CRH5J綜合檢測車軌道幾何檢測設(shè)備吊裝梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度分析

韓宣，諶亮，呂成吉，楊集友，呂常秀

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)*

當(dāng)今社會，高速鐵路的發(fā)展非常迅速，人們對高速動車組運(yùn)營品質(zhì)的追求也在不斷提高.在外界環(huán)境的腐蝕及軌道車輛的沖擊、磨損的作用下，軌道線路的狀況需要高速綜合檢測車周期性檢測，以保證鐵路系統(tǒng)安全運(yùn)營[1].

在軌道檢測車輛中，軌檢梁作為重要組成部分，對軌道幾何檢測設(shè)備安裝的可靠性及工作的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用.以CRH380B動車組為技術(shù)平臺，國內(nèi)企業(yè)自主研制了高速綜合檢測車，文獻(xiàn)[2]為該綜合檢測車設(shè)計的軌檢梁主體結(jié)構(gòu)包括主梁、吊臂及遮光罩等部件，并從沖壓下料、焊接、機(jī)加工及噴漆等制造工藝方面進(jìn)行了詳細(xì)研究.文獻(xiàn)[3]設(shè)計了一種干線鐵路軌檢車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，并對構(gòu)架端部的軌檢梁安裝座進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化.通過強(qiáng)度計算及試驗，驗證了該構(gòu)架能夠滿足運(yùn)用要求，但該文章未對軌檢梁主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)闡述.借鑒高鐵綜合檢測車的成功經(jīng)驗，文獻(xiàn)[4-5]研制了城鐵綜合檢測車及適用于該車型的軌檢梁.文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一種新型鐵路軌道檢測小車，該結(jié)構(gòu)上搭載激光傳感器和光掃描設(shè)備，通過推行的方式檢測軌道參數(shù).該小車解決了車架與軌道難以保證縱向垂直的問題，但該套僅限于對軌道的靜態(tài)檢測.

本文設(shè)計的軌檢梁不但滿足承壓、受拉的載荷工況，而且制造過程中焊接加工比較方便，具有良好的工程實用價值.在未設(shè)計制造本軌檢梁前，CRH5J綜合檢測車軌檢梁一直從國外進(jìn)口采購且為鑄鋁材質(zhì)，雖然重量相對該鋼板焊接件略輕，但價格昂貴且疲勞壽命相對較差，更換周期更短.因此，該軌檢梁的設(shè)計制造具有良好的經(jīng)濟(jì)效益.

1 軌檢梁結(jié)構(gòu)與技術(shù)指標(biāo)

CRH5J綜合檢測車軌檢梁是軌道檢測設(shè)備的載體，安裝于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架端部，用于承擔(dān)構(gòu)架傳遞的橫向力、縱向力及檢測設(shè)備的慣性力等[7].主體結(jié)構(gòu)由安裝座、橫梁、遮光罩組成，其上搭載鐵科院軌道檢測設(shè)備，包括激光攝像組件、慣性組件、地面標(biāo)志傳感器.軌檢梁通過緊固螺栓直接與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架端部連接， 可在整車落成狀態(tài)下對其

圖1 軌檢梁及軌道檢測設(shè)備

進(jìn)行拆裝，操作方便快捷.其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

CRH5J綜合檢測車軌檢梁長2 200 mm、寬460 mm、高583 mm，凈重130 kg，為鋼板焊接件.為滿足軌道幾何檢測設(shè)備的檢測精度要求，本軌檢梁滿足如下技術(shù)指標(biāo)：①剛度和強(qiáng)度要求，梁體設(shè)計要保證足夠的剛度和強(qiáng)度，確保在車輛運(yùn)行的各種工況下都具有足夠的疲勞強(qiáng)度[8-10].②設(shè)備結(jié)構(gòu)及要求，各軌道幾何檢測設(shè)備需保證距軌面高度符合要求，安裝設(shè)備的梁體與轉(zhuǎn)向架之間需滿足彈性連接.③設(shè)計遮光罩，用于遮擋激光器、攝像機(jī)照射部位范圍內(nèi)的陽光及防止車輪帶起的水飛濺到鏡頭上.④限界要求，所有檢測設(shè)備安裝后，限界符合鐵路限界標(biāo)準(zhǔn)要求.⑤車輪鏇修對檢測數(shù)據(jù)影響，要考慮鏇修后輪徑變小對檢測數(shù)據(jù)的影響.

