CRH5J綜合檢測車軌道幾何檢測設備吊裝梁結構設計及強度分析

韓宣，諶亮，呂成吉，楊集友，呂常秀

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)*

當今社會，高速鐵路的發(fā)展非常迅速，人們對高速動車組運營品質的追求也在不斷提高.在外界環(huán)境的腐蝕及軌道車輛的沖擊、磨損的作用下，軌道線路的狀況需要高速綜合檢測車周期性檢測，以保證鐵路系統(tǒng)安全運營[1].

在軌道檢測車輛中，軌檢梁作為重要組成部分，對軌道幾何檢測設備安裝的可靠性及工作的穩(wěn)定性起著至關重要的作用.以CRH380B動車組為技術平臺，國內企業(yè)自主研制了高速綜合檢測車，文獻[2]為該綜合檢測車設計的軌檢梁主體結構包括主梁、吊臂及遮光罩等部件，并從沖壓下料、焊接、機加工及噴漆等制造工藝方面進行了詳細研究.文獻[3]設計了一種干線鐵路軌檢車轉向架構架，并對構架端部的軌檢梁安裝座進行了結構優(yōu)化.通過強度計算及試驗，驗證了該構架能夠滿足運用要求，但該文章未對軌檢梁主體結構進行詳細闡述.借鑒高鐵綜合檢測車的成功經驗，文獻[4-5]研制了城鐵綜合檢測車及適用于該車型的軌檢梁.文獻[6]設計了一種新型鐵路軌道檢測小車，該結構上搭載激光傳感器和光掃描設備，通過推行的方式檢測軌道參數.該小車解決了車架與軌道難以保證縱向垂直的問題，但該套僅限于對軌道的靜態(tài)檢測.

本文設計的軌檢梁不但滿足承壓、受拉的載荷工況，而且制造過程中焊接加工比較方便，具有良好的工程實用價值.在未設計制造本軌檢梁前，CRH5J綜合檢測車軌檢梁一直從國外進口采購且為鑄鋁材質，雖然重量相對該鋼板焊接件略輕，但價格昂貴且疲勞壽命相對較差，更換周期更短.因此，該軌檢梁的設計制造具有良好的經濟效益.

1 軌檢梁結構與技術指標

CRH5J綜合檢測車軌檢梁是軌道檢測設備的載體，安裝于轉向架構架端部，用于承擔構架傳遞的橫向力、縱向力及檢測設備的慣性力等[7].主體結構由安裝座、橫梁、遮光罩組成，其上搭載鐵科院軌道檢測設備，包括激光攝像組件、慣性組件、地面標志傳感器.軌檢梁通過緊固螺栓直接與轉向架構架端部連接， 可在整車落成狀態(tài)下對其

圖1 軌檢梁及軌道檢測設備

進行拆裝，操作方便快捷.其結構如圖1所示.

CRH5J綜合檢測車軌檢梁長2 200 mm、寬460 mm、高583 mm，凈重130 kg，為鋼板焊接件.為滿足軌道幾何檢測設備的檢測精度要求，本軌檢梁滿足如下技術指標：①剛度和強度要求，梁體設計要保證足夠的剛度和強度，確保在車輛運行的各種工況下都具有足夠的疲勞強度[8-10].②設備結構及要求，各軌道幾何檢測設備需保證距軌面高度符合要求，安裝設備的梁體與轉向架之間需滿足彈性連接.③設計遮光罩，用于遮擋激光器、攝像機照射部位范圍內的陽光及防止車輪帶起的水飛濺到鏡頭上.④限界要求，所有檢測設備安裝后，限界符合鐵路限界標準要求.⑤車輪鏇修對檢測數據影響，要考慮鏇修后輪徑變小對檢測數據的影響.

除執(zhí)行上述關鍵指標外，軌檢梁還需要通過動應力測試等線路試驗驗證.

2 結構設計與強度分析

2.1 結構設計

在不改變CRH5J綜合檢測車既有結構的前提下，為了保證檢測設備安裝面與軌面的距離滿足用戶要求，首先設計了鍛鋼材質的安裝座.因該安裝座為主要承載部件，所以既要滿足強度要求又要滿足剛度要求，如圖2所示.為了使軌檢梁的主體結構橫梁盡可能輕量化，采用了橋梁桁架的設計理念，不僅承載效果良好，而且便于內部防腐處理，運用過程中雨水不會積存在橫梁內部，也便于清理冰雪等雜物.該橫梁全部由8 mm厚鋼板焊接而成，其上留有不同檢測設備的安裝接口，如圖3所示.安裝座與橫梁之間安裝有金屬與橡膠硫化的彈性元件(件號1)，能夠避免列車運行過程中軌道檢測設備受到輪軌沖擊影響測試數據的準確性.通過套筒(件號2)結構控制彈性元件的安裝壓縮量，確保該軌檢梁在承受最惡劣載荷作用下彈性元件始終處于壓縮狀態(tài)，從而為橫梁提供合適的彈性剛度.因車輪運用或定期鏇修后輪徑值減小，會導致檢測設備與軌面高度下降，為滿足檢測設備傳感器距軌面高度始終滿足要求，在安裝座與橫梁之間設置有調整墊，可根據運用過程中實際需求撤下不同厚度調整墊(件號3)，同時在套筒與橡膠塊之間增加對應厚度的墊圈，從而抬高橫梁高度，如圖4所示.該辦法即能保證橡膠元件始終處于同一壓縮狀態(tài)，為軌檢梁提供合適的垂向和徑向剛度，又能實現抬高檢測設備的目的.為防止意外情況發(fā)生，避免安裝座與橫梁的連接螺栓出現斷裂時橫梁掉落在軌道上，橫梁兩側設計有安全吊耳，當螺栓松脫或斷裂時，安全吊耳能夠搭在安裝座上，從而確保行車安全.

