新型轨检小车整体车架结构设计与分析

植立才,杨雪荣,成思源,2,杨世峰

(1.广东工业大学机电工程学院,广州 510006；2.广东省创新方法与决策管理系统重点实验室,广州 510006；3.广州南方测绘仪器有限公司,广州 510665)

新型轨检小车整体车架结构设计与分析

植立才1,杨雪荣1,成思源1,2,杨世峰3

(1.广东工业大学机电工程学院,广州 510006；2.广东省创新方法与决策管理系统重点实验室,广州 510006；3.广州南方测绘仪器有限公司,广州 510665)

基于传统T型轨检小车车架存在着装配繁琐、稳定性不足、刚度差的缺点,设计一种新的Y型车架结构,该车架的主体结构采用一体成型技术,整体重心降低45mm,提高装配效率与使用寿命的同时使轨检小车在推行过程中稳定性更好。通过对新Y型车架横梁连接螺栓的强度校核,验证其螺栓连接的可靠性,并根据新Y型与传统T型车架的ANSYS Workbench 有限元分析结果得出,新Y型车架刚度显著提高。

轨检小车; 整体车架; 结构设计; 有限元分析

随着国内高速铁路的快速发展，我国已成为世界上高速铁路运营里程最长的国家[1]。高铁带给了沿线城市巨大的经济效益与交通便利，加快了城市与城镇之间的联系。现阶段我国高铁的运行速度普遍在300 km/h以上，轨道的不平顺势必会影响到行车的速度和旅客的舒适性，引起运行车辆的剧烈振动，甚至引发重大的安全事故[2-3]。而轨道不平顺的检测是基于轨检小车来完成的，目前国内自主研发的轨检小车与国外瑞士安伯格GRP、德国GEDO CE轨检小车相比仍存在一定的差距，为了减少昂贵的进口采购费用，提高我国自主创新能力，轨检小车的研发迫在眉睫[4]。

目前国内的轨检小车研发厂商主要采用传统的T型车架结构，优点是可以简化结构、减轻质量、方便拆装，但传统T型车架结构存在着装配繁琐、稳定性不足、刚度差的缺点[5]。提出一种Y型轨检小车新车架结构，兼并传统T型车架优点的同时并显著提升了车架的装配效率、稳定性以及刚度性能。

1 新Y型车架轨检小车的结构

新Y型车架轨检小车的机械结构分为多个模块，基本包括：新Y型车架、手推架装置、棱镜安装装置、导向行走轮与刹车机构、轨距测量与行走轮机构、传感器组件。新Y型车架整体是Y型的支撑结构，小车各个模块均安装在车架上，如图1所示。

图1 新Y型车架轨检小车基本结构

手推架装置固定于双轮支架基座的正上方，作用是便于推行小车与安放便携式电脑。棱镜安装装置固定于左侧横梁中心偏右位置的固定基座上，作用是通过全站仪来捕获轨检小车上棱镜的三维坐标。导向行走轮与刹车机构安装在双轮支架上并与轨道轨面贴合，作用是保证小车在推行过程中行走轮不会偏离轨道与辅助小车进行测距与里程计算。轨距测量与行走轮机构安装在左侧横梁上，作用是测量轨道的轨距与小车的行走里程。传感器组件包括里程传感器、直线位移传感器、水平传感器，里程传感器的作用是测量小车行走里程，直线位移与水平传感器作用是测量轨道的轨距与超高[6]。

2 轨检小车新Y型车架结构设计

车架设计要满足刚度、强度、稳定性好的设计准则外，还应该具有质量轻、结构合理便于零部件安装与耐磨性好等要求[7]。新Y型轨检小车车架的主体结构均采用一体成形技术，即左侧横梁、右侧双轮支架和车架支撑板都是经过一次加工成型的，取代了传统T型车架由多块较厚侧板横梁、支撑板及连接板连接而成的结构。新Y型与传统T型车架结构如图2、图3所示。

图2 新Y型轨检小车整体车架

图3 传统T型轨检小车整体车架

新Y型车架采用一体式结构不仅有利于加工时一次成型，而且显著地减少了轨检小车装配零件的数量，装配效率得到明显提升。由于新车架需要连接定位装配的零件少，也相应地降低了装配时所产生不必要的累积误差，从而使得轨检小车的测量精度更高；与此同时，传统T型车架采用螺钉连接的方式需对多个零件进行拼接，小车使用过程中不慎的撞击或长时间使用后，组件和螺钉会产生变形，致使小车测量精度降低甚至报废，而本新Y型轨检小车车架则克服了上述缺陷，保证了其使用寿命和测量精度。

另外，新Y型轨检小车整体车架是将右侧双轮支架上的基座与左侧横梁通过螺栓连接起来的，整体形成了Y型支撑结构，整个轨检小车的重心刚好落在Y型支撑结构的交叉处，即双轮支架上的基座中心点，相对传统T型车架在结构上显得更加匀称而稳定。为了轨检小车在推行过程中更加平稳，新Y型车架对重心高低进行了调整，相对传统T型车架对重心降低了45 mm，两种车架重心对比如图4所示。

图4 新Y型与传统T型车架重心对比

新Y型小车的车架主体结构材料与传统T型车架材料相同，均使用2024型铝合金材料，屈服强度δs=276 MPa，弹性模量E=70 GPa，具有较轻质量与耐磨的情况下并有较好的强度与刚性，更好地满足使用要求。

