一種新型鐵路軌道檢測小車的設計與分析

付文龍 王培俊 李文濤 鄭小江 陳亞東

西南交通大學機械工程學院，成都，610031

0 引言

截至2017年底，我國鐵路營業里程共計12.7萬千米(包含2.5萬千米的高速鐵路)。鐵路軌道是鐵路線路的重要組成部分，而軌道檢測是保證鐵路安全運營的重中之重。軌道長期暴露在惡劣的自然環境中，承受雨露、嚴寒、霜凍、風沙等的破壞；鐵路車輛長期行駛在軌道上，對軌道產生的沖擊、磨損等有害因素使得鐵路狀態發生變化。這些都對鐵路行車安全產生嚴重的威脅。

根據《高速鐵路無砟軌道線路維修規則(試行)》[1]，軌道檢測參數包括軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值和軌道動態不平順項目，如軌距、水平、高低、扭曲和軌距變化率等；檢測方式分為靜態檢測和動態檢測。高速軌道檢測車(簡稱“軌檢車”)價格高，不易普及到工務段。國內主要依靠傳統人工作業的檢測手段，檢測效率低下，項目單一，費時費力[2]。軌道檢查儀作為一種多功能的靜態檢測儀器，代替傳統人工作業，提高了檢測精度和檢測效率。目前,軌道檢查儀的發展處于起步階段，存在較多的機械結構缺陷[3]。國內多家科研院校對鐵路線路靜態檢測的原理和方法進行了研究。趙政權[4]介紹了軌檢小車測量軌道各項參數的原理和計算過程。植立才等[5]對傳統T形軌檢小車的走行輪進行改進設計，解決了傳統走行輪不具備互換性、磨損大的問題。王新國[6]使用兩個全站儀定位，研發了性價比高的T形手推便攜式軌檢車。馬驍[7]提出了一套基于多傳感器的便攜式軌道線路狀態檢測系統的設計方案和基于車體姿態的軌距修正算法。

目前，T形軌檢小車存在的問題主要有：①推行時，T形軌檢小車發生的偏移現象造成激光傳感器采集數據的不準確；②T形軌檢小車縱梁對一側鋼軌的遮擋，結構光掃描儀不能獲取該側鋼軌的幾何形態數據；③T形軌檢小車對鋼軌曲線段的軌距和道岔區復雜路況適應能力不足。

通過對工務段人工作業方式的實地調研，結合現場的檢測需求，本文設計了新型輕量化檢測小車。該小車搭載激光傳感器和結構光掃描設備進行軌道靜態幾何參數測量，評價軌道傷損情況。該小車結構輕便，便于運輸，用于鐵路軌道日常檢測，可代替傳統手工靜態測量。柔性側壓輪保證小車在各種軌道下的通過性良好；柔性側壓機構保證小車在推行時不發生偏移現象，滿足檢測要求。

1 檢測小車總體方案設計

1.1 總體設計要求

新型鐵路軌道檢測小車應具備以下功能：①保證車架與鋼軌的垂直度良好，車架偏移角度小，防止小車推行偏歪；②實時采集兩側鋼軌的幾何形態數據；③機械結構輕便合理，保證能在軌道直線路段、曲線路段和道岔區上運行工作，裝拆方便。

根據設計要求，設計了一種半T形的機械結構，該機構滿足激光傳感器和結構光掃描儀實時采集兩側鋼軌幾何形態數據的要求。改T形“橫梁+縱梁”的布局為半T形“橫梁+側梁”的布局，檢測小車具有折疊功能，裝拆方便，便于運輸。如圖1所示，橫梁是檢測小車的主體架構，配置有結構光掃描儀、多組激光傳感器、扶手、車輪部件、電源和側壓輪部件。側梁配置有旋轉編碼器、車輪部件和側壓輪部件。橫梁與側梁采用圓柱銷連接。車輪部件作用在軌道頂面，為小車提供走行能力；側壓輪部件作用在軌道內側面，為小車提供導向功能。

圖1 檢測小車Fig.1 Detection trolley

1.2 柔性結構設計

激光檢測主要分為拍照法和傳感器法兩種，均對車架與鋼軌之間的垂直度有很高的要求。為解決目前普遍存在的軌檢小車車架與鋼軌縱向難以垂直的問題，確保車架偏移角度小、與鋼軌垂直度良好、推行不偏歪,順利通過軌道直線段、曲線段和道岔路段，實現實時測量，設計了柔性調節結構。在橫梁左方車輪下安裝固定式側壓輪部件，包括固定基座和軸承滾輪等；在橫梁右方車輪下安裝柔性側壓輪部件，包括基座、彈簧、連桿機構和軸承滾輪等；在側梁車輪下安裝固定式側壓輪部件。三組側壓輪部件作為小車的柔性調節結構，可保證小車適應鐵路軌道軌距的變化(軌距范圍：1 435～1 450 mm)，即柔性側壓輪部件貼緊軌道內側面的變化差值應大于15 mm。設計一種側壓式連桿機構以自適應調節軌距變化。機構始端安裝拉伸彈簧以施加預緊力；機構末端安裝滾輪以時刻貼靠鋼軌內側面。

