車輛多自由度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

方 姣 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

近年來，隨著我國高鐵行業(yè)的飛速發(fā)展，高速列車運(yùn)行速度的不斷提升，對列車行車安全提出了更高的要求，姿態(tài)角是評估列車運(yùn)行穩(wěn)定性的重要參數(shù)?，F(xiàn)階段，我國高鐵列車運(yùn)行姿態(tài)通過高速相機(jī)獲取車身表面信息，得到車身動態(tài)包絡(luò)線。經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗(yàn)，系統(tǒng)暴露出成本高，數(shù)據(jù)傳輸慢，圖像采集不穩(wěn)定，處理數(shù)據(jù)時存在大量無用數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)。因此，針對原有系統(tǒng)面臨的問題，本文設(shè)計(jì)一個車輛多自由度檢測系統(tǒng)，通過對平臺進(jìn)行受載情況的模擬仿真，來分析平臺的受力變形情況，并分析懸掛平臺和激光相機(jī)檢測裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為調(diào)節(jié)中央支撐平臺、兩側(cè)的懸掛平臺和激光相機(jī)檢測裝置的位置和角度來達(dá)到模擬車輛運(yùn)動過程中相對鋼軌運(yùn)動的效果提供重要的參考依據(jù)。

1 在Creo 中創(chuàng)建模型

基于對車輛運(yùn)動過程的現(xiàn)場觀察和相關(guān)文獻(xiàn)的查找，本文通過中央支撐平臺、兩側(cè)的懸掛平臺和激光相機(jī)檢測裝置的位置調(diào)節(jié)來達(dá)到模擬車輛運(yùn)行過程中相對鋼軌的運(yùn)動效果。

1.1 中央支撐平臺

中央支撐平臺如圖1 所示，主要由大墊塊、搖擺平臺、鋁型材框架、電動滑臺、鋼軌和鋼軌固定框架組成。

圖1 中央支撐平臺

如圖2 所示，鋼軌的軌距在1 410 mm-1 470 mm 之間變動，即兩鋼軌中心距之間的尺寸變化為1 480 mm-1 540 mm，正常情況下，取兩鋼軌中心距為1 505 mm?？紤]到軌底的寬度以及軌距變化的范圍，選擇行程為110 mm 的標(biāo)準(zhǔn)電動滑臺，來模擬行車過程中軌距的變化，從圖1 可看出，單根鋼軌使用兩個電動滑臺前后放置，為了保證鋼軌移動的同步，因此需要將前后兩個電動滑臺做成同步運(yùn)動滑臺。

在電動滑臺的滑動平臺上部放置鋼軌，由于軌底本身寬度大于滑動平臺的寬度，為了防止鋼軌在移動過程中碰撞到電機(jī)，因此需要通過鋼軌固定框架（如圖3 所示）來墊高鋼軌，同時，通過鋼軌固定框架上的四個支腿，采用C 型夾，固定鋼軌，達(dá)到扣件壓緊鋼軌的效果，防止鋼軌在中央支撐平臺的運(yùn)動過程中發(fā)生運(yùn)動。由于整個試驗(yàn)平臺僅在實(shí)驗(yàn)室使用，因此結(jié)構(gòu)搭建盡量簡單，采用的鋼軌為60 型號的鋁合金軌，鋼軌固定框架采用鋁型材搭接而成。

在電動滑臺的下部采用鋁型材用以支撐，根據(jù)電動滑臺的尺寸，選擇80120鋁型材，鋁型材框架的搭接如圖1 和2所示，兩根80120 鋁型材橫向排布，兩根鋼軌縱向排布，組成井字型框架，該框架各部分緊固之后，可以防止試驗(yàn)平臺整體變形。雖然采用的鋁合金鋼軌重量是原先鋼軌重量的1/3，但考慮到兩鋼軌的跨度很大，為了防止單根鋁型材在長期使用過程中發(fā)生疲勞變形，在鋁型材中部增加斜拉式結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。為了防止電動滑臺在試驗(yàn)平臺運(yùn)動過程中發(fā)生運(yùn)動，在電動滑臺兩側(cè)安裝限位裝置（如圖3 所示）。

圖2 中央支撐平臺平面尺寸圖

圖3 鋼軌固定框架

在鋁型材框架的下部，放置搖擺平臺，通過搖擺平臺的左右搖擺，來模擬車輛相對鋼軌的搖擺。由于鋁型材框架本身以及上部安裝的物品較重，并且希望單根鋼軌可以長一些，因此，選擇可載重100 kg 的24 寸搖擺平臺。搖擺平臺前期可以通過手柄手動操作，后期可以通過安裝轉(zhuǎn)接頭和聯(lián)軸器連接電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電動搖擺的功能。

試驗(yàn)平臺可以左右各搖擺45°，由于鋁型材框架在大角度的情況下，單側(cè)端部會低于搖擺平臺底面，因此需要大墊塊來抬高整個試驗(yàn)平臺，防止鋁型材框架碰到地面。大墊塊采用Q345 焊接而成，底面開孔，可以通過地腳螺栓與地面緊固，側(cè)面放置小角鐵，用來約束懸掛平臺的位置。

