竺箐 上海鐵路局科研所

軌道巡檢懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

竺箐 上海鐵路局科研所

軌道巡檢懸掛支架是軌道巡檢系統(tǒng)的重要部件之一，支架的結(jié)構(gòu)必須要強(qiáng)度足夠才能夠保證軌道巡檢系統(tǒng)與軌道車(chē)連接可靠。以GCY-300II軌道車(chē)為例，運(yùn)用Pro/E軟件創(chuàng)建懸掛支架模型，運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。分析懸掛支架在工作過(guò)程中的受力和變形情況，為軌道巡檢懸掛支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和理論依據(jù)。

軌道巡檢；強(qiáng)度；有限元

軌道車(chē)是鐵路設(shè)備維修、大修、基建等施工部門(mén)執(zhí)行任務(wù)的主要運(yùn)輸工具。巡檢系統(tǒng)布置于軌道車(chē)底部，通過(guò)系統(tǒng)中的高速相機(jī)陣列，拍攝軌道車(chē)底部的道床圖像，通過(guò)智能識(shí)別軟件對(duì)圖像中的扣件、鋼軌和軌道板等進(jìn)行檢測(cè)診斷，識(shí)別出道床上存在缺陷的地方，為高鐵的維修和養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了軌道檢測(cè)從靜態(tài)低速接觸式向動(dòng)態(tài)高速非接觸式的發(fā)展轉(zhuǎn)變。由于軌道車(chē)和巡檢系統(tǒng)分別來(lái)自?xún)蓚€(gè)不同的生產(chǎn)廠家，因此軌道車(chē)與巡檢系統(tǒng)的連接至關(guān)重要。軌道車(chē)與巡檢系統(tǒng)的連接件即懸掛支架既要考慮到軌道車(chē)底部空間結(jié)構(gòu)的限制，又要滿(mǎn)足巡檢系統(tǒng)正常工作參數(shù)的要求，同時(shí)還要具有一定的強(qiáng)度來(lái)保證連接的可靠。本文以GCY-300II軌道車(chē)為例，對(duì)懸掛支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)工作過(guò)程中受載情況的模擬仿真，來(lái)分析懸掛支架的受力和變形情況，為懸掛支架的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 在Pro/E中創(chuàng)建模型

通過(guò)對(duì)GCY-300II軌道車(chē)車(chē)底空間的觀察和測(cè)量，結(jié)合巡檢系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)尺寸的要求，決定將懸掛支架焊接于軌道車(chē)車(chē)架上。如圖1和圖2所示，整個(gè)懸掛支架通過(guò)焊接筋板1與車(chē)架進(jìn)行焊接，焊接筋板2與焊接筋板1通過(guò)螺栓進(jìn)行連接，縱向筋板與槽鋼焊接成一個(gè)框架結(jié)構(gòu)，整個(gè)巡檢系統(tǒng)與框架結(jié)構(gòu)內(nèi)的縱向筋板通過(guò)螺栓進(jìn)行連接。為了提高懸掛支架抵抗橫向載荷的能力以及與車(chē)架焊接接觸的面積，在焊接筋板的側(cè)面增加了加強(qiáng)筋；為了降低懸掛支架的總重量，分別在懸掛支架的槽鋼和縱向筋板上增開(kāi)了減輕孔；可以通過(guò)調(diào)整縱向筋板的設(shè)計(jì)高度來(lái)調(diào)節(jié)巡檢系統(tǒng)距鋼軌軌面的高度，從而保證系統(tǒng)處于最佳工作位置。