除執(zhí)行上述關(guān)鍵指標(biāo)外，軌檢梁還需要通過動應(yīng)力測試等線路試驗驗證.

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在不改變CRH5J綜合檢測車既有結(jié)構(gòu)的前提下，為了保證檢測設(shè)備安裝面與軌面的距離滿足用戶要求，首先設(shè)計了鍛鋼材質(zhì)的安裝座.因該安裝座為主要承載部件，所以既要滿足強(qiáng)度要求又要滿足剛度要求，如圖2所示.為了使軌檢梁的主體結(jié)構(gòu)橫梁盡可能輕量化，采用了橋梁桁架的設(shè)計理念，不僅承載效果良好，而且便于內(nèi)部防腐處理，運(yùn)用過程中雨水不會積存在橫梁內(nèi)部，也便于清理冰雪等雜物.該橫梁全部由8 mm厚鋼板焊接而成，其上留有不同檢測設(shè)備的安裝接口，如圖3所示.安裝座與橫梁之間安裝有金屬與橡膠硫化的彈性元件(件號1)，能夠避免列車運(yùn)行過程中軌道檢測設(shè)備受到輪軌沖擊影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.通過套筒(件號2)結(jié)構(gòu)控制彈性元件的安裝壓縮量，確保該軌檢梁在承受最惡劣載荷作用下彈性元件始終處于壓縮狀態(tài)，從而為橫梁提供合適的彈性剛度.因車輪運(yùn)用或定期鏇修后輪徑值減小，會導(dǎo)致檢測設(shè)備與軌面高度下降，為滿足檢測設(shè)備傳感器距軌面高度始終滿足要求，在安裝座與橫梁之間設(shè)置有調(diào)整墊，可根據(jù)運(yùn)用過程中實際需求撤下不同厚度調(diào)整墊(件號3)，同時在套筒與橡膠塊之間增加對應(yīng)厚度的墊圈，從而抬高橫梁高度，如圖4所示.該辦法即能保證橡膠元件始終處于同一壓縮狀態(tài)，為軌檢梁提供合適的垂向和徑向剛度，又能實現(xiàn)抬高檢測設(shè)備的目的.為防止意外情況發(fā)生，避免安裝座與橫梁的連接螺栓出現(xiàn)斷裂時橫梁掉落在軌道上，橫梁兩側(cè)設(shè)計有安全吊耳，當(dāng)螺栓松脫或斷裂時，安全吊耳能夠搭在安裝座上，從而確保行車安全.

圖2 安裝座示意圖 圖3 橫梁示意圖

圖4 安裝座與橫梁連接示意圖

2.2 強(qiáng)度計算

根據(jù)EN13749-2011以及DVS1612-2014標(biāo)準(zhǔn)，并參照以往CRH5型動車組構(gòu)架端部懸掛部件振動加速度測試結(jié)果[11]，利用ANSYS有限元分析軟件對此次設(shè)計的CRH5J綜合檢測車軌檢梁進(jìn)行了應(yīng)力計算，并對其靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析.

2.2.1 靜強(qiáng)度計算

根據(jù)EN3749-2011標(biāo)準(zhǔn)，取軌檢梁及設(shè)備的最大垂向、橫向加速度分別為構(gòu)架端部加速20 g(g為重力加速度，下同)、10 g的1.22倍，縱向加速度仍取5g，即振動加速度為：

軌檢梁及檢測設(shè)備垂向加速度：24.4 g；

軌檢梁及檢測設(shè)備橫向加速度：12.2 g；

軌檢梁及檢測設(shè)備縱向加速度：5 g.

根據(jù)上述計算結(jié)果列出工況組合，如表1.

表1 超常工況組合表 g

在軌檢梁組成模型上施加各超常載荷及其組合工況，各超常載荷及其組合工況作用下的軌檢梁應(yīng)力分布情況表2所示.

表2 超常載荷工況下最大應(yīng)力發(fā)生位置及其Von Mises應(yīng)力值

由表2可以得知，在超常載荷及其組合工況下軌檢梁上最大應(yīng)力發(fā)生于超常載荷組合工況1，最大Von Mises應(yīng)力值為126.82 MPa，位于軌檢梁安裝座立筋圓孔處，焊縫處最大應(yīng)力也發(fā)生在超常載荷組合工況1，最大Von Mises應(yīng)力值為104.09 MPa，位于上蓋板與墊板焊縫處.

