吳添賢，賀德強(qiáng)，唐毓金，梁 帥，王 鋒

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路“四縱四橫”規(guī)劃的陸續(xù)完成，我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)總里程已達(dá)2.5萬公里。高鐵線路采用的日間行車期間全封閉式的管理模式造成例行的巡道檢查只能在晚上開展。巡道工人夜間作業(yè)會(huì)面臨能見度低、易遺漏安全隱患、可供作業(yè)時(shí)間短、工作強(qiáng)度大等問題。用自動(dòng)化、智能化的“機(jī)器”代替辛苦勞作的“工人”，成為解決問題的最佳途徑。目前，鐵路巡道工人都是步行檢查鐵軌，鐵路巡道工人平均每天要巡查20公里，每天至少診斷3.5萬條枕木、21萬顆螺絲和28萬個(gè)鉚釘[1]。本文設(shè)計(jì)了一種公鐵雙用且能折疊的鐵路工務(wù)檢修電動(dòng)車，可達(dá)到提高效率，降低巡道工人工作強(qiáng)度的目的。

1 設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)

1.1 功能設(shè)計(jì)

巡道工人長(zhǎng)期的晝夜顛倒工作違反自然規(guī)律，易疲勞，極大地加劇了對(duì)身體健康的潛在傷害，解決巡檢效率、工人的工作強(qiáng)度問題是社會(huì)發(fā)展的需求。該便捷式鐵路工務(wù)檢修電動(dòng)車以提高巡檢工人工作效率、降低工人強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)以車代步的目的而設(shè)計(jì)的，具體功能包括：

（1）驅(qū)動(dòng)功能

利用電機(jī)輸出動(dòng)力，通過鏈條帶動(dòng)后輪運(yùn)作，使車體向前運(yùn)動(dòng)，選擇鏈條進(jìn)行動(dòng)力的傳輸，提高了動(dòng)力源的可靠性[2]；當(dāng)蓄電池能源耗盡，可用踏板形式輸入動(dòng)力。

（2）公鐵通用功能

該便捷式工務(wù)檢修電動(dòng)車設(shè)計(jì)上考慮了鐵路工務(wù)巡檢工人巡檢工作地點(diǎn)和所在公寓存在一定距離，為了實(shí)現(xiàn)鐵道巡檢工人上下班的方便，該便捷式工務(wù)檢修電動(dòng)車的設(shè)計(jì)采用了耐磨實(shí)心橡膠輪、單軌運(yùn)作、導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪一體設(shè)計(jì)思路、貼軌機(jī)構(gòu)可折疊，可實(shí)現(xiàn)以采用實(shí)心橡膠輪為主的輕量化單軌道運(yùn)輸，從而實(shí)現(xiàn)公路和鐵路通用的功能。

（3）單軌穩(wěn)定運(yùn)輸功能

為了實(shí)現(xiàn)上述公路和鐵路通用化設(shè)計(jì)，該鐵路工務(wù)檢修電動(dòng)車采用了導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪一體的軌道貼合機(jī)構(gòu)，車體可以平衡穩(wěn)定的獨(dú)立在單條鐵路軌道，在設(shè)計(jì)上采用了四個(gè)橫向輪，四個(gè)豎直輪的集導(dǎo)向穩(wěn)定于一體的實(shí)心橡膠輪。

（4）車體折疊便攜功能

在車體前身部分與前支連接處利用特殊的折疊結(jié)構(gòu)，使得車體和操控桿可以折疊成扁平體形，在折彎相交處有特殊的鎖緊機(jī)構(gòu)，保證使用狀態(tài)時(shí)車頭操控部分不能進(jìn)行折疊動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生車頭松動(dòng)現(xiàn)象。使用結(jié)束時(shí)，需要將鎖緊機(jī)構(gòu)部轉(zhuǎn)換狀態(tài)位置，就能輕松折疊車頭部位，完成收縮動(dòng)作后再將鎖緊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換位置狀態(tài)，保證該便捷式檢修電動(dòng)車可放置在其他車輛上進(jìn)行轉(zhuǎn)移運(yùn)輸，體現(xiàn)了該便捷式鐵路工務(wù)檢修電動(dòng)車的便捷性能。