圖1 巡檢系統(tǒng)安裝圖

圖2 懸掛支架模型圖

2 在ANSYS中建立有限元模型

將懸掛支架模型在Pro/E中保存成通用的Parasolid格式，導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行施加工作載荷和約束與網(wǎng)格劃分。由于主要的分析對(duì)象是懸掛支架，故可以考慮對(duì)巡檢系統(tǒng)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。簡(jiǎn)化模型如圖3所示，巡檢系統(tǒng)的主要重量落在橫梁、光源罩和防塵罩上，其他零部件如相機(jī)陣列、LED小燈、玻璃、散熱片等的重量相對(duì)于橫梁以及光源罩都非常小，且都安裝于橫梁上，故考慮將其他零部件的質(zhì)量通過(guò)與橫梁的接觸面積換算成作用于橫梁之上的壓力。在軌道車(chē)運(yùn)行的過(guò)程中，不同的路面環(huán)境會(huì)對(duì)軌道車(chē)產(chǎn)生不同的橫向與縱向的沖擊，產(chǎn)生沖擊加速度，這些加速度會(huì)對(duì)懸掛支架以及巡檢系統(tǒng)的受力變形造成影響，本文選取最大橫向與最大縱向加速度同時(shí)作用于懸掛支架上來(lái)進(jìn)行計(jì)算。隨著軌道車(chē)運(yùn)行速度的提高，空氣阻力對(duì)防塵罩的作用力會(huì)越來(lái)越大，進(jìn)而也會(huì)對(duì)懸掛支架的受力變形情況造成影響。施加的工作載荷如表1所示。

表1 施加工作載荷明細(xì)表

圖3 懸掛支架與巡檢系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型網(wǎng)格劃分圖

由于懸掛支架與軌道車(chē)車(chē)架焊接，所以為懸掛支架的焊接筋板1以及焊接筋板1側(cè)邊加強(qiáng)筋的焊接面添加固定約束。簡(jiǎn)化模型中所有零部件的材料采用鋼，即密度為7800kg/m3。對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，整個(gè)模型被劃分成為節(jié)點(diǎn)308648個(gè)，單元總數(shù)147007個(gè)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖4和圖5所示為懸掛支架與巡檢系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型在工作載荷作用下的應(yīng)變分析云圖和應(yīng)力分析云圖。從圖4中可以看出，在工作載荷的作用下，懸掛支架與巡檢系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型的變形從中間向兩側(cè)逐漸增大，由于選取了向左的橫向加速度作用于懸掛支架與巡檢系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型的整體模型，所以整體右側(cè)的變形大于整體左側(cè)的變形，從圖中的標(biāo)識(shí)以及數(shù)據(jù)可以看出，最大的變形發(fā)生在安裝軌道板相機(jī)組件的支架上，綜合最大變形量約在0.86198mm左右，變形量在可接受的范圍內(nèi)。故可以認(rèn)為懸掛支架能夠保證巡檢系統(tǒng)在工作載荷的作用下正常工作。從圖5中可以看出，應(yīng)力分布主要集中于縱向筋板與靠近車(chē)架側(cè)槽鋼的焊接部位，所受應(yīng)力最大值約在165.44MPa左右。圖6為只顯示懸掛支架的應(yīng)力分析云圖，在圖中已經(jīng)將受力較大的部位用圓圈標(biāo)出。由于懸掛支架中的框架結(jié)構(gòu)是焊接而成的，為了保證懸掛支架的強(qiáng)度可靠，必須對(duì)焊接強(qiáng)度提出要求，即縱向筋板與槽鋼的焊接強(qiáng)度要大于165.44MPa。從圖5和圖6中還可以看出，除了焊接部位所受應(yīng)力較大之外，其余部分受力非常小，幾乎都在80MPa以下，故考慮選擇Q235作為整個(gè)懸掛支架的材料。

圖4 整體模型應(yīng)變分析云圖

圖5 整體模型應(yīng)力分析云圖

圖6 懸掛支架應(yīng)力分析云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以GCY-300II軌道車(chē)為例，應(yīng)用Pro/E軟件建立了適合安裝于該軌道車(chē)底部的軌道巡檢懸掛支架模型，在ANSYS中，對(duì)巡檢系統(tǒng)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，建立了懸掛支架與巡檢系統(tǒng)整體的有限元模型，對(duì)有限元模型施加工作載荷和約束，通過(guò)軟件的求解，得到了整體模型在工作狀態(tài)下的受力和變形情況。提出了焊接強(qiáng)度的要求并選擇了懸掛支架的制作材料。為其它型號(hào)軌道車(chē)的懸掛支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和理論依據(jù)。

責(zé)任編輯：萬(wàn)寶安 張建強(qiáng)
來(lái)稿日期：2014-01-09