鋼軌探傷車對(duì)中裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李從祥 周利文

摘 要

：對(duì)中裝置是鋼軌探傷車探傷系統(tǒng)的主要部件，對(duì)中支架安裝在與轉(zhuǎn)向架相連的探傷裝置架體上。為保證裝車用對(duì)中支架的安全可靠性，對(duì)其受力計(jì)算分析，并對(duì)實(shí)驗(yàn)用支架進(jìn)行受力及疲勞計(jì)算，得出原支架設(shè)計(jì)不達(dá)疲勞要求。對(duì)支架做優(yōu)化改進(jìn)，并做沖擊、疲勞及探傷試驗(yàn)。結(jié)果表明，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)及零部件符合裝車要求。

關(guān)鍵詞

鋼軌探傷車;對(duì)中支架;疲勞;優(yōu)化

中圖分類號(hào)： U213.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 24

0 引言

鋼軌探傷車承擔(dān)在役鋼軌的傷損檢測(cè)任務(wù)，激光對(duì)中裝置是鋼軌探傷車探傷裝置的重要組成部分，其包括對(duì)中控制器、對(duì)中傳感器裝置、伺服作動(dòng)器等組成[1-2]。其中對(duì)中傳感器裝置部分主要由對(duì)中支架、安裝耳等組成，其模型如圖1所示。對(duì)中支架安裝在轉(zhuǎn)向架上的架體上，其隨車運(yùn)動(dòng)時(shí)，沖擊和振動(dòng)強(qiáng)烈，為保證裝置安全穩(wěn)定的工作，需對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析。

1 原支架受力分析及優(yōu)化

根據(jù)軌道交通標(biāo)準(zhǔn)IEC 61373，探傷裝置通過(guò)左右縱梁安裝在車軸端蓋處，屬于3類安裝位置，對(duì)中支架安裝在探傷裝置的框架上，框架與車軸端蓋間有彈性減振元件，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及減振效率可計(jì)算出作用于安裝支架的RMS值分別為28.8m/s2、25.8m/s2、12.86m/s2，振動(dòng)頻譜參照3類。

對(duì)原支架及關(guān)鍵部件用ABAQUS做受力分析，其中對(duì)螺栓進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，并將對(duì)中傳感器簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)處理。對(duì)模型分單獨(dú)施加垂向、縱向、橫向及3個(gè)方向同時(shí)施加載荷進(jìn)行受力分析，得出對(duì)中支架最大應(yīng)力為209MPa，位置處于支架豎梁與頂板之間焊接的加強(qiáng)筋位置，如圖2所示;安裝耳最大應(yīng)力為66.2MPa，如圖3所示，支架采用Q345材料，由分析可知支架及安裝耳等最大應(yīng)力值都小于材料屈服強(qiáng)度。

根據(jù)機(jī)車車輛設(shè)備沖擊振動(dòng)試驗(yàn)（IEC61373）要求，初步計(jì)算支架及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)壽命不小于N=1.62×106次循環(huán)[3]。

支架工作循環(huán)應(yīng)力幅為Sa=209MPa;由疲勞極限與強(qiáng)度極限關(guān)系公式可得：Sf（torsion）=0.29Su=136.3MPa，其中Su=470MPa;根據(jù)S-N曲線存在冪函數(shù)式Sm*N=C關(guān)系，根據(jù)相關(guān)理論可得：m=3/lg（0.9/k）=6.1，其中k取0.29，又C=（0.9Su）m×103=1.05×1019，得N=C/Sm=1.05×1019/2096.1=7.3×104，支架不滿足疲勞設(shè)計(jì)要求，故需對(duì)支架做優(yōu)化設(shè)計(jì)處理。

因?qū)χ醒b置安裝位置的受限，對(duì)原結(jié)構(gòu)難有大調(diào)整，僅做局部?jī)?yōu)化，優(yōu)化內(nèi)容有：a，采用豎梁直插頂板，并在兩側(cè)焊接;b，橫板加厚2mm，縮短減重孔至40mm，橫梁直插橫板并在兩側(cè)焊接;c，方管增厚至4mm。對(duì)中支架優(yōu)化后模型如圖4所示，優(yōu)化后質(zhì)量增加近12%，未超出其設(shè)計(jì)要求。對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)做有限元分析，得出支架應(yīng)力最大值為107MPa，處于橫板上，其應(yīng)力云圖如圖5所示。進(jìn)行對(duì)中支架疲勞壽命的估算，可得壽命為N=4.3×106次，優(yōu)化后符合設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)計(jì)算安裝耳的疲勞壽命遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)壽命，但在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)安裝耳斷裂的情況，如圖6所示，分析斷裂原因認(rèn)為有：斷裂處為直角設(shè)計(jì)，產(chǎn)生了應(yīng)力集中。對(duì)安裝耳做去除臺(tái)階、增大圓角等優(yōu)化處理。優(yōu)化后的安裝耳最大應(yīng)力值為46.4MPa，小于優(yōu)化前最大應(yīng)力值，應(yīng)力云圖如圖7所示。

2 長(zhǎng)壽命及探傷試驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，對(duì)裝置進(jìn)行了磁粉探傷、沖擊、疲勞試驗(yàn)。長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)如圖8所示。完成長(zhǎng)壽命試驗(yàn)后再對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行磁粉探傷檢測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果顯示所有焊縫及橫豎方鋼上均未有觀察到缺陷磁痕。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的對(duì)中支架及關(guān)鍵部件符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)計(jì)算分析，對(duì)原支架及部分關(guān)鍵部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化后的產(chǎn)品進(jìn)行了沖擊與振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化后的產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]王新海.高速探傷車超聲波探頭自動(dòng)對(duì)中心態(tài)研究.鐵道機(jī)車車輛，2005.

[2]鐘艷春.鋼軌探傷車激光自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)研制.鐵道建筑，2016.

[3]陳傳堯.疲勞與斷裂，2002.