1.2 懸掛平臺

懸掛平臺如圖4 所示，主要由大立柱、十字電動滑臺和立柱固定框架組成。

圖4 懸掛平臺

現(xiàn)場使用的車輛多自由度檢測裝置安裝在軌道車或者鋼軌探傷車車底，由于各軌道車和鋼軌探傷車車底空間結(jié)構(gòu)不同，則實(shí)際的安裝位置也會有區(qū)別，因此需要選用十字電動滑臺來固定檢測裝置，通過模擬檢測裝置在每輛車上的實(shí)際安裝位置，來調(diào)整采集軟件的相關(guān)參數(shù)。同時，十字電動滑臺的上下和左右的移動，也可以用來模擬車輛的整體上下和左右的運(yùn)動。十字電動滑臺放置在中央支撐平臺的左右兩側(cè)，左右兩側(cè)電動滑臺的上下和左右運(yùn)動靠電機(jī)同步。考慮到軌道車和鋼軌探傷車車底的空間結(jié)構(gòu)尺寸，選擇上下行程和左右行程均為510 mm 的標(biāo)準(zhǔn)電動滑臺，并且確定十字電動滑臺的安裝位置。

如圖5 所示，十字電動滑臺安裝在大立柱上，通過大立柱相對于地面的垂直度和平行度，來保證十字電動滑臺運(yùn)動的垂直和水平。立柱固定框架采用鋁型材搭接而成，結(jié)構(gòu)牢固，能夠保證大立柱相對于中央支撐平臺的相對位置，以及后期拆裝的便捷。同時，立柱固定框架可以沿著中央支撐平臺前后滑動，用來模擬左右檢測裝置由于車體結(jié)構(gòu)原因而相互錯開安裝時的環(huán)境。

圖5 懸掛平臺平面尺寸圖

1.3 激光相機(jī)檢測裝置

激光相機(jī)檢測裝置如圖6 所示，主要由激光盒、相機(jī)盒、連接件和固定塊組成。

圖6 激光相機(jī)檢測裝置

激光盒內(nèi)放置線激光，相機(jī)盒內(nèi)放置面相機(jī)，兩者的相對位置通過連接件進(jìn)行調(diào)整，連接件還可以帶動整個激光和相機(jī)組合繞固定塊旋轉(zhuǎn)，增大檢測裝置的檢測范圍。由于檢測裝置只在實(shí)驗(yàn)室使用，所以整套激光相機(jī)檢測裝置采用光敏樹脂通過3D 打印而成，最終的重量比采用鋁合金加工的減少一半以上。

2 在ANSYS 建立有限元模型

車輛多自由度檢測系統(tǒng)主要由一個中央支撐平臺、兩側(cè)的懸掛平臺和激光相機(jī)檢測裝置組成。懸掛平臺主要是焊接件，本身結(jié)構(gòu)牢固，并且放置在上面的十字電動滑臺重量小，所以對大立柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響非常小。激光相機(jī)檢測裝置主要是由光敏樹脂打印而成，本身重量也非常小。中央支撐平臺主要是由鋁型材支撐鋁合金鋼軌，雖然鋼軌采用的材料是鋁合金，但是鋁合金鋼軌重量也不輕，并且單根鋁型材懸臂較長，因此需要對該部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

將中央支撐平臺模型在Creo 中保存成通用的Parasolid 格式，導(dǎo)入到ANSYS 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和施加工作載荷。圖7 為中央支撐平臺的簡化模型。其中，搖擺平臺選用Q345 材料，限位裝置選用聚乙烯材料，其余都選用鋁合金材料。

圖7 中央支撐平臺簡化模型

由于中央支撐平臺主要是靜態(tài)擺放，即使操作搖擺平臺，整個平臺的運(yùn)動都是緩慢的，因此對中央支撐平臺只需要進(jìn)行靜態(tài)分析即可。圖8 為對中央支撐平臺施加約束后的模型，主要對搖擺平臺施加固定約束，對整體施加重力加速度。中央支撐平臺在水平位置時，鋁型材力臂最大，取該位置計(jì)算鋁型材框架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖8 對中央支撐平臺施加約束后的模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖9 和圖10 為中央支撐平臺有限元模型在工作載荷作用下仿真計(jì)算得到的應(yīng)力和應(yīng)變圖。從圖9 可以看出中央支撐平臺最大應(yīng)力為1.5 MPa,對鋁型材來說，強(qiáng)度足夠,并且應(yīng)力主要集中在中部增加的斜拉式結(jié)構(gòu)上，下部鋁型材上受到的應(yīng)力得到了分散。從圖10 可以看出，最大應(yīng)變在中央支撐平臺兩側(cè)，最大變形值為0.03 mm 左右，對整個平臺來說，變形量足夠小，可以忽略不計(jì)，因此中央支撐平臺在工作載荷下完全可以正常工作，車輛多自由度檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)可靠。

4 結(jié)束語

本文通過Creo 軟件建立中央支撐平臺、懸掛平臺和激光相機(jī)檢測裝置，將中央支撐平臺有限元模型導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加約束和載荷，得到中央支撐平臺的受力和變形情況，分析得出中央支撐平臺在工作載荷下完全可以正常工作。由于懸掛平臺主要是焊接件，本身結(jié)構(gòu)牢固，并且放置在上面的十字電動滑臺重量小，所以對大立柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響非常小。激光相機(jī)檢測裝置主要是由光敏樹脂打印而成，本身重量也非常小，因此車輛多自由度檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)可靠。為更加真實(shí)模擬車輛運(yùn)動過程中相對鋼軌運(yùn)動的效果奠定了基礎(chǔ)。

圖9 中央支撐平臺應(yīng)力圖

圖10 中央支撐平臺應(yīng)變圖