鋼箱梁梁外檢查車行走輪改進(jìn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析

謝忠宇，王少華，劉 波

（1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031；2.軌道交通運(yùn)維技術(shù)與裝備四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

0 引言

目前交通行業(yè)的急速發(fā)展帶動(dòng)了眾多復(fù)雜大型橋梁的修建?？紤]大型橋梁的重要地位，其安全耐久性、抗震性能等備受關(guān)注[1]。監(jiān)測橋梁健康是保障橋梁安全的措施[2]，因此橋梁檢測行業(yè)孕育而生。而橋梁檢查車作為大型橋梁日常維護(hù)與修養(yǎng)中的常用設(shè)備也得到了蓬勃發(fā)展，王志龍[3]對桁架式橋梁檢測車臂架系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。閆志剛[4]針對滬通長江大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)、性能要求，設(shè)計(jì)出了一種適用于公鐵兩用長江大橋的新型鋼梁檢查車。鄭曉龍[5]對大跨度上承式拱橋拱圈檢查車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。王秀敏[6]對橋梁檢測車機(jī)械臂監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。Sui[7]對桁架結(jié)構(gòu)橋梁檢查車的二維自由度軸向伸縮機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究。從目前橋梁檢查車的研究現(xiàn)狀來看，大多數(shù)學(xué)者都是針對檢查車主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并未考慮到橋梁檢查車在實(shí)際工程使用中存在輪軌接觸狀態(tài)差易導(dǎo)致其包裹材料脫落的問題。

嘉紹大橋是國內(nèi)外橋梁史上首次采用剛性鉸結(jié)構(gòu)的六塔獨(dú)柱四索面鋼箱梁斜拉橋[8]，為確保橋梁的安全營運(yùn)，需定期借助梁外檢查車對橋梁的特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，但是在實(shí)際的工程使用中發(fā)現(xiàn)梁外檢查車輪軌接觸狀態(tài)差易導(dǎo)致行走輪的包裹材料脫落和軌道表面涂層損傷，因此很有必要對行走輪進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析。鋼箱梁及外掛檢查車如圖1所示。

圖1 鋼箱梁及外掛檢查車示意圖

為了解決上述橋梁檢查車行走輪存在的問題，本文以嘉紹大橋鋼箱梁梁外檢查車行走輪為研究對象，首先利用非線性有限元分析軟件Abaqus對改進(jìn)前行走輪和改進(jìn)后行走輪進(jìn)行了對比分析，其次對其不同包裹材料進(jìn)行了相應(yīng)的分析計(jì)算，得到了行走輪的最佳包裹材料，最后對改進(jìn)后行走輪的主要形狀參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 改進(jìn)前后行走輪對比分析

該型檢查車采用“H”型鋼HW250×250作為行走軌道，假設(shè)檢查車的各個(gè)行走輪受力均勻，取其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的單個(gè)行走輪作為研究對象，經(jīng)簡化模型如圖2所示。

圖2 輪軌簡化模型

1.1 行走輪驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算

檢查車行走輪受力分析如圖3所示。

圖3 行走輪受力圖

檢查車起步時(shí)的慣性阻力：

式(1)中：m—檢查車質(zhì)量14000kg；

Δv—行走速度0.17m/s；

Δt—啟動(dòng)時(shí)間2s。

軌道對輪子的法向支承力：

式(2)中：θ—橋面最大縱向坡度1.15°。

單個(gè)輪子法向支承力：

式(4)中：μ—偏載系數(shù)1.15。

軌道對輪子的動(dòng)摩擦力矩：

式(5)中：f2—軌道對滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.15。

軌道對輪子的靜摩擦力Fmc：

式(6)中：f1—軌道對滾動(dòng)靜摩擦系數(shù)0.4。

檢查車的驅(qū)動(dòng)力矩：

式(8)中：R-行走輪半徑90mm。

單個(gè)輪子的驅(qū)動(dòng)力矩：

輪子附著力：

式(10)中：g—重力加速度9.8m/s2；

φc—行走機(jī)構(gòu)附著系數(shù)0.38。

驅(qū)動(dòng)輪不打滑的條件：

所以單個(gè)輪子驅(qū)動(dòng)力矩：

1.2 有限元模型

改進(jìn)前檢查車行走輪的輪轂表面沒有凹槽直接包裹材料，從嘉紹大橋鋼箱梁梁外檢測車行走輪的工程使用經(jīng)驗(yàn)來看，這種輪轂形式的行走輪在實(shí)際使用過程中存在包裹材料與輪轂之間膠合面積小、容易開膠、易脫落等問題。從而提出了一種改進(jìn)型行走輪，通過改進(jìn)輪轂的基體結(jié)構(gòu)，采用凹凸結(jié)構(gòu)，以增加包裹材料與輪轂的接觸面積，增大包裹材料的厚度、改善包裹材料的受力狀態(tài)、提高包裹材料的使用壽命、減少行走輪的更換頻率，從而降低橋梁檢查車的維護(hù)成本?，F(xiàn)對改進(jìn)前行走輪和改進(jìn)后行走輪進(jìn)行有限元接觸分析。

