傳統(tǒng)T型軌檢小車走行輪結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計

植立才，楊雪榮，成思源，2，楊世峰

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣州　510006；2.廣東省創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點實驗室，廣州　510006；3.廣州南方測繪儀器有限公司，廣州　510665)

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傳統(tǒng)T型軌檢小車走行輪結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計

植立才1，楊雪榮1，成思源1，2，楊世峰3

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣州510006；2.廣東省創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點實驗室，廣州510006；3.廣州南方測繪儀器有限公司，廣州510665)

摘要：針對傳統(tǒng)T型軌檢小車走行輪采用外圓環(huán)貼合軌道側(cè)面的設(shè)計，存在制造與后期維護繁瑣、單雙輪組件的走行輪不能互換、長時間使用磨損大的問題，提出一種新型的走行輪改進機構(gòu)，該機構(gòu)采用3個規(guī)格完全一樣的走行輪，并設(shè)計一定位輪裝置代替雙輪組件走行輪外圓環(huán)的設(shè)計，顯著提升走行輪在制造與后期維護的簡便性以及耐磨性能。通過對定位輪裝置中心軸的ANSYS Workbench有限元分析，驗證該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

關(guān)鍵詞：軌檢小車; 走行輪; 改進設(shè)計; 有限元分析

隨著貴廣、南廣、杭長等高速鐵路的開通運營，截止2014年底，我國的高鐵運營里程達到了1.6萬km，是世界上高鐵運營里程最長、在建規(guī)模最大的國家[1]。現(xiàn)階段我國高鐵的運營速度日益提高，而列車能否在高速狀態(tài)下安全行駛是社會一直以來關(guān)注的焦點問題。其中，軌道幾何參數(shù)的精調(diào)是高速列車提供安全行駛的重要依據(jù)，而軌檢小車則是參與檢測軌道靜態(tài)幾何參數(shù)的便攜裝置，它結(jié)合專用計算機、特殊傳感器、高精度全站儀等先進儀器設(shè)備組成精密的軌道檢測系統(tǒng)，檢測出軌距、水平(超高)、軌向(高低)、長短波不平順等軌道幾何參數(shù)[2-3]。

目前我國軌檢小車的研發(fā)處于高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，但仍與國外先進精密的瑞士安伯格GRP、德國GEDO CE軌檢小車相比仍存在一定的差距，為了減少昂貴的進口采購費用，提高我國自主創(chuàng)新能力，軌檢小車的研發(fā)勢在必行[4]。通過對傳統(tǒng)T型軌檢小車走行輪進行結(jié)構(gòu)分析，總結(jié)其不足并提出一種新型的改進方案，以提高走行輪在制造與后期維護的簡便性以及耐磨性能。

1T型軌檢小車整體結(jié)構(gòu)

T型結(jié)構(gòu)軌檢小車是國內(nèi)研發(fā)廠商的主流設(shè)計，優(yōu)點是簡化結(jié)構(gòu)、減輕質(zhì)量、便捷拆裝[5]，其機械結(jié)構(gòu)由多個模塊組成，其中包括單輪組件、雙輪組件、傳感器組件、棱鏡安裝裝置、手推架裝置。軌檢小車是采用螺栓把單輪組件與雙輪組件連接起來，形成一體的T型結(jié)構(gòu)車架，而棱鏡裝置與手推架裝置分別安裝在單輪組件與雙輪組件基座的正上方，從而形成軌檢小車的整體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　傳統(tǒng)T型軌檢小車基本結(jié)構(gòu)

單輪組件結(jié)構(gòu)部分包括軌距測量機構(gòu)、左側(cè)車體構(gòu)架、軌距傳感器、走行輪組成，軌距測量機構(gòu)安裝在左側(cè)車體構(gòu)架內(nèi)并與貼合軌道內(nèi)側(cè)的導(dǎo)向輪連接，目的是檢測軌道軌距。雙輪組件結(jié)構(gòu)部分包括右側(cè)車體構(gòu)架、外圓環(huán)走行輪、剎車裝置組成，目的是與單輪組件連接配合成T型車架結(jié)構(gòu)，保持小車穩(wěn)定的行走姿態(tài)。棱鏡安裝裝置結(jié)構(gòu)部分包括棱鏡安裝柱與棱鏡組成，棱鏡的作用是配合高精度的全站儀測出棱鏡中心的三維坐標(biāo)。手推架裝置結(jié)構(gòu)部分由便攜式電腦支撐板、手推架組成，作用是便捷地推行小車在軌道上進行檢測以及放置專用電腦。傳感器組件由軌距傳感器、水平傾角傳感器、里程傳感器組成，作用是測量軌道的軌距、超高與小車推行檢測段所行走的里程。

2軌檢小車走行輪結(jié)構(gòu)改進設(shè)計

軌檢小車的走行輪是小車機械機構(gòu)至關(guān)重要的部分，它承載著小車行走、輔助軌距測量與小車里程測量的重任。走行輪對材料要求較高，氮化硅是其最常用的制造材料，可以滿足硬度高、耐磨損、抗氧化、抗冷熱沖擊、絕緣等性能要求。