2.2.2 疲勞強(qiáng)度計算

參照現(xiàn)有綜合檢測車加速度測試數(shù)據(jù)，在EN13749-2011標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上放大1.5倍作為軌檢梁及檢測設(shè)備的垂向、橫向和縱向加速度，即振動加速度為：

軌檢梁及檢測設(shè)備垂向加速度：9 g；

軌檢梁及檢測設(shè)備橫向加速度：7.5 g；

軌檢梁及檢測設(shè)備縱向加速度：3.75 g.

取軌檢梁及檢測設(shè)備自重1 g為其平均應(yīng)力計算載荷.

根據(jù)上述計算結(jié)果列出工況組合，如表3.

表3 運(yùn)營工況表 g

借助ANSYS軟件，分別計算表3中單獨(dú)4個工況下的沿焊縫方向的正應(yīng)力值、垂直于焊縫方向的正應(yīng)力值以及沿焊縫方向的切應(yīng)力值，計算出平均應(yīng)力及動應(yīng)力幅值，求出應(yīng)力比，計算出許用應(yīng)力，然后根據(jù)板厚進(jìn)行修正，最后根據(jù)DVS1612標(biāo)準(zhǔn)查看是否滿足要求.計算結(jié)果見表4.

表4 焊縫位置的疲勞強(qiáng)度評估結(jié)果

2.2.3 模態(tài)計算

模態(tài)是該軌檢梁各階振型及其固有頻率的總稱，屬于其固有特性(即動態(tài)特性)，它與軌檢梁在動態(tài)條件下的運(yùn)用品質(zhì)有著密切的聯(lián)系.通過有限元分析計算軌檢梁的自由模態(tài)，圖5列出了軌檢梁的前8階彈性振型及其固有頻率值.計算結(jié)果表明，軌檢梁的第1階固有頻率為26.08Hz，振型特征為軌檢梁彎曲變形.結(jié)合后續(xù)線路試驗中動應(yīng)力頻譜分析結(jié)果，可對運(yùn)用狀態(tài)下結(jié)構(gòu)振動特性進(jìn)行分析.

圖5 軌檢梁模態(tài)分析結(jié)果

2.2.4 強(qiáng)度計算結(jié)論

在超常載荷及其組合工況下軌檢梁上最大應(yīng)力發(fā)生于超常載荷組合工況1，最大Von Mises應(yīng)力值為126.82 MPa，位于軌檢梁安裝座圓孔處，焊縫處最大應(yīng)力也發(fā)生在超常載荷組合工況1， 最大Von Mises應(yīng)力值為104.09 MPa，位于上蓋板與墊板焊縫處.上述應(yīng)力值均小于S355J2W+N、Q345E鋼母材和焊縫的許用應(yīng)力(355 MPa/345 MPa/320 MPa)，軌檢梁靜強(qiáng)度滿足要求.

在運(yùn)營載荷組合工況下，軌檢梁焊縫區(qū)利用率較高的位置發(fā)生在上蓋板與墊板焊縫處、下蓋板與側(cè)立板焊縫處、支撐筋板與下蓋板焊縫處、上蓋板與側(cè)立板焊縫處、激光攝像組件安裝座焊縫處、外筋板與側(cè)立板焊縫處和外筋板與下蓋焊縫處等部位，利用率最高的位置發(fā)生在上蓋板與墊板焊縫處，數(shù)值為0.52，其次發(fā)生在支撐筋板與下蓋板焊縫處，數(shù)值為0.45，軌檢梁焊縫位置疲勞強(qiáng)度計算結(jié)果均小于規(guī)定值，滿足強(qiáng)度要求.母材區(qū)利用率最高的位置發(fā)生在軌檢梁安裝座圓孔處，利用率為0.39<1.0，其余母材區(qū)域利用率也均小于1.因此，該軌檢梁的疲勞強(qiáng)度滿足要求.

3 線路試驗

針對CRH5J綜合檢測車軌檢梁，在不同速度等級下，某高校試驗小組分別在哈佳線路和石太客專線開展了動應(yīng)力跟蹤測試工作，線路信息如表5所示.動應(yīng)力測點共計13個，位置涵蓋靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度計算中的大應(yīng)力部位，如圖6所示.

