唐文斌,龍芋宏,謝勇君,湯長(zhǎng)波,李海建

(1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,廣西桂林 541004； 2.暨南大學(xué)電氣信息學(xué)院,廣東珠海 519000；3.暨南大學(xué)軌道交通研究院,廣東珠海 519000)

近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)城市軌道交通建設(shè)的快速推進(jìn)，現(xiàn)代有軌電車得以迅速發(fā)展，廣州、北京、成都等十余個(gè)城市已經(jīng)正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)[1，2]。但是，針對(duì)現(xiàn)代有軌電車槽型軌軌道檢測(cè)的技術(shù)研究與設(shè)備開(kāi)發(fā)卻相對(duì)滯后，目前對(duì)現(xiàn)代有軌電車槽型軌道軌距檢測(cè)基本是利用軌距尺進(jìn)行人工檢測(cè)，檢測(cè)效率不高并且容易出現(xiàn)測(cè)量誤差。與槽型軌道檢測(cè)相比，工字軌軌道檢測(cè)的技術(shù)與設(shè)備相對(duì)成熟，目前國(guó)內(nèi)針對(duì)工字軌軌距檢測(cè)設(shè)備大致分為靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)兩類，靜態(tài)檢測(cè)以軌檢小車應(yīng)用較為廣泛，例如瑞士安伯格GRP軌檢小車、德國(guó)GEDO CE軌檢小車、TRIG1000鐵路軌道檢測(cè)儀等，該類設(shè)備采用軌距傳感器進(jìn)行軌距檢測(cè)，使用方便快捷、操作簡(jiǎn)單，但是存在檢測(cè)速度低的問(wèn)題[3-4]。而動(dòng)態(tài)檢測(cè)以GJ-6檢測(cè)系統(tǒng)最為典型，利用激光三角測(cè)量原理對(duì)軌距進(jìn)行檢測(cè)，通常用于大型軌檢車中，檢測(cè)效率高，結(jié)果可靠，但大型軌檢車的調(diào)用會(huì)給運(yùn)行調(diào)度帶來(lái)很大的壓力，不適合頻繁使用[5]。

由于槽型軌與工字軌具有不同的結(jié)構(gòu)特征，并且現(xiàn)代有軌電車是采用埋入式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6，7]，所以現(xiàn)有的針對(duì)工字軌軌距檢測(cè)小車不能有效地對(duì)有軌電車槽型軌進(jìn)行檢測(cè)。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于激光三角測(cè)量原理的槽型軌軌距檢測(cè)小車結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)過(guò)程中參考工字軌軌距檢測(cè)小車結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠并且能夠在公路和軌道切換行駛，使用靈活方便，利用激光測(cè)量法能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，提高檢測(cè)的效率，為現(xiàn)代有軌電車軌道的維護(hù)提供技術(shù)支持。

1 軌距檢測(cè)小車工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

1.1 軌距檢測(cè)小車工作原理

本文提出一種基于激光三角測(cè)量原理的槽型軌軌距檢測(cè)小車，其檢測(cè)原理如圖1所示，利用2臺(tái)二維激光傳感器置于左右軌道的正上方，通過(guò)直射式測(cè)量法[8]獲取左右軌道的輪廓數(shù)據(jù)，通過(guò)將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)處理，輪廓數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)曲線平滑處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、軌距特征點(diǎn)提取，最后根據(jù)槽型軌的軌距定義，得到槽型軌的軌距值[9]。

圖1 軌距檢測(cè)小車測(cè)量原理(單位：mm)

軌距檢測(cè)小車?yán)眉す馊菧y(cè)量原理進(jìn)行軌距檢測(cè)有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)能夠連續(xù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，在小車推行中完成軌道的軌距檢測(cè)工作，提高檢測(cè)效率并且避免人工測(cè)量過(guò)程中帶入的測(cè)量誤差；(2)實(shí)現(xiàn)非接觸式檢測(cè)，抗干擾能力強(qiáng)。

1.2 軌距檢測(cè)小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

以激光三角測(cè)量原理為檢測(cè)的工作原理，對(duì)槽型軌軌距檢測(cè)小車的結(jié)構(gòu)提出以下設(shè)計(jì)要求[10]：

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠滿足槽型軌軌距檢測(cè)要求；

(2)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便于攜帶，方便移動(dòng)到檢測(cè)地點(diǎn)；

(3)結(jié)構(gòu)盡量輕量化，符合經(jīng)濟(jì)性要求；

(4)檢測(cè)過(guò)程中運(yùn)行穩(wěn)定，保證車架剛度足夠，不發(fā)生較大的變形。

2 軌距檢測(cè)小車的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

軌距檢測(cè)小車的結(jié)構(gòu)大致由車架、編碼輪、軌行輪、推桿、載物臺(tái)、檢測(cè)部件、路軌轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(前轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和后轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu))等幾個(gè)部分組成，如圖2所示。車架根據(jù)實(shí)際情況需要采用“工”形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，相比于現(xiàn)有的“T”形車架結(jié)構(gòu)，提高了檢測(cè)小車行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性并且改善“T”形軌檢車存在的“假軌距”問(wèn)題[11]，車架左右兩端給二維激光位移傳感器留出足夠的空間，不會(huì)影響光路傳播。

