鐘星 朱繼東 上海鐵路局科研所

雙軌自走行B掃描鋼軌探傷小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鐘星 朱繼東 上海鐵路局科研所

對(duì)目前鐵路運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀以及現(xiàn)有的鋼軌探傷方式進(jìn)行概述，結(jié)合探傷小車的總體技術(shù)要求，研制開(kāi)發(fā)國(guó)內(nèi)首創(chuàng)雙軌自走行B掃描鋼軌探傷小車，并對(duì)小車的車輪，車軸，車架分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，使其能夠安全運(yùn)行在線路上，滿足現(xiàn)場(chǎng)探傷需求。

B掃描；鋼軌；探傷；小車；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1 引言

在鐵路車輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，鋼軌不斷受到摩擦、擠壓、沖擊、疲勞等作用會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部傷損，當(dāng)傷損發(fā)展到一定程度時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼軌折斷或揭蓋，直接危及行車安全，甚至造成車毀人亡的悲劇。因此，加強(qiáng)鋼軌探傷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)傷損，是保障鐵路運(yùn)輸安全的關(guān)鍵。隨著高速鐵路的發(fā)展以及運(yùn)輸安全要求的不斷提高,鋼軌探傷采用天窗點(diǎn)內(nèi)作業(yè)的方式。目前，探傷模式主要有兩種：一是手推式鋼軌探傷儀人工探傷模式。這種模式探傷準(zhǔn)確率高、漏檢少，但是效率較低，耗費(fèi)人力物力，每小時(shí)檢查公里數(shù)在2km～3km之間。二是大型探傷車高速探傷加手推式探傷儀定點(diǎn)復(fù)核模式。這種模式探傷效率高，但準(zhǔn)確率低，成本與維護(hù)要求較高，并且放棄檢測(cè)軌腰投影區(qū)范圍內(nèi)軌底橫向裂紋。以上兩種探傷模式都難以滿足我國(guó)日益發(fā)展的高速鐵路事業(yè)對(duì)鋼軌探傷檢測(cè)要求，針對(duì)這種形勢(shì)，上海局于2011年著手研制雙軌自走行B掃描鋼軌探傷小車（以下簡(jiǎn)稱探傷小車,其模型見(jiàn)圖1）。

圖1 探傷小車模型

2 探傷小車的總體構(gòu)成與特點(diǎn)

探傷小車以電瓶為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，采用超聲波輪式探頭、B掃描顯示方式對(duì)雙軌同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，主要包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、探傷系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等四個(gè)子系統(tǒng)：檢測(cè)速度在10～15km之間，可在一個(gè)天窗點(diǎn)內(nèi)完成至少一個(gè)區(qū)間的檢查任務(wù)。經(jīng)過(guò)一年多的現(xiàn)場(chǎng)使用，具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)。

（1）檢測(cè)效率高。探傷小車只需3人1h可完成一個(gè)區(qū)間8km～10km的檢查任務(wù)，手推式鋼軌探傷儀需要7個(gè)人4h～5h，相比之下，探傷小車的效率提高了6倍。

（2）檢測(cè)準(zhǔn)確率高。手推式鋼軌探傷儀所能檢測(cè)的所有傷損類型均能被發(fā)現(xiàn)，特別是軌底橫向裂紋，解決了大型探傷車不能檢測(cè)此傷損的嚴(yán)重不足。

（3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)判傷。探傷檢測(cè)系統(tǒng)帶有部分智能判傷功能，能提示發(fā)現(xiàn)可疑波形，操作員可停車校核，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)判傷，不再需要手推式鋼軌探傷儀復(fù)核，解決了大型探傷車不能實(shí)時(shí)判傷的問(wèn)題。

（4）組裝方便，續(xù)航能力強(qiáng)。探傷小車采用拼裝式結(jié)構(gòu)，各個(gè)部件均能由兩個(gè)人合力搬至現(xiàn)場(chǎng)，5min內(nèi)完成組裝。配備的電量與水量能完成1～2個(gè)區(qū)間的檢查任務(wù)。

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選材

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括前后車架、中間連接架、走行輪、車軸、直流電機(jī)和電池等部件組成，主要實(shí)現(xiàn)雙軌自動(dòng)探傷系統(tǒng)在被檢鋼軌上的走行功能，并為伺服系統(tǒng)、探傷系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)提供搭載平臺(tái)和提供驅(qū)動(dòng)力的功能。

3.1 走行輪設(shè)計(jì)

由于探傷小車在鋼軌上行駛，其走行輪外形尺寸參考了鐵路車輛車輪相關(guān)尺寸，設(shè)計(jì)有輪緣角、踏面斜面、輪緣內(nèi)側(cè)圓弧等，保證小車在曲線上運(yùn)行不掉道、不脫軌。同時(shí)，走行輪的設(shè)計(jì)也考慮到便于搬運(yùn)，上下道方便，作了輕量化設(shè)計(jì)，走行輪的輪轂采用鋁合金，為了防止打滑，減少磨耗，主外表面附著一層聚氨酯，具有絕緣、高承載、高動(dòng)態(tài)負(fù)荷、耐磨、低噪音和輕質(zhì)的特點(diǎn)。走行輪通過(guò)鎖緊螺母和開(kāi)口銷固定在實(shí)心軸上。

3.2 車軸的設(shè)計(jì)車軸用于傳遞扭矩和承受載荷，材料采用高碳軸承鋼，價(jià)格適中，加工容易，回火后具有較佳的綜合力學(xué)性能。

3.3 車架的設(shè)計(jì)

