轨道巡检悬挂系统结构设计方案

竺箐 上海铁路局科研所

轨道巡检悬挂系统结构设计方案

竺箐 上海铁路局科研所

轨道巡检悬挂支架是轨道巡检系统的重要部件之一，支架的结构必须要强度足够才能够保证轨道巡检系统与轨道车连接可靠。以GCY-300II轨道车为例，运用Pro/E软件创建悬挂支架模型，运用ANSYS软件进行有限元分析。分析悬挂支架在工作过程中的受力和变形情况，为轨道巡检悬挂支架的结构设计提供参考和理论依据。

轨道巡检；强度；有限元

轨道车是铁路设备维修、大修、基建等施工部门执行任务的主要运输工具。巡检系统布置于轨道车底部，通过系统中的高速相机阵列，拍摄轨道车底部的道床图像，通过智能识别软件对图像中的扣件、钢轨和轨道板等进行检测诊断，识别出道床上存在缺陷的地方，为高铁的维修和养护提供依据，实现了轨道检测从静态低速接触式向动态高速非接触式的发展转变。由于轨道车和巡检系统分别来自两个不同的生产厂家，因此轨道车与巡检系统的连接至关重要。轨道车与巡检系统的连接件即悬挂支架既要考虑到轨道车底部空间结构的限制，又要满足巡检系统正常工作参数的要求，同时还要具有一定的强度来保证连接的可靠。本文以GCY-300II轨道车为例，对悬挂支架进行结构设计，通过对工作过程中受载情况的模拟仿真，来分析悬挂支架的受力和变形情况，为悬挂支架的设计提供参考依据。

1 在Pro/E中创建模型

通过对GCY-300II轨道车车底空间的观察和测量，结合巡检系统自身结构尺寸的要求，决定将悬挂支架焊接于轨道车车架上。如图1和图2所示，整个悬挂支架通过焊接筋板1与车架进行焊接，焊接筋板2与焊接筋板1通过螺栓进行连接，纵向筋板与槽钢焊接成一个框架结构，整个巡检系统与框架结构内的纵向筋板通过螺栓进行连接。为了提高悬挂支架抵抗横向载荷的能力以及与车架焊接接触的面积，在焊接筋板的侧面增加了加强筋；为了降低悬挂支架的总重量，分别在悬挂支架的槽钢和纵向筋板上增开了减轻孔；可以通过调整纵向筋板的设计高度来调节巡检系统距钢轨轨面的高度，从而保证系统处于最佳工作位置。

图1 巡检系统安装图

图2 悬挂支架模型图

2 在ANSYS中建立有限元模型

将悬挂支架模型在Pro/E中保存成通用的Parasolid格式，导入到ANSYS中进行施加工作载荷和约束与网格划分。由于主要的分析对象是悬挂支架，故可以考虑对巡检系统模型进行适当的简化。简化模型如图3所示，巡检系统的主要重量落在横梁、光源罩和防尘罩上，其他零部件如相机阵列、LED小灯、玻璃、散热片等的重量相对于横梁以及光源罩都非常小，且都安装于横梁上，故考虑将其他零部件的质量通过与横梁的接触面积换算成作用于横梁之上的压力。在轨道车运行的过程中，不同的路面环境会对轨道车产生不同的横向与纵向的冲击，产生冲击加速度，这些加速度会对悬挂支架以及巡检系统的受力变形造成影响，本文选取最大横向与最大纵向加速度同时作用于悬挂支架上来进行计算。随着轨道车运行速度的提高，空气阻力对防尘罩的作用力会越来越大，进而也会对悬挂支架的受力变形情况造成影响。施加的工作载荷如表1所示。

表1 施加工作载荷明细表

图3 悬挂支架与巡检系统简化模型网格划分图

由于悬挂支架与轨道车车架焊接，所以为悬挂支架的焊接筋板1以及焊接筋板1侧边加强筋的焊接面添加固定约束。简化模型中所有零部件的材料采用钢，即密度为7800kg/m3。对模型进行自动网格划分，整个模型被划分成为节点308648个，单元总数147007个。

3 计算结果分析

图4和图5所示为悬挂支架与巡检系统简化模型在工作载荷作用下的应变分析云图和应力分析云图。从图4中可以看出，在工作载荷的作用下，悬挂支架与巡检系统简化模型的变形从中间向两侧逐渐增大，由于选取了向左的横向加速度作用于悬挂支架与巡检系统简化模型的整体模型，所以整体右侧的变形大于整体左侧的变形，从图中的标识以及数据可以看出，最大的变形发生在安装轨道板相机组件的支架上，综合最大变形量约在0.86198mm左右，变形量在可接受的范围内。故可以认为悬挂支架能够保证巡检系统在工作载荷的作用下正常工作。从图5中可以看出，应力分布主要集中于纵向筋板与靠近车架侧槽钢的焊接部位，所受应力最大值约在165.44MPa左右。图6为只显示悬挂支架的应力分析云图，在图中已经将受力较大的部位用圆圈标出。由于悬挂支架中的框架结构是焊接而成的，为了保证悬挂支架的强度可靠，必须对焊接强度提出要求，即纵向筋板与槽钢的焊接强度要大于165.44MPa。从图5和图6中还可以看出，除了焊接部位所受应力较大之外，其余部分受力非常小，几乎都在80MPa以下，故考虑选择Q235作为整个悬挂支架的材料。

图4 整体模型应变分析云图

图5 整体模型应力分析云图

图6 悬挂支架应力分析云图

4 结束语

本文以GCY-300II轨道车为例，应用Pro/E软件建立了适合安装于该轨道车底部的轨道巡检悬挂支架模型，在ANSYS中，对巡检系统模型进行简化处理，建立了悬挂支架与巡检系统整体的有限元模型，对有限元模型施加工作载荷和约束，通过软件的求解，得到了整体模型在工作状态下的受力和变形情况。提出了焊接强度的要求并选择了悬挂支架的制作材料。为其它型号轨道车的悬挂支架的结构设计提供参考和理论依据。

责任编辑：万宝安 张建强
来稿日期：2014-01-09