（5）貼軌機(jī)構(gòu)折疊功能

當(dāng)該便捷式鐵路檢修電動(dòng)車駕駛于公路時(shí)，可將其貼軌機(jī)構(gòu)進(jìn)行折疊，設(shè)計(jì)上采用偏心圓夾緊機(jī)構(gòu)，通過不同的工作位置來實(shí)現(xiàn)該車的貼軌機(jī)構(gòu)的折疊，貼軌機(jī)構(gòu)折疊方式如圖1所示。

圖1 貼軌機(jī)構(gòu)折疊方式

（6）安全駕駛和巡檢記錄傳輸功能

設(shè)計(jì)上考慮了軌道設(shè)計(jì)安全車燈，2015年底我國(guó)總運(yùn)營(yíng)隧道13 411座，總長(zhǎng)13 038 km，全國(guó)在建鐵路隧道3 784座，總長(zhǎng)8 692 km；規(guī)劃隧道4 384座，總長(zhǎng)9 345 km[3]，工務(wù)段巡檢隧道段占鐵路總長(zhǎng)度的17.26%.巡檢工作安排在夜間進(jìn)行，因此設(shè)計(jì)上采用高聚光節(jié)能紅燈作為便捷式檢修電動(dòng)車的后車燈，該燈具有強(qiáng)照射高聚光，前照明燈是使用高聚光節(jié)能燈光，照射程遠(yuǎn)，范圍廣。為軌道巡檢工人提高了清晰的鐵道路面信息，也為巡檢記錄儀提供了可靠的照明條件。

為了給調(diào)試中心提供實(shí)時(shí)檢修信息，及檢修信息可查性的實(shí)現(xiàn)，該便捷式檢修電動(dòng)車采用具有4G無線通訊設(shè)備的巡檢記錄儀，主要利用4G無線通信模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地發(fā)送至地面服務(wù)器，同時(shí)監(jiān)聽和接收地面處理子系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)，地面處理子系統(tǒng)安裝在地面通訊服務(wù)器上[4]，通過軟件方式與4G無線通訊子系統(tǒng)鏈接，實(shí)時(shí)地接收和處理檢修數(shù)據(jù)。可實(shí)時(shí)獲取軌道檢修信息，并與遠(yuǎn)程管理和調(diào)試中心進(jìn)行實(shí)時(shí)聯(lián)系。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上功能設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的便捷式檢修電動(dòng)車的整體構(gòu)造包括橡膠實(shí)心前輪1、碟剎2、車骨架3、前車燈4、折疊機(jī)構(gòu)5、豎向接觸控制機(jī)構(gòu)6、電池7、踏板接口8、貼軌機(jī)構(gòu)骨架9、貼軌機(jī)構(gòu)橫向輪10、電動(dòng)機(jī)11、減震器12、鏈條13、橡膠實(shí)心后輪14、橫向接觸控制機(jī)構(gòu)15、貼軌機(jī)構(gòu)豎向輪16，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 便捷式檢修電動(dòng)車的整體構(gòu)造

運(yùn)行時(shí)，首先將折疊機(jī)構(gòu)放下，通過橫向接觸控制機(jī)構(gòu)15鎖緊橫向，其次再通過豎向接觸控制機(jī)構(gòu)6調(diào)節(jié)豎向輪16與軌道貼合，并同時(shí)鎖緊。脫軌機(jī)構(gòu)里的橫向輪10保證豎向輪16側(cè)面不會(huì)與軌道側(cè)面貼合，使豎向輪16運(yùn)行時(shí)屬于純滾動(dòng)，減少摩擦和磨損。UG建模設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 UG建模設(shè)計(jì)

1.3 主要設(shè)計(jì)尺寸

根據(jù)現(xiàn)有的便捷式折疊電動(dòng)車的設(shè)計(jì)尺寸要求和該車單軌行駛等功能要求，該車總體設(shè)計(jì)尺寸具體參數(shù)如表1所示。