前后車架和中間連接架采用Q235的方鋼管焊接而成，可以減輕整車重量，也具有一定的強(qiáng)度。前車架1、后車架3通過(guò)中間連接架2連接成為一個(gè)整體，形成一個(gè)大小為1300mm×2000mm的基礎(chǔ)車架，組裝時(shí)通過(guò)中間車架上的定位鉸鏈2與前后車架上的定位鉸鏈3搭接，形成一個(gè)安全穩(wěn)定的連接機(jī)構(gòu)。上下線路過(guò)程中前車架1、后車架3、中間連接架2可拆分成三個(gè)獨(dú)立的模塊，方便操作人員進(jìn)行搬運(yùn)。

如圖2（a）（b）所示，為車架組裝過(guò)程，前車架與后車架通過(guò)中間連接架連接在一起。

圖2 車架組裝圖

3.4 鏈條的選擇

從直流電機(jī)到車軸間的動(dòng)力傳動(dòng)方式為鏈傳動(dòng)?？紤]到小車最高時(shí)速為20km/h，經(jīng)過(guò)詳細(xì)計(jì)算，采用重載鏈條，增加行車的安全性。

3.5 電機(jī)的選擇

經(jīng)過(guò)載荷計(jì)算，直流電機(jī)選用小型電動(dòng)車用直流電機(jī)，電機(jī)額定輸出功率1500W，額定電壓直流48V，額定轉(zhuǎn)速2850RPM。

3.6 電池組的選擇

根據(jù)探傷小車的電機(jī)功率、額定電壓，及保證2h的工作時(shí)間，同時(shí)考慮電池組的輕量化與易搬運(yùn)，設(shè)計(jì)定制了兩組鋰電池組，每組額定電壓24V，額定容量40Ah，使用時(shí)將兩組電池組串聯(lián)使用，提供48V電壓。

4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

由于整個(gè)小車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，需要對(duì)其車輪、車軸、拆分車架等進(jìn)行強(qiáng)度分析，確保車輛的安全。本案采用了Nastran軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析與校核，該軟件普遍應(yīng)用于結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析等方面的校驗(yàn)。

4.1 車輪強(qiáng)度分析

走行輪的輪轂采用的是鋁合金材料，用Nastran軟件進(jìn)行建模分析。假設(shè)四個(gè)車輪承載400kg的重量，則每個(gè)車輪的負(fù)荷為100×10=1000N（為便于計(jì)算，g取10），從圖3中可以看出，車輪最大有效應(yīng)力13.1MPa，鋁合金的屈服應(yīng)力為27.6MPa，沒(méi)有達(dá)到屈服應(yīng)力，通過(guò)計(jì)算得出車輪的最大變形為0.0218441mm，也不會(huì)對(duì)行走的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

圖3 車輪有效應(yīng)力分析

4.2 車軸強(qiáng)度分析

車軸采用的是空心的工具合金鋼管，用Nastran軟件進(jìn)行建模分析，對(duì)車軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。假設(shè)每根軸承受400kg的重量，從圖4中可以看出，車軸的最大有效應(yīng)力42.88 MPa，合金鋼的屈服應(yīng)力為620.4MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到屈服應(yīng)力。通過(guò)計(jì)算得出車軸的最大變形為0.1mm，也不會(huì)對(duì)行走的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

圖4 車軸的有效應(yīng)力

4.3 拆分車架強(qiáng)度分析

可拆分的車架采用Q235的方鋼管，用Nastran軟件進(jìn)行建模分析。假設(shè)車身承載500kg的重量，則每半個(gè)車身的負(fù)荷為250×10=2500N（為便于計(jì)算，g取10），從圖5中可以看出，車輪最大有效應(yīng)力為153.5MPa，方鋼管的屈服應(yīng)力為235MPa，沒(méi)有達(dá)到屈服應(yīng)力。通過(guò)計(jì)算得出車身的最大變形為1.62mm，也不會(huì)對(duì)行走的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

圖5 車身的有效應(yīng)力

圖6 關(guān)鍵搭接點(diǎn)處的應(yīng)力

對(duì)關(guān)鍵搭接點(diǎn)處的應(yīng)力進(jìn)行分析，從圖6中可以看出，該處的最大應(yīng)力為14.3MPa，沒(méi)有達(dá)到屈服極限。

5 結(jié)論

探傷小車經(jīng)過(guò)一年多的試用，檢測(cè)了近300km線路，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)了大坡道、小半徑曲線、復(fù)雜道岔等各種線路環(huán)境和雨雪等惡劣天氣的考驗(yàn)，從未發(fā)生脫軌、掉道、溜坡、動(dòng)力不足等問(wèn)題，證明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)合理，使得探傷工作的安全性、可靠性得到了充分保證。探傷小車的推廣使用將改變目前鋼軌探傷面臨的困境,大大提高勞動(dòng)安全生產(chǎn)率,為鋼軌防斷做出新貢獻(xiàn)。

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[4]牟斌,陳軍德,李剛.《高速鋼軌探傷車中走行小車的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)》.鐵道機(jī)車車輛，2001年第4期.

[5]石永生,張全才,李杰,任書(shū)斌.《探傷車與探傷儀的軌頭核傷檢測(cè)能力對(duì)比分析》.鐵路技術(shù)創(chuàng)新,2012年第1期.

責(zé)任編輯：王華龔 佩毅來(lái)
稿日期：2014-01-13