高速轨道探伤车结构设计

杨强，李涛涛，盛俊杰，王嘉诚

（华东交通大学机电与车辆工程学院，南昌330013）

0 引 言

近年来随着我国经济的迅速发展，铁路发展也取得了举世瞩目的成绩，根据国家的中长期铁路网规划，到2020年，铁路营业里程将增加至15 万km，其中高铁线路则将增加至3万km，将覆盖80%以上的大城市[1-3]。铁路线路是铁路运输业的基础设备，其常年裸露在大自然环境中，经受着风雨冻融和列车荷载的作用，轨道几何尺寸会发生变化，路基及道床也会产生变形，随着钢轨、联结零件及轨枕的不断磨损，而使线路设备技术状态不断地发生变化，因此需要工务部门定期对其状态进行检测。而随着我国铁路里程的延长，铁路工务部门要承担的轨道检测的作业任务量也将更加繁重[4]。

目前国内现有的静态检测探伤方式，主要是依靠工务段、车间、工区对线路进行检测[5-6]。静态检测是指车轮没有载荷，用人工或轻型测量小车对线路进行的检查。而动态检测是在列车车轮荷载作用下通过添乘仪、车载式线路检查仪、轨道检查车等设备对线路进行的检测[7-9]。由于静态线路检测的局限性，动态线路检测技术迫在眉睫，也是未来发展的重点方向。国内铁路检测技术在引进高速铁路时经过发展，开发出了综合检测列车，“黄医生”检测车具有对线路轨道、牵引供电、通信信号等基础设施、轮轨和弓网接触状态及列车舒适性指标等进行高速动态时空同步检测，并具有实时数据传输、存储和分析处理功能，实现了实时图像识别和数据综合处理等先进技术[10]，“黄医生”采用5动3拖的模式，全车有5节车厢为动力车、3节车厢为拖车，是由两个动力单元组成的动力分散型动车组，最高检测时速为250 km，最大牵引功率达5500 kW，相当于拥有约7500匹马力的动力。但“黄医生”整车造价昂贵、能耗消耗巨大，且直属中铁集团由其统一调配，现有数量较少，且对一条线路的检修探测以1～2个月呈周期性检修, 线路检修先由所属铁路局向中铁集团申请“黄医生”，因此对于数量庞大的线路检测极为不便。

基于“黄医生”检测车应用的不足之处，设计轨道探伤检测车，将原本分散在各个铁路装备中的功能集成起来安装在1节车内，将原有的8节编组变为1节检测车，可以检测接触网的位移及异物、建筑限界、钢轨轨面参数、轮轨接触力等缺陷，该轨道探伤车的成功应用，将极大提高轨道探伤效率、减轻基础工务人员的工作强度。

1 结构设计与检测系统

1.1 车头优化设计

列车贴近地面运行，长径比远大于其他交通工具，空气阻力分布特性与汽车、卡车或飞机相比较更为复杂。列车的空气阻力特性关系到列车的提速和列车的节能环保能力，优化头型是高速列车减阻技术的重要手段。该轨道探伤车设计的工作运行速度在250 km/h左右，最高速度可达300 km/h。为减少高速列车在运行过程中的气动阻力，提出设计3种不同头部外形来优化检测车气动性能。通过Pro/Engineer三维软件建立了高速列车模型、参数化的列车模型和计算域模型，图1～图3所示为3种不同的检测车模型，即鲨鱼鳍车身、顶部裸露检测装置车身、覆有凸包车身，对高速列车模型进行简化处理以减少数值仿真计算。

图1 鲨鱼鳍车身

图2 顶部裸露检测器车身

图3 覆有凸包车身

图4 气动力分析结果

通过分析发现，鲨鱼鳍车身综合减阻作用和节能效果最好，结果如图4所示；覆有凸包车身可有效减低黏性阻力，但是其差压阻力较大导致总减阻效果不太理想；顶部裸露检测器车身其黏性阻力和压差阻力都较大，所以减阻作用最差，因此仅从空气动力学方面考虑应采用鲨鱼鳍车身检测车。