表1 總體設(shè)計(jì)參數(shù)

1.4 貼軌機(jī)構(gòu)

貼軌機(jī)構(gòu)主要構(gòu)造如圖4所示，通過豎向輪和橫向輪對(duì)軌道施加預(yù)壓力，從而實(shí)現(xiàn)該車在軌道上直行或轉(zhuǎn)彎時(shí)不會(huì)發(fā)生脫軌現(xiàn)象。該機(jī)構(gòu)采用扣緊方式對(duì)豎向輪和軸向輪進(jìn)行軌道預(yù)壓，該預(yù)壓力大小通過計(jì)算分析預(yù)設(shè)，從而保證了操作的簡(jiǎn)單快捷。綜合考慮了該機(jī)構(gòu)的豎向輪和軸向輪由于預(yù)壓力以及環(huán)境因數(shù)產(chǎn)生摩擦磨損，當(dāng)磨損量不大于21 mm時(shí)，可通過調(diào)節(jié)螺母配合位置進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)其摩擦量過大時(shí)，可通過拆卸更換貼軌機(jī)構(gòu)，便于維護(hù)。該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸如表2所示。

圖4 貼軌機(jī)構(gòu)

表2 總體設(shè)計(jì)參數(shù)

2 動(dòng)力學(xué)仿真

采用UG機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模塊Motion[5]對(duì)便捷式鐵路工務(wù)檢修電動(dòng)車的貼軌機(jī)構(gòu)的豎向輪進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。時(shí)間-力曲線如圖5所示，時(shí)間-角加速度曲線如圖6所示，時(shí)間-速度曲線如圖7所示，時(shí)間-位移曲線如圖8所示。

圖5 貼軌機(jī)構(gòu)豎向輪時(shí)間-力曲線

圖6 貼軌機(jī)構(gòu)豎向輪時(shí)間-角加速度曲線

圖7 貼軌機(jī)構(gòu)豎向輪時(shí)間-速度曲線

圖8 貼軌機(jī)構(gòu)豎向輪時(shí)間-位移曲線

通過分析時(shí)間-力曲線圖，貼軌機(jī)構(gòu)橫向輪的受力隨著時(shí)間的變化，先進(jìn)行緩慢增大，最后趨于恒定，穩(wěn)定時(shí)最大力為510 N；豎向輪受力變化較復(fù)雜，輪子所受摩擦力變化較大。通過分析時(shí)間-角速度曲線可知，角加速度的最大值出現(xiàn)在20 s時(shí)，其最大值為571°/s2.其趨勢(shì)是先增后減，最后趨于零。根據(jù)時(shí)間-速度曲線可知，其曲線趨勢(shì)與受力趨勢(shì)比較相似，最大速度出現(xiàn)在恒速值為510 cm/s，到達(dá)恒定速度的時(shí)間為100 s.由動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)分析，其工作性能平穩(wěn)可靠，在受摩擦力等的作用是仍然可以平穩(wěn)運(yùn)行，動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證了該車滿足實(shí)際行走的要求。該車運(yùn)行速度在5.1 m/s，巡檢20 km路程中，便捷式鐵路工務(wù)檢修電動(dòng)車的駕駛時(shí)間為65.35 min，而巡檢工人行走速度大約為0.7 m/s，其檢修20 km的用時(shí)是476.19 min，便捷鐵路工務(wù)檢修電動(dòng)車比步行巡檢效率提高86.27%，該便捷式鐵路工務(wù)檢修電動(dòng)提高巡檢效率、降低了工人運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。

3 關(guān)鍵部件有限元分析

為了驗(yàn)證便捷式鐵路工務(wù)檢修電動(dòng)車的力學(xué)性能，在UG中在建立幾何模型之后，導(dǎo)入到UG的高級(jí)仿真模塊及ANSYS軟件中，按照：定義單元類型、定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、創(chuàng)建接觸對(duì)的順序建立該車關(guān)鍵部位的有限元模型。