圖2 軌距檢測(cè)小車結(jié)構(gòu)

軌行輪與編碼輪通過(guò)車架下端4個(gè)腳架與車架相連，其中前端的編碼輪內(nèi)部安裝有光電編碼器，用于發(fā)出脈沖實(shí)現(xiàn)等距離觸發(fā)2臺(tái)二維激光位移傳感器采集數(shù)據(jù)，檢測(cè)梁通過(guò)螺栓螺母安裝在車架的上方，推桿通過(guò)焊接與車架相連，載物臺(tái)位于檢測(cè)梁的上方，通過(guò)螺栓固定在推桿結(jié)構(gòu)上，載物臺(tái)用于放置有工控機(jī)與交換機(jī)等設(shè)備，操作者可以通過(guò)載物臺(tái)上的角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)工控機(jī)的傾斜角度至最合適觀察的位置。

檢測(cè)部件由檢測(cè)梁、一維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、前后連接板以及二維位移激光傳感器組成，如圖3所示。二維激光位移傳感器通過(guò)前后連接板與一維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝至檢測(cè)梁的兩端，由內(nèi)部的激光發(fā)生器發(fā)射線狀激光掃描輪廓，然后通過(guò)傳感器內(nèi)部的CCD接收得到輪廓的數(shù)據(jù)，而后將數(shù)據(jù)通過(guò)交換機(jī)上傳至工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其中可以通過(guò)調(diào)節(jié)星型旋鈕帶動(dòng)螺桿上下移動(dòng)，從而調(diào)整二維激光傳感器的入射角度，使得激光垂直入射軌道，達(dá)到最好的測(cè)量效果。

圖3 檢測(cè)部件結(jié)構(gòu)

路軌轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)由前轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)與后轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)兩部分組成，其結(jié)構(gòu)相同，分別置于車體的前后兩端，其路行姿態(tài)如圖2所示，此時(shí)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)未收起，通過(guò)鎖扣裝置(圖4)固定其姿態(tài)，可以通過(guò)向左撥動(dòng)拔銷解除路行姿態(tài)切換至軌行姿態(tài)，也就是檢測(cè)時(shí)小車的姿態(tài)，如圖5所示，此時(shí)由下端的鎖扣裝置限制其轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，平穩(wěn)的進(jìn)行檢測(cè)工作。

圖4 鎖扣裝置

圖5 軌距檢測(cè)小車軌行姿態(tài)示意

軌距檢測(cè)小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有以下的特點(diǎn)：(1)主體車架采用“工”字形設(shè)計(jì)，改善了傳統(tǒng)“T”形軌距檢測(cè)小車檢測(cè)存在的“假軌距”問(wèn)題；(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)稱，提高了運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性；(3)設(shè)計(jì)有路軌轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，適用于路面和軌道兩種場(chǎng)景，便于推行到檢測(cè)地點(diǎn)，提高了小車的靈活性。

3 軌距檢測(cè)小車結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

對(duì)車架與檢測(cè)梁這兩個(gè)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。首先對(duì)車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間首先對(duì)車架模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，只保留主要部分，其余結(jié)構(gòu)以荷載的形式進(jìn)行簡(jiǎn)化。

首先將在UG中簡(jiǎn)化的車架模型導(dǎo)入Ansys Workbench進(jìn)行分析[12]，車體的材料設(shè)置為鋁合金材料，鋁合金材料密度小，符合輕量化的要求，并且使用范圍廣，因此車架材料選用鋁合金材料[13]。而后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，加載荷載和約束，車架受到的荷載見(jiàn)圖6。A為檢測(cè)梁施加給車架的重力，100 N；B為路軌轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)施加給車架的重力，200 N；將與輪子接觸的面設(shè)為固定約束C，D為推桿結(jié)構(gòu)施加給車架的壓力，400 N，考慮到推桿部件的人為施加推力以及其他的額外荷載，給其施加額外的1 000 N荷載。