3 轨检小车车架结构分析

轨检小车的车架承载着各个组成机构与零件，除此之外，小车在平时检测使用过程中，检测人员通常在检测铁路上为了方便携带工具包与其他材料，经常把这些物品放置在小车的双轮车架上，因此需要更高刚度与可靠性的车架才能更好满足使用要求。

3.1 新Y型车架横梁连接螺栓的强度校核

左侧横梁与右侧双轮支架依靠螺栓连接成整体的Y型支撑结构，且整车的受力中心位于左右两侧组件连接处附件的基座上，因此为了保证整体车架的可靠性，需要对连接螺栓进行强度校核。车架横梁的连接是采用性能为9.8级、材料为45号优质碳素钢的普通内六角螺栓，d=8 mm，屈服强度σs=720 MPa，安全系数取最大值S=1.5。轨检小车车架上所受总质量(包括电池、笔记本电脑、棱镜柱等其他零部件)约等于40 kg，并额外施加压力1 000 N进行强度校核。

(1)螺栓预紧力F0计算

双轮支架与左侧横梁使用3个螺栓连接，如图5所示，施加1000N额外压力后得所受总载荷F∑=G+1 000 N=1 400 N，依据查《机械设计手册》连接螺栓预紧力公式，可计算得到

图5 车架横梁螺栓连接示意

(2)受拉螺栓螺纹部分的强度校核

本螺栓连接靠预紧力时接合面间产生摩擦力来抵抗工作横向载荷，螺栓工作时充分拧紧，将总拉力F0增大30%作为计算载荷，此时螺栓危险截面的拉伸强度条件为

故车架横梁间采用的螺栓连接可靠，轨检小车车架简化成一体的Y型结构，利用有限元分析软件做进一步分析。

3.2 轨检小车车架有限元分析

分析模型为新Y型与传统T型小车车架。车架模型主要零件包括车架、3个行走轮与行走轮连接轴。为了节省分析时间则需要简化分析模型，3个行走轮与车架连接的轴直接化成一体。利用Solidworks三维软件装配好后，另存为XT格式，导入Ansys Workbench平台进行进一步分析。车架主体结构材料均加载铝合金材料，刹车轮、行走轮等其他的材料均加载为结构钢材料。

在进行分析过程中，除刹车轮、行走轮设置为固定约束外，其余部分均采用固定刚性连接，3个活动轮添加固定约束I，额外重力A=1 000 N，径向推力B=100 N，电池仓重力C=25 N，棱镜装置重力D=25 N，测距弹力E=200 N，扳手孔轴向力F=200 N，轨距传感器及导向轮装置重力G=50 N，重力加速度H，则新Y型与传统T型车架约束与载荷如图6、图7所示。

图6 新Y型车架模型约束与载荷图

图7 传统T型车架模型约束与载荷图

在施加约束与载荷后，求解得到新Y型与传统T型车架应变结果如图8所示。

图8 新Y型与传统T型车架额外重力1000N变形云图

通过对新Y型与传统T型的车架在ANSYS Workbench平台进行分析后，得出的分析数据如表1所示。

表1 车架分析数据结果

根据分析结果可知，新Y型轨检小车车架在额外承受额外重力1 000 N时较传统T型车架最大变形减少了0.136 22 mm，而两者的最大应力相差不大，均远小于材料2024型铝合金的屈服强度δs=276 MPa，因此新Y型轨检小车车架达到了改进优化，刚度提升的目的。

4 结论

通过对新Y型与传统T型车架的分析研究，得出以下结论。

(1)新Y型车架主体结构采用一体成型，较传统T型结构车架提高了装配效率与使用寿命。

(2)新Y型车架在整体重心高低进行了调整，相对传统T型车架整体重心降低了45 mm，轨检小车在推行过程中稳定性更好。

(3)新Y型车架在承受额外重力1 000 N的最大变形较传统T型车架降低了0.136 22 mm，最大应力在材料2024型铝合金的屈服应力范围内，达到了改进优化，刚度提升的目的。

因此新Y型轨检小车车架是一种较传统T型车架具有更好的装配效率、稳定性与刚度的结构，适用于轨检小车结构的更新换代。目前该新Y型轨检小车在合福高铁在建路段已经调试成功。

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Overall Frame Structural Design and Analysis of New Track Inspection Instrument

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. Guangzhou 510665, China)

In view of the disadvantages of the traditional T-shaped frame track inspection instrument with difficulties in assembling, poor stability and rigidity, this paper puts forward a new track inspection instrument with Y-shaped frame. The main structure of this new frame is integrated, lowering the overall center of gravity by 45 mm, improving the assembling efficiency, and extending the service life. In addition, it strengthens the stability during the process of implementation much than the traditional one. The reliability of the connecting bolts is proved with the test of the new Y-shaped frame beam. And the rigidity of new Y-shaped frame is significantly upgraded according to the results of the ANSYS Workbench finite element analysis and the comparison between the new frame of Y-shaped and the traditional T-shaped.

Track inspection instrument; Overall frame; Structural design; Finite element analysis

2014-11-12；

2014-12-03

国家自然科学基金资助项目(51105078)；广东省教育部产学研结合项目(2012B091100190)；广东省科技计划项目(2011A060901001，2013B061000006)；广州市科技计划项目(2013J4300019)

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

1004-2954(2015)08-0059-03

U216.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.014