2.1　傳統(tǒng)T型軌檢小車走行輪結(jié)構(gòu)分析

傳統(tǒng)軌檢小車走行輪由單輪組件走行輪與雙輪組件走行輪組成，其中單輪組件走行輪采用圓柱形設(shè)計，配合里程傳感器進行小車的里程測量；而雙輪組件走行輪采用外圓環(huán)圓柱形設(shè)計，走行輪的外圓環(huán)在進行軌距測量時由于軌距測量機構(gòu)彈簧力的作用使其貼合軌道內(nèi)側(cè)面，輔助軌檢小車進行軌距測量，單雙輪組件走行輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　單雙輪組件走行輪結(jié)構(gòu)

由于單輪與雙輪組件走行輪采用圓柱形與外圓環(huán)圓柱形的設(shè)計，在制造過程需要不同的模具進行鑄造，并且雙輪組件走行輪貼合軌道的外圓環(huán)側(cè)面與走行輪表面的精度也大不相同，從而大大增加了鑄造的繁瑣。另外由于軌檢小車的雙輪組件走行輪外圓環(huán)側(cè)面與軌道側(cè)面在軌道檢測時要一直保持貼合的滾動接觸狀態(tài)，故在長時間的使用會造成較明顯的磨損痕跡(圖3)，從而造成軌距測量誤差的加大。而在走行輪后期維護上，走行輪外圓環(huán)側(cè)面或者走行輪表面遇到磨損需要更換時，則需要換掉整個走行輪，從而造成維修成本增加與材料浪費。

圖3　外圓環(huán)走行輪磨損

2.2　軌檢小車走行輪結(jié)構(gòu)改進

針對傳統(tǒng)T型軌檢小車走行輪采用外圓環(huán)貼合軌道側(cè)面的設(shè)計，存在制造與后期維護繁瑣、單雙輪組件的走行輪不能互換、長時間使用磨損大的問題，提出了一種新型的走行輪改進機構(gòu)，該走行輪機構(gòu)的單雙輪組件整體結(jié)構(gòu)采用3個規(guī)格完全一樣的圓柱形走行輪，而雙輪組件的走形輪采用2個規(guī)格完全一樣的走形輪與一定位輪裝置組成，其中定位輪裝置代替雙輪組件走行輪外圓環(huán)的設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　改進后雙輪組件走行輪結(jié)構(gòu)

改進設(shè)計后，單雙輪組件走行輪的規(guī)格完全相同，從而減少鑄造模具的多樣化與鑄造成本；而在后期維護方面，走行輪的維修更換與定位輪沒有任何聯(lián)系，取代了傳統(tǒng)軌檢小車的走行輪外圓環(huán)側(cè)面或者走行輪表面遇到磨損更換時，則需要換掉整一個走行輪的不便，從而顯著提升了維修效率與降低了維修成本。除此之外，傳統(tǒng)軌檢小車外圓環(huán)走行輪的側(cè)面與軌道側(cè)面在檢測工作時一直處于面面接觸的滾動摩擦狀態(tài)，而改進后走行輪機構(gòu)的定位輪與軌道側(cè)面為點面接觸，與傳統(tǒng)T型走行輪外圓環(huán)接觸軌道側(cè)面相比大大減少了輪子接觸軌道側(cè)面的接觸面積，從而降低了材料的磨損以及更有利于走行輪長時間的使用。

2.3　定位輪裝置設(shè)計分析

通過結(jié)構(gòu)的改進，傳統(tǒng)軌檢小車走行輪貼合軌面的外圓環(huán)被定位輪裝置所代替，該裝置基本零件由側(cè)板、定位輪、中心軸、固定塊、螺母、軸承組成。定位輪的側(cè)板安裝在固定塊上，作用是為了保護定位輪避免與其他物體發(fā)生碰撞；固定塊通過螺栓安裝在雙輪的支架上，作用是為了整個定位輪裝置處于固定狀態(tài)；定位輪安裝在中心軸上，并且輪的最下緣貼合軌道內(nèi)側(cè)軌頂面下16 mm處，作用是在進行軌距測量時通過軌距測量機構(gòu)彈簧力的作用使其貼合軌道內(nèi)側(cè)面下16 mm處，輔助軌檢小車進行軌距測量，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　定位輪裝置結(jié)構(gòu)

由于定位輪與走行輪的工作性能相似并要求小車處于絕緣狀態(tài)，則制造材料同樣為氮化硅。

3定位輪裝置中心軸的有限元分析

軌檢小車在進行軌道測量工作時，由于軌距測量機構(gòu)彈簧力的作用使定位輪貼合軌道內(nèi)側(cè)面，則軌檢小車x平面受力情況如圖6所示。軌距測量機構(gòu)的彈簧力F=100 N使雙輪組件的兩個定位輪貼緊軌道內(nèi)側(cè)面，而兩個定位輪則受反作用支撐力Fb1X與Fb2X=50 N，因此定位輪裝置在受力時相當(dāng)于懸臂梁狀態(tài)，而定位輪材料為氮化硅受力不發(fā)生塑型變形，則定位輪中心軸是受力變形的關(guān)鍵部位。

