竺箐 上海鐵路局科研所

軌道巡檢懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計方案

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)必須要強度足夠才能夠保證軌道巡檢系統(tǒng)與軌道車連接可靠。以GCY-300II軌道車為例，運用Pro/E軟件創(chuàng)建懸掛支架模型，運用ANSYS軟件進行有限元分析。分析懸掛支架在工作過程中的受力和變形情況，為軌道巡檢懸掛支架的結(jié)構(gòu)設計提供參考和理論依據(jù)。

軌道巡檢；強度；有限元

軌道車是鐵路設備維修、大修、基建等施工部門執(zhí)行任務的主要運輸工具。巡檢系統(tǒng)布置于軌道車底部，通過系統(tǒng)中的高速相機陣列，拍攝軌道車底部的道床圖像，通過智能識別軟件對圖像中的扣件、鋼軌和軌道板等進行檢測診斷，識別出道床上存在缺陷的地方，為高鐵的維修和養(yǎng)護提供依據(jù)，實現(xiàn)了軌道檢測從靜態(tài)低速接觸式向動態(tài)高速非接觸式的發(fā)展轉(zhuǎn)變。由于軌道車和巡檢系統(tǒng)分別來自兩個不同的生產(chǎn)廠家，因此軌道車與巡檢系統(tǒng)的連接至關(guān)重要。軌道車與巡檢系統(tǒng)的連接件即懸掛支架既要考慮到軌道車底部空間結(jié)構(gòu)的限制，又要滿足巡檢系統(tǒng)正常工作參數(shù)的要求，同時還要具有一定的強度來保證連接的可靠。本文以GCY-300II軌道車為例，對懸掛支架進行結(jié)構(gòu)設計，通過對工作過程中受載情況的模擬仿真，來分析懸掛支架的受力和變形情況，為懸掛支架的設計提供參考依據(jù)。

1 在Pro/E中創(chuàng)建模型

通過對GCY-300II軌道車車底空間的觀察和測量，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車架上。如圖1和圖2所示，整個懸掛支架通過焊接筋板1與車架進行焊接，焊接筋板2與焊接筋板1通過螺栓進行連接，縱向筋板與槽鋼焊接成一個框架結(jié)構(gòu)，整個巡檢系統(tǒng)與框架結(jié)構(gòu)內(nèi)的縱向筋板通過螺栓進行連接。為了提高懸掛支架抵抗橫向載荷的能力以及與車架焊接接觸的面積，在焊接筋板的側(cè)面增加了加強筋；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了減輕孔；可以通過調(diào)整縱向筋板的設計高度來調(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，導入到ANSYS中進行施加工作載荷和約束與網(wǎng)格劃分。由于主要的分析對象是懸掛支架，故可以考慮對巡檢系統(tǒng)模型進行適當?shù)暮喕：喕Ｐ腿鐖D3所示，巡檢系統(tǒng)的主要重量落在橫梁、光源罩和防塵罩上，其他零部件如相機陣列、LED小燈、玻璃、散熱片等的重量相對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。在軌道車運行的過程中，不同的路面環(huán)境會對軌道車產(chǎn)生不同的橫向與縱向的沖擊，產(chǎn)生沖擊加速度，這些加速度會對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作用于懸掛支架上來進行計算。隨著軌道車運行速度的提高，空氣阻力對防塵罩的作用力會越來越大，進而也會對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 施加工作載荷明細表

圖3 懸掛支架與巡檢系統(tǒng)簡化模型網(wǎng)格劃分圖

由于懸掛支架與軌道車車架焊接，所以為懸掛支架的焊接筋板1以及焊接筋板1側(cè)邊加強筋的焊接面添加固定約束。簡化模型中所有零部件的材料采用鋼，即密度為7800kg/m3。對模型進行自動網(wǎng)格劃分，整個模型被劃分成為節(jié)點308648個，單元總數(shù)147007個。

3 計算結(jié)果分析

圖4和圖5所示為懸掛支架與巡檢系統(tǒng)簡化模型在工作載荷作用下的應變分析云圖和應力分析云圖。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，從圖中的標識以及數(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，應力分布主要集中于縱向筋板與靠近車架側(cè)槽鋼的焊接部位，所受應力最大值約在165.44MPa左右。圖6為只顯示懸掛支架的應力分析云圖，在圖中已經(jīng)將受力較大的部位用圓圈標出。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度可靠，必須對焊接強度提出要求，即縱向筋板與槽鋼的焊接強度要大于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作為整個懸掛支架的材料。

圖4 整體模型應變分析云圖

圖5 整體模型應力分析云圖

圖6 懸掛支架應力分析云圖

4 結(jié)束語

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

責任編輯：萬寶安 張建強
來稿日期：2014-01-09