竺 箐 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

1 引言

高速鐵路CRTSII型板式無砟軌道由鋼軌、彈性不分開式扣件、軌道板、水泥瀝青砂漿填充層、連續(xù)底座板（橋上）/支承層（路基上）、滑動層（橋上）、側(cè)向擋塊（橋上）等部分組成。由于施工階段灌注不飽滿、下部基礎(chǔ)沉降、砂漿自身收縮加之軌道受到不均勻載荷等因素的影響，引起砂漿層出現(xiàn)不規(guī)則離縫或開裂。離縫進(jìn)一步發(fā)展就會產(chǎn)生裂縫、脹板等問題，影響車輛運營，嚴(yán)重時更會危及行車安全。離縫的產(chǎn)生多發(fā)于夏季高溫時段，而在該時段，傳統(tǒng)的人工的巡道檢查線路狀態(tài)的方式很難滿足現(xiàn)場的實際需求。因此，提出設(shè)計一套能夠搭載在軌道車或者探傷車上的離縫檢測裝置，用來降低人工勞動強度并且提高檢測效率。本文根據(jù)GTC-80鋼軌探傷車車底空間的布局，設(shè)計了對應(yīng)的離縫檢測裝置。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為離縫檢測裝置的結(jié)構(gòu)原理圖，離縫檢測裝置安裝在探傷車上，通過探傷車的運行來檢測相鄰線路砂漿層的狀態(tài)。由于探傷車運行軌跡有上行和下行之分，因此需要在探傷車的兩側(cè)都安裝離縫檢測裝置，每次探傷車出車之前，根據(jù)行車線路的上下行，選擇一側(cè)的檢測裝置進(jìn)行檢測工作。由于相鄰線路在彎道會出現(xiàn)坡度產(chǎn)生高度差，左右彎道可能同時出現(xiàn)在一條線路上，因此檢測裝置的檢測范圍應(yīng)當(dāng)盡可能將這些不同高度差的砂漿層都覆蓋進(jìn)去。圖1中的左側(cè)有三套軌道，分別表示了左彎道最大高度差、直線和右彎道最大高度差的情況，在檢測范圍已知的情況下，通過在Auto－CAD中的擺放，確定了離縫檢測裝置在探傷車上擺放的水平距離和垂直距離。

圖1 離縫檢測裝置的結(jié)構(gòu)原理圖

圖2為GTC-80鋼軌探傷車車底空間簡化模型圖，通過現(xiàn)場的觀察和測量，決定利用探傷車車底先前焊接的掛鉤來安裝離縫檢測設(shè)備。掛鉤左右各一對，檢測裝置通過與掛鉤的連接來達(dá)到固定的效果。

圖2 鋼軌探傷車車底空間簡化模型圖

圖3 單個離縫檢測裝置結(jié)構(gòu)模型圖

圖3為單個離縫檢測裝置結(jié)構(gòu)模型圖。從圖中可見，離縫檢測裝置主要由激光相機模塊、背板和固定框架組成。

激光相機模塊由激光相機盒以及盒內(nèi)放置的線陣列相機和線激光發(fā)射器組成，由于線陣列相機和線激光發(fā)射器屬于標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，因此只能根據(jù)其尺寸大小設(shè)計對應(yīng)的激光相機盒，除了要容納相機和激光之外，相機盒還要滿足重量輕、強度足夠、拆裝方便、密封性良好以及美觀等要求。

背板用來固定激光相機模塊，激光相機盒底部有一圈圍邊，圍邊上開有螺栓孔，背板上開有腰型孔，螺栓通過螺栓孔和腰型孔將激光相機模塊緊固在背板上。考慮到現(xiàn)場測量的誤差以及加工制造的誤差，腰型孔帶有一些弧度，這樣在安裝完成之后，如果發(fā)現(xiàn)實際行車過程中拍攝到的砂漿層位置有偏差，還可以對激光相機模塊的拍攝角度進(jìn)行微調(diào)。背板也需要滿足重量輕、強度足夠、拆裝方便等要求。

固定框架用來固定背板，并且和探傷車上的掛鉤進(jìn)行連接。由于掛鉤先前安裝的是其他大尺寸的設(shè)備，因此其內(nèi)側(cè)間距較大。因為激光相機模塊安裝的垂直距離需要接近軌面，考慮到結(jié)構(gòu)的強度和整體的造型，所以選擇將固定框架設(shè)計成Y型結(jié)構(gòu)。

3 模型的建立和前處理

通過CREO建立離縫檢測裝置的結(jié)構(gòu)模型，將其保存成STP格式，導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行有限元仿真模擬。為了減少有限元模型的計算量，考慮對檢測裝置的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，去除各零部件上的小倒棱和小圓角。填充各個部件上的小孔。為模型附加材料屬性，掛鉤選擇結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)，激光相機模塊即激光相機盒、相機、激光和密封模塊選擇鋁合金材質(zhì)，背板選擇鋁合金材質(zhì)，固定框架選擇結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)，附加完成后可知包含掛鉤的單個離縫檢測裝置重量約為48 kg，由于在建模時忽略了線纜和緊固件，因此還需將它們的總重量作為載荷施加到背板上，本文取其總重量為3 kg。在探傷車運行的過程中，不同的路面狀況會對檢測裝置產(chǎn)生不同的沖擊，本文選取同時受到橫向和縱向2 g的加速度來進(jìn)行計算。GTC-80鋼軌探傷車最高時速為80 km/h，取該時速來計算空氣阻力。掛鉤上端面為焊接面，焊接在探傷車上，選取該面作為整個離縫檢測裝置的固定端，添加固定約束。對模型施加約束、載荷、加速度并進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分，見圖4。

圖4 前處理完成模型圖

4 計算與分析

利用ANSYS的流體分析模塊計算探傷車運行過程中空氣阻力對離縫檢測裝置的影響，從圖5的計算結(jié)果中可知，在80 km/h的速度下，空氣阻力主要作用在激光相機盒蓋、背板和掛鉤上。檢測裝置承受的最大風(fēng)壓為667.7 Pa。將該計算結(jié)果作為載荷添加到整個檢測裝置上，通過靜力學(xué)分析模塊計算探傷車運行過程中檢測裝置的受力和變形情況。檢測裝置的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖分別為圖6和圖7。從圖6可知，掛鉤的彎角處受力最大，所受應(yīng)力最大值為76.81 MPa，由于選用的結(jié)構(gòu)鋼為Q345，其屈服極限為345 MPa，遠(yuǎn)大于掛鉤上所受的最大應(yīng)力值，因此整個離縫檢測裝置的強度是可靠的。從圖7可知，固定框架底部產(chǎn)生最大應(yīng)變，最大變形量約為0.85 mm，變形量非常小，說明整個裝置在工作過程中能夠保持穩(wěn)定。

圖5 流場分析應(yīng)力云圖

圖6 結(jié)構(gòu)分析應(yīng)力云圖

圖7 結(jié)構(gòu)分析應(yīng)變云圖

5 結(jié)束語

通過CREO建模和ANSYS仿真模擬，為GTC-80鋼軌探傷車設(shè)計了一套離縫檢測裝置。該套檢裝置已經(jīng)安裝完成，在一年多的試用過程中，裝置工作穩(wěn)定，說明設(shè)計的結(jié)構(gòu)具有可靠性。該設(shè)計方案也可以為其他型號軌道車和探傷車安裝離縫檢測設(shè)備提供參考依據(jù)。