圖2 安裝座示意圖 圖3 橫梁示意圖

圖4 安裝座與橫梁連接示意圖

2.2 強度計算

根據EN13749-2011以及DVS1612-2014標準，并參照以往CRH5型動車組構架端部懸掛部件振動加速度測試結果[11]，利用ANSYS有限元分析軟件對此次設計的CRH5J綜合檢測車軌檢梁進行了應力計算，并對其靜強度和疲勞強度進行了分析.

2.2.1 靜強度計算

根據EN3749-2011標準，取軌檢梁及設備的最大垂向、橫向加速度分別為構架端部加速20 g(g為重力加速度，下同)、10 g的1.22倍，縱向加速度仍取5g，即振動加速度為：

軌檢梁及檢測設備垂向加速度：24.4 g；

軌檢梁及檢測設備橫向加速度：12.2 g；

軌檢梁及檢測設備縱向加速度：5 g.

根據上述計算結果列出工況組合，如表1.

表1 超常工況組合表 g

在軌檢梁組成模型上施加各超常載荷及其組合工況，各超常載荷及其組合工況作用下的軌檢梁應力分布情況表2所示.

表2 超常載荷工況下最大應力發(fā)生位置及其Von Mises應力值

由表2可以得知，在超常載荷及其組合工況下軌檢梁上最大應力發(fā)生于超常載荷組合工況1，最大Von Mises應力值為126.82 MPa，位于軌檢梁安裝座立筋圓孔處，焊縫處最大應力也發(fā)生在超常載荷組合工況1，最大Von Mises應力值為104.09 MPa，位于上蓋板與墊板焊縫處.

2.2.2 疲勞強度計算

參照現有綜合檢測車加速度測試數據，在EN13749-2011標準基礎上放大1.5倍作為軌檢梁及檢測設備的垂向、橫向和縱向加速度，即振動加速度為：

軌檢梁及檢測設備垂向加速度：9 g；

軌檢梁及檢測設備橫向加速度：7.5 g；

軌檢梁及檢測設備縱向加速度：3.75 g.

取軌檢梁及檢測設備自重1 g為其平均應力計算載荷.

根據上述計算結果列出工況組合，如表3.

表3 運營工況表 g

借助ANSYS軟件，分別計算表3中單獨4個工況下的沿焊縫方向的正應力值、垂直于焊縫方向的正應力值以及沿焊縫方向的切應力值，計算出平均應力及動應力幅值，求出應力比，計算出許用應力，然后根據板厚進行修正，最后根據DVS1612標準查看是否滿足要求.計算結果見表4.

表4 焊縫位置的疲勞強度評估結果

2.2.3 模態(tài)計算

模態(tài)是該軌檢梁各階振型及其固有頻率的總稱，屬于其固有特性(即動態(tài)特性)，它與軌檢梁在動態(tài)條件下的運用品質有著密切的聯(lián)系.通過有限元分析計算軌檢梁的自由模態(tài)，圖5列出了軌檢梁的前8階彈性振型及其固有頻率值.計算結果表明，軌檢梁的第1階固有頻率為26.08Hz，振型特征為軌檢梁彎曲變形.結合后續(xù)線路試驗中動應力頻譜分析結果，可對運用狀態(tài)下結構振動特性進行分析.

圖5 軌檢梁模態(tài)分析結果

2.2.4 強度計算結論

在超常載荷及其組合工況下軌檢梁上最大應力發(fā)生于超常載荷組合工況1，最大Von Mises應力值為126.82 MPa，位于軌檢梁安裝座圓孔處，焊縫處最大應力也發(fā)生在超常載荷組合工況1， 最大Von Mises應力值為104.09 MPa，位于上蓋板與墊板焊縫處.上述應力值均小于S355J2W+N、Q345E鋼母材和焊縫的許用應力(355 MPa/345 MPa/320 MPa)，軌檢梁靜強度滿足要求.