表5 測試線路信息

圖6 動應(yīng)力測點位置

為評估軌檢梁結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性，本文采用Miner疲勞損傷線性累積法則和BS7608標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行損傷計算.考慮變幅加載時，一般假定S-N曲線斜率的倒數(shù)在N=5×107次循環(huán)處由m變?yōu)閙+2.各測點應(yīng)力-時間歷程經(jīng)去除零漂、數(shù)字濾波后，采用雨流計數(shù)法編制128級應(yīng)力譜，應(yīng)力范圍門檻值為5MPa[12].利用式(1)～(3)分別對不同速度等級下的動應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行損傷計算，結(jié)果如表6所示.

(1)

(2)

(3)

式中，Dh為大于疲勞許用應(yīng)力范圍S0的各應(yīng)力等級Sri的總損傷；Dl為小于或等于疲勞許用應(yīng)力范圍S0的各應(yīng)力等級Sri的總損傷；S0為疲勞許用應(yīng)力范圍，根據(jù)BS7608標(biāo)準(zhǔn)，J89111213測點位于母材，焊縫等級為B，S0=67 MPa，其余測點焊縫等級為F，S0=23MPa；Sri為應(yīng)力譜第i級應(yīng)力水平；N為疲勞許用應(yīng)力S0所對應(yīng)的循環(huán)數(shù)，N=5×107；ni為應(yīng)力譜第i級應(yīng)力水平對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；m為S-N曲線的指數(shù)，對于母材，m=4,對于F等級焊接接頭，m=3；L為結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命里程，本研究為1200萬公里；l為各次測試的實測公里數(shù)；D為結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命里程損傷.

如表6所示，各次試驗中焊縫位置損傷最大大的測點為J2，位于上蓋板與外筋板焊縫處；母材位置損傷最大的測點為J11，位于慣性組件安裝座圓弧處；測點最大損傷值為4.53E-02,位于上蓋板與外筋板焊縫處(J2)，出現(xiàn)在石太客運(yùn)專線(速度等級250 km/h)；最大疲勞損傷值遠(yuǎn)小于1，表明該結(jié)構(gòu)疲勞壽命能夠滿足1 200 萬公里運(yùn)用的要求；在同等速度等級下，各測點在石太客運(yùn)專線上的損傷大于京廣線，表明結(jié)構(gòu)損傷與線路條件有關(guān)(石太客專設(shè)計時速250 km/h,京廣線設(shè)計時速350 km/h);在線路條件較為相近的前提下(哈佳線設(shè)計時速200 km/h)，損傷值與列車運(yùn)行速度呈正相關(guān)變化.綜上分析，在不同線路條件及速度等級下，軌檢梁疲勞強(qiáng)度均滿足要求，表明該結(jié)構(gòu)能較好的適應(yīng)不同運(yùn)用條件.

表6 不同試驗速度等級下各測點設(shè)計壽命里程損傷

對動應(yīng)力測點進(jìn)行頻譜分析，不同線路條件及試驗速度等級下，各測點主頻基本一致,但主頻處的功率譜密度存在差異；對于哈佳線，不同試驗速度等級下，中高頻段能量占比均較大(低頻段：0～40 Hz,中頻段:40～80 Hz,高頻段：>80 Hz)，表明結(jié)構(gòu)高頻振動特征明顯；哈佳線各測點主頻處的功率譜密度值隨速度增加而增大，低頻段的功率譜密度增大倍數(shù)大于高頻段，在10.4、23.8Hz處最為明顯；對于石太客專、京廣線，在相同速度等級下，各測點中低頻段能量占比較大，在37.6Hz及高頻段功率譜密度差異較大；各測點主頻與模態(tài)分析中各階次頻率無重合，表明軌檢梁在實際運(yùn)用過程中未發(fā)生共振現(xiàn)象，滿足安全性要求.

4 結(jié)論

通過對CRH5J綜合檢測車軌檢梁的結(jié)構(gòu)、功能、技術(shù)要求等各關(guān)鍵技術(shù)的研究，并結(jié)合仿真分析和模擬計算，最終完成軌檢梁的設(shè)計工作.通過動應(yīng)力跟蹤測試和線路運(yùn)營考核，驗證了CRH5J綜合檢測車軌檢梁的安全性、可靠性和可用性.目前，該軌檢梁已被正式上線使用，運(yùn)用狀態(tài)良好.