為驗(yàn)證改進(jìn)后行走輪相對于原始行走輪具有更好的受力狀態(tài)，現(xiàn)以不同的包裹材料，對兩種行走輪模型進(jìn)行對比分析。包裹材料包括：硫化橡膠、聚氨酯PU、聚酰胺PA-6、聚酰胺PA-66、聚酰胺PA-610和聚酰胺PA-1010，其基本屬性如表1所示。

表1 各種材料基本屬性

為了便于計(jì)算對行走輪進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕δＰ瓦M(jìn)行切分，以方便在接觸區(qū)域進(jìn)行過渡網(wǎng)格劃分。非接觸區(qū)域網(wǎng)格大小為10mm，接觸區(qū)網(wǎng)格大小為2mm，改進(jìn)前行走輪網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示，單元總數(shù)共計(jì)14609個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)17685個(gè)。

圖4 改進(jìn)前行走輪網(wǎng)格劃分

改進(jìn)后行走輪網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示，單元總數(shù)共計(jì)17656個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)20904個(gè)。

圖5 改進(jìn)后行走輪網(wǎng)格劃分

1.3 分析結(jié)果

以硫化橡膠為包裹材料的改進(jìn)前行走輪和改進(jìn)后行走輪的有限元計(jì)算結(jié)果歸納如下：

1）改進(jìn)前后輪軌整體Mises應(yīng)力最大點(diǎn)都集中在鋼軌約束面處，如圖6所示，改進(jìn)后行走輪對軌道的應(yīng)力相比于改進(jìn)前行走輪減小了3%。

圖6 整體Mises應(yīng)力云圖

2）兩種行走輪包裹材料的Mises應(yīng)力最大值集中在包裹材料邊沿與軌道中間接觸部位，在接觸面上越靠近約束區(qū)域，形變量越小，使得在包裹材料邊沿與軌道中間接觸部位的Mises應(yīng)力大于其他接觸位置，如圖7所示。

圖7 包裹材料Mises應(yīng)力云圖

3）改進(jìn)前行走輪的最大接觸應(yīng)力分布在接觸面中間及包裹材料與軌道邊沿接觸部位，而改進(jìn)后行走輪的最大接觸應(yīng)力發(fā)生在包裹材料邊沿與軌道中間接觸部位，如圖8所示。

圖8 包裹材料接觸應(yīng)力云圖

4）改進(jìn)前行走輪的整體最大剪切應(yīng)力發(fā)生在軌道邊沿，而改進(jìn)后行走輪的整體最大剪切應(yīng)力發(fā)生在輪轂上，但是兩種包裹材料的最大剪切應(yīng)力發(fā)生位置較為相似，如圖9所示。

圖9 整體縱向剪切應(yīng)力云圖

對比表2和表3中的數(shù)據(jù)可知，在同等載荷條件下，改進(jìn)后各種材料行走輪的整體Mises應(yīng)力低于改進(jìn)前行走輪的整體Mises應(yīng)力，即改進(jìn)后行走輪對軌道受載情況優(yōu)于改進(jìn)前行走輪；改進(jìn)后行走輪包裹材料的Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力略高于改進(jìn)前行走輪原因在于改進(jìn)后行走輪接觸應(yīng)力相對集中在包裹材料邊緣處，使得局部應(yīng)力稍大；改進(jìn)后行走輪的整體剪切應(yīng)力低于改進(jìn)前行走輪，即改進(jìn)后行走輪對軌道的剪切力小于改進(jìn)前行走輪的剪切力，以硫化橡膠材料為例，改進(jìn)后行走輪對軌道的剪切力減小了13.8%。

