軌道巡檢懸掛系統結構設計及強度分析

劉 偉 上海鐵路局科研所

1 引言

我國高鐵已經實現了大規模建設和開通運營，為了確保高鐵的安全、高速、平穩、舒適、不間斷的運行，全路各局工務部門急需一種新型高效、智能的檢測軌道結構病害的設備。車載智能軌道巡檢系統是一套集高速數字圖像采集、大容量圖像數據實時處理、存儲、定位技術、智能化、網絡化和信息化技術、自動控制技術于一體的智能系統，能對軌道結構狀態進行動態檢測并提供智能識別判斷。智能軌道巡檢系統安裝在軌道車底部，由于軌道車的底部結構因生產廠家及車型型號的不同而存在差異，因此軌道巡檢懸掛系統的結構必須按照軌道車的底部安裝空間來設計，并保證懸掛系統的結構強度穩定可靠。本文按照GTC-80鋼軌探傷車車體底部結構特征，對智能軌道巡檢的懸掛系統進行結構設計，并采用ANSYS軟件對懸掛系統的結構強度進行分析。

2 巡檢懸掛系統的結構設計

巡檢懸掛系統結構如圖1所示，主要由主梁、高速相機總成、光源總成、散熱片、防塵罩、減震碟簧、高強度連接螺栓等其他部件組成。為了使高速相機在干燥無塵的環境中采集圖像，將該總成設計成整體密封結構并安裝在主梁上。光源總成布置在主梁的內部，主要作用是照亮軌道板為相機拍照提供足夠的光照強度。為了防止車輛在運行過程中的污泥灰塵甩進光源總成而影響光照強度，該結構設計了防塵罩。減震碟簧主要為了減少車體因急剎車或者軌道不平順對巡檢懸掛系統產生的沖擊和振動。散熱片主要是將光源產生的大量熱量快速散掉，防止溫度過高燒壞光源總成。GTC-80鋼軌探傷車車體底部在出廠前預留了巡檢懸掛系統的安裝連接板（如圖2所示），并且在連接板兩端各留了6個安裝連接孔。本結構設計了固定支座（如圖3所示），通過固定支座的過渡作用將車體連接板和巡檢懸掛系統連接。巡檢懸掛系統與車體底部預留的連接板連接后的整體三維效果如圖4所示。圖5是巡檢懸掛系統現場安裝效果圖。

圖1 巡檢懸掛系統

圖2 連接板

圖3 固定支座

圖4 整體結構三維效果圖

圖5 巡檢懸掛系統現場安裝效果圖

3 軌道巡檢系統的結構強度計算

3.1 固定支座與車體連接螺栓強度計算

本結構中固定支座與巡檢懸掛系統的總重量約290 kg，空氣阻力P忽略不計。軌道車行車過程中，巡檢系統受到沖擊加速度作用，其加速度按重力加速度的15倍計算。由此，固定支座與巡檢懸掛系統對螺栓組產生的最大作用力為：

由于連接板上的螺栓固定方向與重力方向垂直，故所有螺栓是受剪力作用的。選用的12個螺栓每個螺栓受到的最大工作剪力約為3 867 N。

螺栓桿與固定支座的擠壓強度為：

螺栓桿的固定支座的剪切強度為：

式中：F為螺栓所受的工作剪力，d0為螺栓剪切面的直徑（可取為螺栓孔的直徑），單位mm；Lmin為螺栓桿與孔壁擠壓面的最小厚度，單位mm。該結構處選用12.9級的M20的螺栓。許用切應力、許用擠壓應力安全系數Sτ、SP均取為6.8。則螺栓的許用切應力[τ]=σs/Sτ≈137 MPa，許用擠壓應力[σp]=σs/Sp≈137 MPa。故螺栓的強度足夠。

3.2 固定支座與巡檢懸掛系統連接螺栓強度計算

巡檢懸掛系統的總重量M°約180 kg。巡檢系統在行車過程中受到的最大沖擊加速度按重力加速度的15倍計算。所以雙頭螺柱受到巡檢懸掛系統的最大作用力為：

由于連接板上的螺栓固定方向與重力方向垂直，故所有雙頭螺柱受拉申作用。選用的8個雙頭螺柱中每個螺栓受到的最大工作拉伸力為3 600 N。

雙頭螺栓桿的拉伸強度為：

式中：F為螺栓所受的工作剪力，N；d0為雙頭螺栓的直徑，單位mm。

雙頭螺柱的材料為42CrMo，該材料的屈服強度σs=930 MPa，拉伸強度遠小于屈服強度，因此雙頭螺栓連接懸掛系統強度足夠。

4 巡檢懸掛系統結構的有限元分析

4.1 有限元模型建立

首先在Pro/E中創建其簡化的三維模型，將其導入ANSYS中進行網格劃分（如圖6所示）。固定支座與轉向架連接板固定，則認為在工作過程中，固定支座與轉向架連接板的連接面相對轉向架無任何相對移動。沖擊加速度取重力加速度的15倍，a=1.5×105mm/s2。施加約束及工作載荷后，如圖7所示。

圖6 巡檢懸掛系統網格劃分圖

圖7 固定支座和巡檢懸掛系統添加約束和工作載荷圖

4.2 計算結果分析

從圖8中可以看出，整個巡檢懸掛系統形變最大的地方出現在中間擋板處，最大形變量不超過0.3 mm，形變量在允許變形的范圍內。從圖9中可以看出，整個巡檢懸掛系統最大受力在64 MPa以內，最大受力零件為碟形彈簧，巡檢懸掛系統采用的碟形彈簧尺寸為φ50 mm×φ25.4 mm×2 mm，查標準可知單片該型號碟形彈簧的最大計算應力為1 140 MPa，工作過程中碟形彈簧所受應力遠小于碟形彈簧所能承受的最大應力。

圖8 巡檢系統結構形變圖

圖9 巡檢系統結構應力圖

5 結束語

軌道巡檢系統是一種新型高效、智能的軌道結構病害的檢測設備。本文中設計的軌道巡檢懸掛系統，適用于安裝車型GTC-80鋼軌探傷車車體底部結構特征。經連接螺栓的強度計算及巡檢懸掛系統的整體ANSYS有限元結構強度分析，可知該結構的強度穩定可靠，可用于鋼軌探傷車的軌道結構病害檢測作業。

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