圖6　軌檢小車x平面受力

由于定位輪輔助軌檢小車進行軌距測量，而軌距的測量是根據(jù)小車橫梁固定的長度加上軌距傳感器測量的可變長度而得到，定位輪軸的變形勢必會引起軌距測量誤差，因此需要對其進行有限元分析。

在Solidworks進行三維建模后，另存為XT格式，導(dǎo)入Ansys Workbench平臺進行進一步分析，材料加載45號鋼，定位中心軸被固定塊固定的圓柱面施加圓柱面約束A，端面施加固定約束C，定位輪受力端面施加軸承荷載B，則定位輪中心軸約束與荷載如圖7所示。

圖7　定位輪中心軸約束與荷載圖

在施加約束與荷載后，求解得到定位中心軸應(yīng)變與應(yīng)力結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8　定位輪中心軸50 N受力變形云圖

圖9　定位輪中心軸50 N受力應(yīng)力云圖

根據(jù)Ansys Workbench平臺分析結(jié)果可知，定位中心軸在承受50 N的支撐力時所發(fā)生的最大變形為0.007 678 mm，最大應(yīng)力為20 MPa。根據(jù)《客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀暫行技術(shù)條件》科技基(2008)86號規(guī)定，軌距測量誤差為±0.3 mm，而定位輪中心軸所產(chǎn)生的變形誤差0.007 678 mm遠遠小于0.3 mm，并且最大應(yīng)力20 MPa也遠小于材料45號鋼的屈服強度δs=355 MPa，因此定位輪裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

4結(jié)論

通過對傳統(tǒng)T型軌檢小車走行輪的改進設(shè)計，得出以下結(jié)論。

(1)新型的走行輪機構(gòu)采用3個規(guī)格完全一樣的走行輪，避免了傳統(tǒng)T型單雙輪組件的走行輪不能互換的不便。

(2)新型的走行輪機構(gòu)設(shè)計一定位輪裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)T型雙輪組件走行輪外圓環(huán)的設(shè)計，顯著提升了走行輪在制造與后期維護的簡便性。

(3)新型的走行輪機構(gòu)的定位輪與軌道側(cè)面為點面接觸，與傳統(tǒng)T型走行輪外圓環(huán)接觸軌道側(cè)面相比大大減少了輪子接觸軌道側(cè)面的接觸面積，從而降低了材料的磨損以及更有利于走行輪長時間的使用。

(4)通過對新型的走行輪機構(gòu)定位輪裝置中心軸的Ansys Workbench有限元分析結(jié)果得出，驗證了該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

因此改進設(shè)計的新型走行輪機構(gòu)設(shè)計可行性高，顯著提升了走行輪在制造與后期維護的簡便性以及耐磨性能，適用于軌檢小車結(jié)構(gòu)的更新?lián)Q代。目前該走行輪機構(gòu)已被新型的軌檢小車所采用，并在合福高鐵在建路段已經(jīng)調(diào)試成功。

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Improved Structure Design of Traditional Track Inspection Instrument with T-shape Walking Wheel

ZHI Li-cai1， YANG Xue-rong1， CHENG Si-yuan1，2， YANG Shi-feng3

(1.Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006, China; 2.Key Laboratory of Innovation Method and

Decision Management System of Guangdong Province， Guangzhou 510006, China;

3.South Surveying & Mapping Instrument Co.， Ltd.)

Abstract：In view of the problems during manufacturing and later maintenance period， the inability to exchange the walking wheels between the single and double wheel component and the severe abrasion for longtime employment， which are existed in the design of the excircle ring plying-up the side of the railway track in the traditional track inspection instrument with T-shaped walking wheel， this paper proposes a new type of improved walking wheel mechanism with three totally same standard walking wheels. One positioned wheel device is also designed to replace the excircle ring of the walking wheel in the double wheel component for this new mechanism. Both of the simplicity of the manufacturing and maintenance in later period and the wear-resisting property of the walking wheels have been notably improved. Finally， the rationality of the structural design is verified via the ANSYS Workbench finite element analysis (FEA) of the central axis inside of the positioned wheel device.

Key words：Track inspection instrument; Walking wheels; Improved design; Finite element analysis

作者簡介：植立才(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：licai129@126.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51105078)；廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目(2012B091100190)；廣東省科技計劃項目(2011A06 0901001，2013B061000006)；廣州市科技計劃項目(2013J4300019)

收稿日期：2015-05-06； 修回日期：2015-06-08

中圖分類號：U213.4+3

文獻標(biāo)識碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.005

文章編號：1004-2954(2016)01-0023-04