2 側壓機構運動學分析

2.1 D-H法建立運動學模型

為求解柔性側壓機構的變化差值，應用D-H法建立運動學模型[8]。側壓機構的坐標系定義如下：桿件1與機架0形成移動副的基座坐標系{0}；坐標系{i}(i=1,2,…,n)設置在桿件i的后關節上，zi軸與后關節i軸軸線重合，指向任意，xi軸為沿著前關節、后關節軸線的公法線由i-1軸指向i軸，與i軸的交點為坐標原點，以右手定則建立yi軸。側壓機構和坐標系見圖2。

圖2 機構簡圖及坐標系Fig.2 Schematic diagram of mechanism and coordinate

圖2中，桿件3、4、5與桿件3′、4′、5′為對稱結構，提高了側壓機構對鋼軌內側面的穩定性。桿件參數定義如下：桿件i的長度ai為沿著xi軸，由zi-1軸平移到zi軸的距離；桿件i的扭角αi為繞xi軸，由zi-1軸旋轉到zi軸的角度，右手定則決定扭角正負；桿件i的偏距di為沿著zi-1軸，由xi-1軸平移到xi軸的距離，若反向為負值；桿件i的夾角θi為繞zi-1軸，由xi-1軸旋轉到xi軸的角度，右手定則決定夾角正負。機構D-H參數見表1。

表1 D-H參數

坐標系{i-1}與{i}的齊次變換矩陣為

(1)

式中，cθi=cosθi,sθi=sinθi,cαi=cosαi,sαi=sinαi。

桿件間的變換矩陣依次連乘，得到側壓滾輪端相對于基座坐標系的空間位姿矩陣：

(2)

2.2 運動學正解

為求解側壓滾輪在水平方向上的調節范圍，需計算側壓滾輪在兩處極限位置的位姿坐標。設側壓滾輪端相對于基座坐標系的空間位姿矩陣為

(3)

整理數據，由式(2)和式(3)對應元素相等，可得

(4)

可得側壓滾輪端的空間坐標為(-59.429 2, 9, 86.594 5)。結合圖2的基座坐標系，側壓滾輪在水平方向上的調節范圍為Pz坐標的差值，即105.213-86.594 5=18.618 5 mm>15 mm，表明柔性側壓機構能適應軌距變化范圍，保證檢測小車能在直線段、曲線段和道岔區上運行工作，通過性良好。

2.3 運動學逆解

判斷側壓連桿機構能否使側壓滾輪達到預期的位姿，需推導逆解公式。已知側壓滾輪端相對于基座坐標系的空間位姿矩陣與桿件的幾何參數，求解桿件對應的關節變量θ3、θ4和偏距d1。由式(4)計算逆解，逆解公式如下：

(5)

先由反三角函數方程求解關節夾角θ3，產生多解，結合夾角取值范圍θ3∈[90°,155°]，甄選合理的結果；同理，確定關節夾角θ4，θ4∈[240°,270°]；最后求解偏距d1。

3 檢測小車力學分析

3.1 空間力系分析

分析檢測小車在軌道上的受力情況，構建空間力學分析模型。使用Creo 2.0對小車進行三維建模，為模型添加材質和質量屬性，并且自下而上進行裝配。為簡化運算，將車架與檢測儀器視為一個系統，在裝配體中求解系統的質心坐標(xc,yc,zc)。檢測小車的受力見圖3。以車架橫梁的中心位置建立原點坐標系Oxyz。車架的三組車輪1、2、3與鋼軌頂面接觸，分別受到支持力和摩擦力作用。三組側壓輪4、5、6與鋼軌內側面接觸，分別受到支持力和摩擦力作用。在行進中，小車受到工作人員的推力7作用。整車受到豎直向下的重力8作用。

圖3 小車受力示意圖Fig.3 Force diagram of the detection trolley

圖3中，fn(n=1,2,…,6)為車輪n受到的摩擦力，N；FNn(n=1,2, …,6)為車輪n受到的支持力，N；F7為整車受到的推力，N；G為重力，N；L為長度，mm。由圖3可知，小車受空間力系作用。在三維坐標系中，用坐標參數來表示小車的受力情況，見表2。

表2 小車力學參數

空間力系的合力為各軸方向上分力的矢量和。合力矢為

Fz=∑Fxni+∑Fynj+∑Fznk

(6)

式中，n為力的作用點編號,n=1,2，…，8。

代入表2數據，整理得

(7)

空間力系中，各力對坐標原點O的力矩可用力矩矢MO(F)表示，單位N·mm。矢徑與力為矢量，寫成坐標形式：

r=xi+yj+zk

F=Fxi+Fyj+Fzk

合力矩矢用行列式形式表示為

(8)

代入表2數據，整理得

(9)

摩擦力fn(n=1,2,…，6)屬于滾動摩阻范圍。小車勻速運行時，推力F7求解公式如下：

(10)