圖6 車架模型約束與荷載圖

施加完荷載和約束后，對(duì)車架模型進(jìn)行求解，得到車架的應(yīng)力圖以及形變?cè)茍D，如圖7、圖8所示。

在實(shí)際工作過(guò)程中，相關(guān)黨員干部由于行政屬性和上下級(jí)領(lǐng)導(dǎo)關(guān)系，對(duì)于一些工作的開(kāi)展存在一定的迫于無(wú)奈情形特別是針對(duì)垂直領(lǐng)導(dǎo)關(guān)系（如稅務(wù)系統(tǒng)、工商系統(tǒng)、食品藥品監(jiān)督管理系統(tǒng)、檢察系統(tǒng)、監(jiān)察系統(tǒng)等垂直領(lǐng)導(dǎo)關(guān)系部門(mén)）的公務(wù)員行政系統(tǒng)人員。如果過(guò)于苛求其違反政策規(guī)定來(lái)抵制違法的行為，可能對(duì)這些黨員干部提出了不現(xiàn)實(shí)的要求。因此需要結(jié)合實(shí)際情況，進(jìn)行具體問(wèn)題具體分析，而不能簡(jiǎn)單地一刀切處理。

圖7 車架模型形變?cè)茍D

圖8 車架模型應(yīng)力云圖

給車架施加1 000 N的額外荷載后，其最大形變量和最大應(yīng)力分別為0.799 mm與26.7 MPa，其形變量較小，并且應(yīng)力分布均勻，沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

對(duì)檢測(cè)梁進(jìn)行模型簡(jiǎn)化與受力分析，最開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)檢測(cè)梁的模型如圖9所示，對(duì)其進(jìn)行受力與結(jié)果分析，其所受的荷載只受到來(lái)自二維激光位移傳感器、連接板以及一位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的壓力，其加入荷載與約束后計(jì)算的變形量與應(yīng)力偏小，完全使用滿足要求。

圖9 初始檢測(cè)梁的設(shè)計(jì)模型

考慮到小車整體結(jié)構(gòu)的輕量化，減輕車體的重力，所以對(duì)檢測(cè)梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。首先對(duì)檢測(cè)梁進(jìn)行材料設(shè)置，依舊是選用鋁合金材料，而后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加荷載與約束，然后以材料的質(zhì)量為優(yōu)化的目標(biāo)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化[14，15]，優(yōu)化的目標(biāo)為減重50%，而后進(jìn)行求解，其結(jié)果如圖10所示。

圖10 檢測(cè)梁拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果顯示減重的區(qū)域?yàn)闄z測(cè)梁的左右兩端，中間位置的側(cè)面與底面位置，所以根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果對(duì)檢測(cè)梁進(jìn)行減重方案設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中參照高速檢測(cè)車上的380B檢測(cè)梁的減重孔設(shè)計(jì)對(duì)檢測(cè)梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[16]，最后其模型如圖11所示。去除左右兩端的部分結(jié)構(gòu)，并且在中間的側(cè)面與底面設(shè)計(jì)有減重孔，檢測(cè)梁由原來(lái)的10.98 kg減少到7.23 kg，質(zhì)量減少了34.2%。

圖11 優(yōu)化后的檢測(cè)梁模型

對(duì)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，加入荷載與約束，檢測(cè)梁與車架接觸的面設(shè)置為固定約束，其形變與應(yīng)力分布情況如圖12與圖13所示。

圖12 檢測(cè)梁變形云圖

圖13 檢測(cè)梁應(yīng)力云圖

結(jié)果顯示檢測(cè)梁模型最大形變量為0.01 mm，最大應(yīng)力為2.12 MPa。優(yōu)化后的檢測(cè)梁靜力分析最大變形量極小并且最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的極限值，拓?fù)鋬?yōu)化后的減重設(shè)計(jì)方案合理，成功對(duì)檢測(cè)梁進(jìn)行減重優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)代有軌電車槽型軌軌距檢測(cè)提出并設(shè)計(jì)了一種軌距檢測(cè)小車，通過(guò)對(duì)軌距檢測(cè)小車進(jìn)行研究分析，得出以下結(jié)論。

(1)軌距檢測(cè)小車采用激光三角測(cè)量原理進(jìn)行檢測(cè)，利用激光垂直入射的方式能夠獲取槽型軌的輪廓數(shù)據(jù)，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的槽型軌軌距檢測(cè)，檢測(cè)效率高。

(2)軌距檢測(cè)小車設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，在推行檢測(cè)過(guò)程中有良好的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)有路軌轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，路面與軌道均能夠推行，靈活性好。

(3)通過(guò)對(duì)軌距檢測(cè)小車的車架與檢測(cè)梁的Ansys Workbench有限元分析結(jié)果，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并且通過(guò)檢測(cè)梁拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)檢測(cè)梁進(jìn)行減重優(yōu)化，合理地減輕了檢測(cè)梁的重力，達(dá)到輕量化的目標(biāo)。

因此槽型軌軌距檢測(cè)小車符合提出的設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性高，能夠滿足現(xiàn)代有軌電車槽型軌軌距檢測(cè)的要求。

致謝暨南大學(xué)軌道交通研究院提供了科研與實(shí)習(xí)的場(chǎng)地，廣東省自然科學(xué)基金-博士啟動(dòng)項(xiàng)目(多場(chǎng)耦合下微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)多學(xué)科多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法研究)提供了經(jīng)費(fèi)支持，在此一并致謝!

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