轨道巡检悬挂系统结构设计及强度分析

2015-11-27上海铁路局科研所

上海铁道增刊 2015年4期

刘伟上海铁路局科研所

1 引言

我国高铁已经实现了大规模建设和开通运营，为了确保高铁的安全、高速、平稳、舒适、不间断的运行，全路各局工务部门急需一种新型高效、智能的检测轨道结构病害的设备。车载智能轨道巡检系统是一套集高速数字图像采集、大容量图像数据实时处理、存储、定位技术、智能化、网络化和信息化技术、自动控制技术于一体的智能系统，能对轨道结构状态进行动态检测并提供智能识别判断。智能轨道巡检系统安装在轨道车底部，由于轨道车的底部结构因生产厂家及车型型号的不同而存在差异，因此轨道巡检悬挂系统的结构必须按照轨道车的底部安装空间来设计，并保证悬挂系统的结构强度稳定可靠。本文按照GTC-80钢轨探伤车车体底部结构特征，对智能轨道巡检的悬挂系统进行结构设计，并采用ANSYS软件对悬挂系统的结构强度进行分析。

2 巡检悬挂系统的结构设计

巡检悬挂系统结构如图1所示，主要由主梁、高速相机总成、光源总成、散热片、防尘罩、减震碟簧、高强度连接螺栓等其他部件组成。为了使高速相机在干燥无尘的环境中采集图像，将该总成设计成整体密封结构并安装在主梁上。光源总成布置在主梁的内部，主要作用是照亮轨道板为相机拍照提供足够的光照强度。为了防止车辆在运行过程中的污泥灰尘甩进光源总成而影响光照强度，该结构设计了防尘罩。减震碟簧主要为了减少车体因急刹车或者轨道不平顺对巡检悬挂系统产生的冲击和振动。散热片主要是将光源产生的大量热量快速散掉，防止温度过高烧坏光源总成。GTC-80钢轨探伤车车体底部在出厂前预留了巡检悬挂系统的安装连接板（如图2所示），并且在连接板两端各留了6个安装连接孔。本结构设计了固定支座（如图3所示），通过固定支座的过渡作用将车体连接板和巡检悬挂系统连接。巡检悬挂系统与车体底部预留的连接板连接后的整体三维效果如图4所示。图5是巡检悬挂系统现场安装效果图。

图1 巡检悬挂系统

图2 连接板

图3 固定支座

图4 整体结构三维效果图

图5 巡检悬挂系统现场安装效果图

3 轨道巡检系统的结构强度计算

3.1 固定支座与车体连接螺栓强度计算

本结构中固定支座与巡检悬挂系统的总重量约290 kg，空气阻力P忽略不计。轨道车行车过程中，巡检系统受到冲击加速度作用，其加速度按重力加速度的15倍计算。由此，固定支座与巡检悬挂系统对螺栓组产生的最大作用力为：

由于连接板上的螺栓固定方向与重力方向垂直，故所有螺栓是受剪力作用的。选用的12个螺栓每个螺栓受到的最大工作剪力约为3 867 N。

螺栓杆与固定支座的挤压强度为：

螺栓杆的固定支座的剪切强度为：

式中：F为螺栓所受的工作剪力，d0为螺栓剪切面的直径（可取为螺栓孔的直径），单位mm；Lmin为螺栓杆与孔壁挤压面的最小厚度，单位mm。该结构处选用12.9级的M20的螺栓。许用切应力、许用挤压应力安全系数Sτ、SP均取为6.8。则螺栓的许用切应力[τ]=σs/Sτ≈137 MPa，许用挤压应力[σp]=σs/Sp≈137 MPa。故螺栓的强度足够。

3.2 固定支座与巡检悬挂系统连接螺栓强度计算

巡检悬挂系统的总重量M°约180 kg。巡检系统在行车过程中受到的最大冲击加速度按重力加速度的15倍计算。所以双头螺柱受到巡检悬挂系统的最大作用力为：

由于连接板上的螺栓固定方向与重力方向垂直，故所有双头螺柱受拉申作用。选用的8个双头螺柱中每个螺栓受到的最大工作拉伸力为3 600 N。

双头螺栓杆的拉伸强度为：

式中：F为螺栓所受的工作剪力，N；d0为双头螺栓的直径，单位mm。

双头螺柱的材料为42CrMo，该材料的屈服强度σs=930 MPa，拉伸强度远小于屈服强度，因此双头螺栓连接悬挂系统强度足够。

4 巡检悬挂系统结构的有限元分析

4.1 有限元模型建立

首先在Pro/E中创建其简化的三维模型，将其导入ANSYS中进行网格划分（如图6所示）。固定支座与转向架连接板固定，则认为在工作过程中，固定支座与转向架连接板的连接面相对转向架无任何相对移动。冲击加速度取重力加速度的15倍，a=1.5×105mm/s2。施加约束及工作载荷后，如图7所示。

图6 巡检悬挂系统网格划分图

图7 固定支座和巡检悬挂系统添加约束和工作载荷图

4.2 计算结果分析

从图8中可以看出，整个巡检悬挂系统形变最大的地方出现在中间挡板处，最大形变量不超过0.3 mm，形变量在允许变形的范围内。从图9中可以看出，整个巡检悬挂系统最大受力在64 MPa以内，最大受力零件为碟形弹簧，巡检悬挂系统采用的碟形弹簧尺寸为φ50 mm×φ25.4 mm×2 mm，查标准可知单片该型号碟形弹簧的最大计算应力为1 140 MPa，工作过程中碟形弹簧所受应力远小于碟形弹簧所能承受的最大应力。