在運營載荷組合工況下，軌檢梁焊縫區(qū)利用率較高的位置發(fā)生在上蓋板與墊板焊縫處、下蓋板與側立板焊縫處、支撐筋板與下蓋板焊縫處、上蓋板與側立板焊縫處、激光攝像組件安裝座焊縫處、外筋板與側立板焊縫處和外筋板與下蓋焊縫處等部位，利用率最高的位置發(fā)生在上蓋板與墊板焊縫處，數值為0.52，其次發(fā)生在支撐筋板與下蓋板焊縫處，數值為0.45，軌檢梁焊縫位置疲勞強度計算結果均小于規(guī)定值，滿足強度要求.母材區(qū)利用率最高的位置發(fā)生在軌檢梁安裝座圓孔處，利用率為0.39<1.0，其余母材區(qū)域利用率也均小于1.因此，該軌檢梁的疲勞強度滿足要求.

3 線路試驗

針對CRH5J綜合檢測車軌檢梁，在不同速度等級下，某高校試驗小組分別在哈佳線路和石太客專線開展了動應力跟蹤測試工作，線路信息如表5所示.動應力測點共計13個，位置涵蓋靜強度和疲勞強度計算中的大應力部位，如圖6所示.

表5 測試線路信息

圖6 動應力測點位置

為評估軌檢梁結構的疲勞可靠性，本文采用Miner疲勞損傷線性累積法則和BS7608標準進行損傷計算.考慮變幅加載時，一般假定S-N曲線斜率的倒數在N=5×107次循環(huán)處由m變?yōu)閙+2.各測點應力-時間歷程經去除零漂、數字濾波后，采用雨流計數法編制128級應力譜，應力范圍門檻值為5MPa[12].利用式(1)～(3)分別對不同速度等級下的動應力數據進行損傷計算，結果如表6所示.

(1)

(2)

(3)

式中，Dh為大于疲勞許用應力范圍S0的各應力等級Sri的總損傷；Dl為小于或等于疲勞許用應力范圍S0的各應力等級Sri的總損傷；S0為疲勞許用應力范圍，根據BS7608標準，J89111213測點位于母材，焊縫等級為B，S0=67 MPa，其余測點焊縫等級為F，S0=23MPa；Sri為應力譜第i級應力水平；N為疲勞許用應力S0所對應的循環(huán)數，N=5×107；ni為應力譜第i級應力水平對應的應力循環(huán)次數；m為S-N曲線的指數，對于母材，m=4,對于F等級焊接接頭，m=3；L為結構設計壽命里程，本研究為1200萬公里；l為各次測試的實測公里數；D為結構設計壽命里程損傷.

如表6所示，各次試驗中焊縫位置損傷最大大的測點為J2，位于上蓋板與外筋板焊縫處；母材位置損傷最大的測點為J11，位于慣性組件安裝座圓弧處；測點最大損傷值為4.53E-02,位于上蓋板與外筋板焊縫處(J2)，出現在石太客運專線(速度等級250 km/h)；最大疲勞損傷值遠小于1，表明該結構疲勞壽命能夠滿足1 200 萬公里運用的要求；在同等速度等級下，各測點在石太客運專線上的損傷大于京廣線，表明結構損傷與線路條件有關(石太客專設計時速250 km/h,京廣線設計時速350 km/h);在線路條件較為相近的前提下(哈佳線設計時速200 km/h)，損傷值與列車運行速度呈正相關變化.綜上分析，在不同線路條件及速度等級下，軌檢梁疲勞強度均滿足要求，表明該結構能較好的適應不同運用條件.

表6 不同試驗速度等級下各測點設計壽命里程損傷

對動應力測點進行頻譜分析，不同線路條件及試驗速度等級下，各測點主頻基本一致,但主頻處的功率譜密度存在差異；對于哈佳線，不同試驗速度等級下，中高頻段能量占比均較大(低頻段：0～40 Hz,中頻段:40～80 Hz,高頻段：>80 Hz)，表明結構高頻振動特征明顯；哈佳線各測點主頻處的功率譜密度值隨速度增加而增大，低頻段的功率譜密度增大倍數大于高頻段，在10.4、23.8Hz處最為明顯；對于石太客專、京廣線，在相同速度等級下，各測點中低頻段能量占比較大，在37.6Hz及高頻段功率譜密度差異較大；各測點主頻與模態(tài)分析中各階次頻率無重合，表明軌檢梁在實際運用過程中未發(fā)生共振現象，滿足安全性要求.

4 結論

通過對CRH5J綜合檢測車軌檢梁的結構、功能、技術要求等各關鍵技術的研究，并結合仿真分析和模擬計算，最終完成軌檢梁的設計工作.通過動應力跟蹤測試和線路運營考核，驗證了CRH5J綜合檢測車軌檢梁的安全性、可靠性和可用性.目前，該軌檢梁已被正式上線使用，運用狀態(tài)良好.