1.2 承载式车身设计

基于整车体积小质量轻，且无人驾驶所带来的在结构上可创新优化的空间大，我们主要对车体和转向架（轨道车辆的走行部类似于汽车的车轮减震器转向机构的总和）进行优化。借鉴公路车辆的承载式结构，创新设计出以往没有的承载式车身（如图5），将所有检测设备及储能设备全部集成在车体内部，既突破了车架加车身的传统设计，大幅减轻了整车质量，同时又能够将检测所用的电气设备与轮轨隔离，很大程度上减少了检测车在运行过程中对其设备的不良影响。

1.3 转向架整体结构设计

在转向架整体设计上，取消了一系悬挂，采用平行四杆机构，并在此机构的对角线上增设油压减震器，与传统的一系悬挂相比，大幅减轻了簧下质量，两侧空气弹簧和牵引装置均装在转向架顶部的构架上，纵向防冲杆有效避免了探伤车在运行时的纵向冲击，构架和驱动装置通过转向架上臂、中臂、下臂连接起来，空气弹簧作为垂向减震器缓解了车体的垂向振动，如图6所示。整个转向架结构紧凑，各部件相互配合使转向架运行稳定、灵活，同时也使轨道探伤车具有更为优越的动力性能。

图5 承载式车身设计

1.4 电动机独立驱动牵引系统

该转向架采用了电动机独立驱动装置，用4部电动机分别驱动车轮运行，且每个车轮有独立的制动装置，互不影响，如图7所示。因此横向运动完全解耦，故理论上不存在蛇形运动，不仅具有良好的高速稳定性，还避免使用质量大、成本高的抗蛇行减震器，并且此种设计可以留出空间安装纵向减震器，缓解车辆在加速或制动过程中带来的纵向冲击，改善车辆运行过程中的伸缩运动。

1.5 共轨两用的履带设计

为方便检测车的行走，安装履带为探伤车提供在非轨道路面运行，实现跨轨运行，同时也是有效的避让措施，当需要换轨时通过履带升降使轨道探伤车在路面运行实现跨轨动作，结构如图8所示。

1.6 检测模块及检测形式

图6 转向架整体设计

图7 电动机独立驱动设计

图8 履带设计

图9 检测模块布局

该轨道探伤检测车装有大部分检测设备,将检测技术做成子功能模块集成在一个可以移动的平台上,如图9所示，转向架上的红外激光动态监测设备可以检测轨道表面质量、结构缺陷、扣件的松紧程度，图像识别检测系统主要用于检测钢轨轨面参数，检测钢轨缺陷。通过检测车上的激光检测模块对接触网的纵向高度及横向位移进行检测，图像识别技术对接触网进行异物检测，如图10所示。搭载在测力轮对上的轮轨接触力测量装置，可以依据测力装置输出电流的大小判断轮轨接触力，从而依据钢轨对车轮的作用力反映钢轨是否存在缺陷。激光断面扫描仪可以对钢轨的轮廓进行标准化检测，测力轮对装置可以检测钢轨间隙、道岔精度，如图11所示。超声波回弹检测装置可以检测隧道轮廓和衬砌台位移变化，判断其是否影响列车正常运行，如图12所示。地质雷达检测装配和限界测量装置对地质情况条件进行综合检测，如图13所示。

图10 车顶激光检测限界

图11 断面扫描及轮对测力

图12 超声波回弹装置

图13 地质雷达检测

1.7 数据分析模块

通过ZigBee模块汇总，再用单片机于ZigBee网关和WIFI进行有线联合通信。WIFI模块将数据上传至云平台、远程监控通过APP访问云平台获取数据并进行分析。节能检测车从自身结构优化和配备集成检测设备两大方面实现节能减排、提高检测效率的目的。将移动平台进行模块化的设计，使其可以随着工务人员的任务要求而对装载的功能模块进行选择和调整，也是为了应对可能出现新的任务要求而方便升级功能。

2 创新及实用性

该轨道探伤车集多种检测设备于一体，可以测量轨距、轨道平顺性、轨缝等一系列功能。将静态检测设备巧妙地转化为动态检测，并且轨道探伤车所收集的数据通过远程传输到后台及时分析，提高检测效率。头型的优化设计极大降低了空气阻力，电动机独立驱动系统和4位独立轮对的转向架设计提高了探伤检测车的运行稳定性和灵活性，降低车重，减少能耗。采用牵引系统、检测系统、数据传输系统、数据分析系统使轨道探伤车稳定、高效运行。轨道探伤车的应用极大提高了轨道探伤的效率，减轻了工人的劳作强度，为轨道探伤提供了新的检测方式。