式中，Rn為輪子半徑，mm；δn為滾動摩阻系數，mm；作用點5為柔性側壓輪。

拉伸彈簧一側與機架相連，另一側與圖2中的桿件1相連，通過側壓連桿機構傳遞力作用，保證側壓輪與鋼軌內側面的緊密貼靠。

3.2 靜態平衡分析

對檢測小車進行靜態平衡分析，保證小車在靜止狀態下不會發生側翻、脫軌現象，驗證機構設計的合理性。當小車處于非工作狀態時，施加的推力F7=0，小車無運動趨勢,fn=0。在裝配體中測量得到的參數如下：L=1 440 mm,L1=440 mm,L2=950 mm,α=30°,β=45°,整車重力G=mg=528.6 N,質心坐標為(163.6,317.8,53.9)。

在靜態平衡時，滿足合力矢與合力矩矢均為零向量。將上述參數代入式(6)～式(9)，求解結果為

(11)

FNn>0(n=1,2,3)表明鋼軌頂面對三組車輪具有支持力，兩者接觸，表明小車在靜止狀態下，不會發生側翻、脫軌，機構設計合理。

4 虛擬樣機仿真

4.1 仿真前期處理

應用ADAMS 2013軟件對檢測小車三維模型進行虛擬仿真。為了提高仿真速度，去除不必要的零件，無相對運動的零部件作為剛體處理[9]。為零部件定義材料屬性，添加質量；構件之間添加約束，定義運動副，施加載荷；設置重力場方向和大小。三組車輪和三組側壓輪分別與鋼軌的頂面和側面之間添加Solid to Solid的三維接觸。在機架與圖2的桿件1上創建拉伸彈簧，使三組側壓輪能時刻貼靠在鋼軌內側面上。

4.2 仿真結果分析

為圖2的桿件1添加沿z方向的正反勻速驅動，有效行程為60 mm。設置柔性側壓機構的側壓輪與鋼軌內側面的Contact失效，在側壓輪上創建Marker，分析柔性側壓機構執行桿件末端在z方向的運動范圍是否滿足軌距變化差值15 mm。仿真結果見圖4。

圖4 側壓機構運動仿真圖Fig.4 Motion simulation diagram of sidepressure mechanism

由圖4可知，執行桿件末端在z方向的變化差值為18.6 mm>15 mm,滿足理論軌距變化范圍，這也驗證了柔性側壓機構D-H法運動學方程的正確性。

設置Contact激活，在未施加推力F7情況下，分析小車在非工作狀態下的平衡問題，分別求解鋼軌頂面對三組車輪的支持力FN。仿真結果見圖5。

圖5 靜態平衡分析圖Fig.5 Diagram of Static Equilibrium Analysis

檢測小車作為一種低速的鐵路軌道檢測系統，運行速度不高。應用控制變量法，分析同一速度下不同類型的拉伸彈簧對小車橫梁和鋼軌垂直度的影響，以及在同一彈簧下，不同速度對垂直度的影響。車架的偏移角仿真結果見圖6。

(a)同一速度，不同彈簧

(b)同一彈簧，不同速度圖6 車架的偏移角Fig.6 Offset angle of the frame

由圖6分析可得,小車車架的偏移角度在0.056°左右，證明小車橫梁與鋼軌的垂直度好。車架偏移角曲線的振蕩幅度隨著時間的延長越來越小，并趨于穩定值，這證明三組側壓輪自調節能力強。結合圖6，在不同速度、不同彈簧下，車架偏移角曲線相似，偏移角度變化不大，證明小車適應性好，滿足不同工況要求。

5 物理樣機試驗

對結構反復優化改進后，試制了物理樣機，在成都鐵路局北車輛段編組站進行了現場試驗。

檢測小車搭載旋轉編碼器、激光傳感器和結構光設備完成了多項軌檢參數的測量。小車配備Youlai UPS-500AD獨立電源，適應野外工作環境；整車輕便，側梁可折疊，運輸方便。樣機試驗見圖7，現場試驗表明，小車能夠通過鐵路軌道直線段、曲線段和道岔區，三組側壓輪實時貼靠鋼軌內側面，適應軌距變化；同時車架不會偏移，保證了激光傳感器測量數據的準確性。

圖7 物理樣機試驗Fig.7 Physical prototype test

6 結論

(1)設計了一種鐵路軌道半T形檢測小車，該小車同時滿足激光檢測和三維結構光檢測要求，用于鐵路軌道日常檢測。

(2)設計了柔性側壓機構，論證了側壓輪滿足軌距變化范圍。三組側壓輪部件實時貼靠鋼軌內側面提供導向功能，并且車架的偏移角控制在0.056°左右，保證了小車車架與鋼軌的垂直度良好，測量參數可靠。

(3)試制了物理樣機，進行了現場試驗。試驗表明，檢測小車在各種軌道下的通過性良好，自適應調節能力強，滿足設計要求。本文為研發人員設計半自動輕量型軌檢小車提供了一種新的研究思路與方案。