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

隨著我國高速鐵路“四縱四橫”規(guī)劃的陸續(xù)完成，我國高鐵運(yùn)營總里程已達(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)會面臨能見度低、易遺漏安全隱患、可供作業(yè)時間短、工作強(qiáng)度大等問題。用自動化、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28萬個鉚釘[1]。本文設(shè)計了一種公鐵雙用且能折疊的鐵路工務(wù)檢修電動車，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)計原理及結(jié)構(gòu)

1.1 功能設(shè)計

巡道工人長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)度問題是社會發(fā)展的需求。該便捷式鐵路工務(wù)檢修電動車以提高巡檢工人工作效率、降低工人強(qiáng)度、實現(xiàn)以車代步的目的而設(shè)計的，具體功能包括：

（1）驅(qū)動功能

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

（2）公鐵通用功能

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

（3）單軌穩(wěn)定運(yùn)輸功能

為了實現(xiàn)上述公路和鐵路通用化設(shè)計，該鐵路工務(wù)檢修電動車采用了導(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)定的獨立在單條鐵路軌道，在設(shè)計上采用了四個橫向輪，四個豎直輪的集導(dǎo)向穩(wěn)定于一體的實心橡膠輪。

（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)時車頭操控部分不能進(jìn)行折疊動作，運(yùn)動時不會發(fā)生車頭松動現(xiàn)象。使用結(jié)束時，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車駕駛于公路時，可將其貼軌機(jī)構(gòu)進(jìn)行折疊，設(shè)計上采用偏心圓夾緊機(jī)構(gòu)，通過不同的工作位置來實現(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)計上考慮了軌道設(shè)計安全車燈，2015年底我國總運(yùn)營隧道13 411座，總長13 038 km，全國在建鐵路隧道3 784座，總長8 692 km；規(guī)劃隧道4 384座，總長9 345 km[3]，工務(wù)段巡檢隧道段占鐵路總長度的17.26%.巡檢工作安排在夜間進(jìn)行，因此設(shè)計上采用高聚光節(jié)能紅燈作為便捷式檢修電動車的后車燈，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)試中心提供實時檢修信息，及檢修信息可查性的實現(xiàn)，該便捷式檢修電動車采用具有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)實時地發(fā)送至地面服務(wù)器，同時監(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，實時地接收和處理檢修數(shù)據(jù)。可實時獲取軌道檢修信息，并與遠(yuǎn)程管理和調(diào)試中心進(jìn)行實時聯(lián)系。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上功能設(shè)計，設(shè)計的便捷式檢修電動車的整體構(gòu)造包括橡膠實心前輪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、電動機(jī)11、減震器12、鏈條13、橡膠實心后輪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 便捷式檢修電動車的整體構(gòu)造

運(yùn)行時，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)面不會與軌道側(cè)面貼合，使豎向輪16運(yùn)行時屬于純滾動，減少摩擦和磨損。UG建模設(shè)計如圖3所示。

圖3 UG建模設(shè)計

1.3 主要設(shè)計尺寸

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

表1 總體設(shè)計參數(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軌道施加預(yù)壓力，從而實現(xiàn)該車在軌道上直行或轉(zhuǎn)彎時不會發(fā)生脫軌現(xiàn)象。該機(jī)構(gòu)采用扣緊方式對豎向輪和軸向輪進(jìn)行軌道預(yù)壓，該預(yù)壓力大小通過計算分析預(yù)設(shè)，從而保證了操作的簡單快捷。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，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，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)計尺寸如表2所示。

圖4 貼軌機(jī)構(gòu)

表2 總體設(shè)計參數(shù)

2 動力學(xué)仿真

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

圖5 貼軌機(jī)構(gòu)豎向輪時間-力曲線

圖6 貼軌機(jī)構(gòu)豎向輪時間-角加速度曲線

圖7 貼軌機(jī)構(gòu)豎向輪時間-速度曲線

圖8 貼軌機(jī)構(gòu)豎向輪時間-位移曲線

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

3 關(guān)鍵部件有限元分析

為了驗證便捷式鐵路工務(wù)檢修電動車的力學(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)變云圖如圖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)變云圖

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)變云圖如圖13所示。經(jīng)有限元計算，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)變云圖如圖15所示。經(jīng)有限元計算，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)變云圖

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)變云圖如圖17所示。經(jīng)有限元計算，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)變云圖

4 結(jié)語

針對鐵路巡道工人檢修存在耗時長、效率低、工作強(qiáng)度大等問題，設(shè)計了該便捷式鐵路工務(wù)檢修電動車。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對該設(shè)計的主要承載機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)和有限元分析，驗證該便捷式鐵路工務(wù)檢修電動車在單軌運(yùn)作等狀態(tài)是可行的，通過分析為其便捷式鐵路工務(wù)檢修電動車的制造提供理論指導(dǎo)。