷達檢測裝配和限界測量裝置對地質情況條件進行綜合檢測，如圖13所示。

圖10 車頂激光檢測限界

圖11 斷面掃描及輪對測力

圖12 超聲波回彈裝置

圖13 地質雷達檢測

1.7 數據分析模塊

通過ZigBee模塊匯總，再用單片機于ZigBee網關和WIFI進行有線聯(lián)合通信。WIFI模塊將數據上傳至云平臺、遠程監(jiān)控通過APP訪問云平臺獲取數據并進行分析。節(jié)能檢測車從自身結構優(yōu)化和配備集成檢測設備兩大方面實現節(jié)能減排、提高檢測效率的目的。將移動平臺進行模塊化的設計，使其可以隨著工務人員的任務要求而對裝載的功能模塊進行選擇和調整，也是為了應對可能出現新的任務要求而方便升級功能。

2 創(chuàng)新及實用性

該軌道探傷車集多種檢測設備于一體，可以測量軌距、軌道平順性、軌縫等一系列功能。將靜態(tài)檢測設備巧妙地轉化為動態(tài)檢測，并且軌道探傷車所收集的數據通過遠程傳輸到后臺及時分析，提高檢測效率。頭型的優(yōu)化設計極大降低了空氣阻力，電動機獨立驅動系統(tǒng)和4位獨立輪對的轉向架設計提高了探傷檢測車的運行穩(wěn)定性和靈活性，降低車重，減少能耗。采用牽引系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、數據傳輸系統(tǒng)、數據分析系統(tǒng)使軌道探傷車穩(wěn)定、高效運行。軌道探傷車的應用極大提高了軌道探傷的效率，減輕了工人的勞作強度，為軌道探傷提供了新的檢測方式。