3.1 貼軌機(jī)構(gòu)承重部件

創(chuàng)建該部件的材料屬性，設(shè)定該部件的材料為45#鋼，其彈性模量為2.1e11 MPa，泊松比為0.3.其等效應(yīng)力云圖如圖9所示，其等效應(yīng)變?cè)茍D如圖10所示，應(yīng)變隨位置變化曲線如11所示。經(jīng)有限元計(jì)算，該機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力為236.35 MPa，小于45#鋼的屈服強(qiáng)度355 MPa；最大變形量為1.066 mm，小于許用應(yīng)變。因此，該部位滿足剛度和強(qiáng)度要求。

圖9 貼軌機(jī)構(gòu)承重部位等效應(yīng)力云圖

圖10 貼軌機(jī)構(gòu)承重部件等效應(yīng)變?cè)茍D

圖11 貼軌機(jī)構(gòu)承重部件應(yīng)變隨位置變化曲線

3.2 貼軌機(jī)構(gòu)橫向輪部位

首先創(chuàng)建該部件的材料屬性，設(shè)定該部件的材料為08#鋼，其彈性模量為2.03 GPa，泊松比為0.28.其等效應(yīng)力云圖如圖12所示，其等效應(yīng)變?cè)茍D如圖13所示。經(jīng)有限元計(jì)算，該機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力為53.01 MPa，小于45#鋼的屈服強(qiáng)度325 MPa；最大變形量為0.003 728 mm，小于許用應(yīng)變。因此，該部位滿足剛度和強(qiáng)度要求。

圖12 貼軌機(jī)構(gòu)橫向輪等效應(yīng)力云圖

圖13 貼軌機(jī)構(gòu)橫向輪等效應(yīng)力云圖

3.3 車架部件

在ANSYS中設(shè)定該部件的材料為45#鋼，其彈性模量為2.1e11 MPa，泊松比為0.3.其等效應(yīng)力云圖如圖14所示，其等效應(yīng)變?cè)茍D如圖15所示。經(jīng)有限元計(jì)算，該機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力為292.76 MPa，小于45#鋼的屈服強(qiáng)度355 MPa；最大應(yīng)變?yōu)?.004 400 1 mm/mm，小于許用應(yīng)變。因此，該部位滿足剛度和強(qiáng)度要求。

圖14 車架部件等效應(yīng)力云圖

圖15 車架部件等效應(yīng)變?cè)茍D

3.4 貼軌機(jī)構(gòu)鎖緊部位

設(shè)定該部件的材料為45#鋼，其彈性模量為2.1e11 MPa，泊松比為0.3.其等效應(yīng)力云圖如圖16所示，其等效應(yīng)變?cè)茍D如圖17所示。經(jīng)有限元計(jì)算，夾持機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力為266.2 MPa，小于45#鋼的屈服強(qiáng)度355 MPa；最大應(yīng)變?yōu)?.001 341 2 mm/mm，小于許用應(yīng)變。因此，該部位滿足剛度和強(qiáng)度要求。

圖16 貼軌機(jī)構(gòu)鎖緊部位等效應(yīng)力云圖

圖17 貼軌機(jī)構(gòu)鎖緊部位等效應(yīng)變?cè)茍D

4 結(jié)語

針對(duì)鐵路巡道工人檢修存在耗時(shí)長(zhǎng)、效率低、工作強(qiáng)度大等問題，設(shè)計(jì)了該便捷式鐵路工務(wù)檢修電動(dòng)車。機(jī)械輔助人工檢修的方式取代了傳統(tǒng)的步行檢修，實(shí)現(xiàn)了公鐵通用、折疊便攜、數(shù)據(jù)收集等功能。通過UG及ANSYS對(duì)該設(shè)計(jì)的主要承載機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和有限元分析，驗(yàn)證該便捷式鐵路工務(wù)檢修電動(dòng)車在單軌運(yùn)作等狀態(tài)是可行的，通過分析為其便捷式鐵路工務(wù)檢修電動(dòng)車的制造提供理論指導(dǎo)。