表2 改進(jìn)前行走輪各材料的計(jì)算結(jié)果

表3 改進(jìn)后行走輪各材料的計(jì)算結(jié)果

總的來看，改進(jìn)后行走輪整體Mises應(yīng)力和整體剪切應(yīng)力優(yōu)于改進(jìn)前行走輪，從而降低了行走輪對軌道表面涂層的影響；就包裹材料Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力而言，改進(jìn)后行走輪相比于改進(jìn)前行走輪略高。這與我們的實(shí)際工程相符，在實(shí)際工程項(xiàng)目中一般采取保護(hù)軌道、犧牲包裹材料的方法，原因在于從經(jīng)濟(jì)效益考慮，更換檢查車軌道成本遠(yuǎn)高于更換行走輪包裹材料。綜上所述，改進(jìn)后行走輪體現(xiàn)出的軌道友好性明顯優(yōu)于改進(jìn)前行走輪。

對于改進(jìn)后行走輪的包裹材料，聚氨酯和聚酰胺材料行走輪的整體Mises應(yīng)力與整體剪切應(yīng)力低于其余材料，體現(xiàn)出了良好的軌道友好性。但是它們的包裹材料的接觸應(yīng)力與Mises應(yīng)力遠(yuǎn)大于其余材料，其中聚酰胺PA-6材料和聚酰胺PA-610接觸應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度。綜上所述，改進(jìn)后行走輪以硫化橡膠橡膠作為包裹材料，即保證了包裹材料具有一定的剛度度，又可以防止包裹材料因過度變形而導(dǎo)致包裹材料與輪轂脫落。在保證軌道優(yōu)先原則下，選擇硫化橡膠材料作為改進(jìn)后行走輪的包裹材料最好。

2 改進(jìn)后行走輪主要形狀參數(shù)優(yōu)化

檢查車在行進(jìn)過程中，改進(jìn)后行走輪與軌道之間的接觸狀態(tài)受諸多因素的影響，本節(jié)以行走輪輪轂結(jié)構(gòu)方面影響因素為主，主要考慮改進(jìn)后行走輪凹槽深度、行走輪曲率、行走輪外厚度、行走輪徑向凸臺的數(shù)量、徑向凸臺的厚度與寬度等對整體Mises應(yīng)力、包裹材料Mises應(yīng)力、接觸應(yīng)力和變形的影響。

2.1 行走輪凹槽深度

行走輪凹槽深度作為改進(jìn)后行走輪的主要形狀參數(shù)之一，直接影響包裹材料的實(shí)際厚度，進(jìn)而影響包裹材料整體的變形大小。所以為研究凹槽深度對行走輪受力情況的影響，對行走輪凹槽的深度t分別取值8.5mm、10.5mm、12.5mm、14.5mm和16.5mm，如圖10所示。

圖10 改進(jìn)后行走輪凹槽深度

利用Abaqus分別對不同t值的改進(jìn)型行走輪進(jìn)行仿真分析，有限元計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同厚度計(jì)算結(jié)果

由表4所示，在整體Mises應(yīng)力方面，隨著凹槽深度t的增大，包裹材料整體Mises應(yīng)力逐漸減小，但是減小的幅度較小，總共減小了0.82%，說明凹槽深度值對包裹材料整體Mises應(yīng)力的影響力度不大；在變形方面，隨著凹槽深度t的增大，行走輪變形逐漸增大，總體增大了8.07%，表明凹槽深度對行走輪變形存在一定的正相關(guān)影響。

由圖11可知，隨著凹槽深度的增大，行走輪包裹材料Mises應(yīng)力與接觸應(yīng)力呈上升趨勢，且接觸應(yīng)力的變化趨勢最大，增大了17.8%，包裹材料Mises應(yīng)力增大了15.3%，證明凹槽深度對行走輪Mises應(yīng)力與接觸應(yīng)力具有較大的正相關(guān)影響。綜上所述，凹槽深度t取8.5mm相對最優(yōu)。

圖11 改進(jìn)后行走輪凹槽深度

2.2 行走輪外沿厚度

行走輪外沿的厚度直接影響著行走輪在工作狀態(tài)下的變形量，進(jìn)而直接影響輪軌的接觸面積。如圖12所示，T表示行走輪外沿的厚度，將T分別取值6mm、8mm、10mm、12mm和14mm進(jìn)行分析。

圖12 行走輪外沿厚度

由表5可知：輪軌整體Mises應(yīng)力隨外沿厚度的增加而增加，同比增大了5.2%；變形量也呈增大趨勢，同比增大了53%。

表5 不同外沿厚度計(jì)算結(jié)果

由圖13可知，包裹材料Mises應(yīng)力大小和接觸應(yīng)力大小與行走輪外沿厚度的變化大致呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，包裹材料Mises應(yīng)力同比減小了29.6%，接觸應(yīng)力同比減小了30.2%。這得益于外沿厚度的增加，引起變形增大，從而增大了輪軌的接觸面積，進(jìn)而減小了接觸應(yīng)力。

圖13 不同外沿厚度的影響

綜上所述：行走輪外沿厚度的優(yōu)化具有顯著作用，行走輪外沿厚度的變化對包裹材料Mises應(yīng)力、接觸應(yīng)力與變形的影響遠(yuǎn)大于對整體Mises應(yīng)力的影響，由此可知，選擇外沿厚度為14mm的行走輪性能相對最優(yōu)。

2.3 行走輪凸臺數(shù)量

針對行走輪在行進(jìn)過程中受驅(qū)動(dòng)力矩的影響，而導(dǎo)致包裹材料與輪轂開膠的問題，在改進(jìn)型行走輪的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，增設(shè)一定數(shù)量的凸臺，如圖14所示，其中凸臺的數(shù)量分別取4、6、8、10、12。

圖14 行走輪凸臺

利用Abaqus軟件分別對不同凸臺數(shù)量的改進(jìn)后行走輪進(jìn)行分析，有限元計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 不同凸臺數(shù)量計(jì)算結(jié)果

由表6可知，隨著凸臺數(shù)量的增加，行走輪整體Mises應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在凸臺數(shù)量為4取得最小值，且最小值相對于最大值減小了0.9%；變形隨凸臺數(shù)量的增加在1.48mm上下浮動(dòng)，表明凸臺數(shù)量對變形的影響較小。

由圖15所示，凸臺的數(shù)量的變化對于包裹材料Mises應(yīng)力的影響不明顯，其值在凸臺數(shù)量為6時(shí)取得最小值，為13.52MPa，相對于凸臺數(shù)量為12時(shí)的最大值13.73MPa，減小了1.5%；就接觸應(yīng)力而言，其值整體呈現(xiàn)減小的趨勢，且在凸臺數(shù)量為12時(shí)取得最小值為26.89MPa，相對于凸臺數(shù)量取4時(shí)的最大值36.81MPa，減小了26.9%，表明凸臺數(shù)量對接觸應(yīng)力的影響度較大。

圖15 包裹材料凸臺數(shù)量的影響

綜上所述，改進(jìn)后行走輪凸臺數(shù)量對整體Mises應(yīng)力的影響不明顯，對于包裹材料Mises應(yīng)力與變形量的影響較小，對接觸應(yīng)力的影響較大。通過數(shù)據(jù)分析，當(dāng)凸臺數(shù)量取12時(shí)，整體Mises應(yīng)力等3個(gè)特征值取得相對最優(yōu)值。

此外，本文還對行走輪曲率、行走輪凸臺的形狀尺寸，如寬度、高度等因素進(jìn)行了相關(guān)分析。結(jié)果表明行走輪曲率與凸臺的高度對所關(guān)注的4個(gè)特征值的影響不明顯，其中行走輪曲率的變化、凸臺高度的變化和行走輪寬度的變化引起的接觸應(yīng)力變化相對較大，其變化率分別為4.5%、9.2%和13.1%；

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，對比改進(jìn)后行走輪優(yōu)化的前后，行走輪整體Miss應(yīng)力增大了2.5%，變形量增大了10%，而包裹材料Miss應(yīng)力減小了18.3%，接觸應(yīng)力減小了12.2%。

3 結(jié)語

1）對改進(jìn)前行走輪和改進(jìn)后行走輪進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明改進(jìn)后行走輪的整體Mises應(yīng)力和剪切應(yīng)力低于改進(jìn)前行走輪，以硫化橡膠材料為例，改進(jìn)后行走輪對軌道的剪切力減小了13.8%，從而降低了行走輪對軌道表面涂層的影響。

2）對改進(jìn)后的行走輪采用不同包裹材料進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明以硫化橡膠作為改進(jìn)后行走輪的包裹材料最好，即能保證包裹材料具有一定的硬度，又能防止包裹材料因過度變形而脫落。

3）對改進(jìn)后行走輪的主要形狀參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明改進(jìn)后行走輪凹槽深度t取8.5mm，外沿厚度T取14mm，凸臺數(shù)量取12個(gè)時(shí)相對最優(yōu)，優(yōu)化后行走輪包裹材料Miss應(yīng)力比優(yōu)化前減小了18.3%，接觸應(yīng)力減小了12.2%。改善了檢查車輪軌的接觸狀態(tài)，從而減小了行走輪對軌道表面涂層的影響，也減少了行走輪包裹材料的更換頻次，延長了行走輪的使用壽命，大大降低了大型橋梁的維護(hù)成本。