传统T型轨检小车走行轮结构的改进设计

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)



传统T型轨检小车走行轮结构的改进设计

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)

摘要：针对传统T型轨检小车走行轮采用外圆环贴合轨道侧面的设计，存在制造与后期维护繁琐、单双轮组件的走行轮不能互换、长时间使用磨损大的问题，提出一种新型的走行轮改进机构，该机构采用3个规格完全一样的走行轮，并设计一定位轮装置代替双轮组件走行轮外圆环的设计，显著提升走行轮在制造与后期维护的简便性以及耐磨性能。通过对定位轮装置中心轴的ANSYS Workbench有限元分析，验证该装置结构设计的合理性。

关键词：轨检小车; 走行轮; 改进设计; 有限元分析

随着贵广、南广、杭长等高速铁路的开通运营，截止2014年底，我国的高铁运营里程达到了1.6万km，是世界上高铁运营里程最长、在建规模最大的国家[1]。现阶段我国高铁的运营速度日益提高，而列车能否在高速状态下安全行驶是社会一直以来关注的焦点问题。其中，轨道几何参数的精调是高速列车提供安全行驶的重要依据，而轨检小车则是参与检测轨道静态几何参数的便携装置，它结合专用计算机、特殊传感器、高精度全站仪等先进仪器设备组成精密的轨道检测系统，检测出轨距、水平(超高)、轨向(高低)、长短波不平顺等轨道几何参数[2-3]。

目前我国轨检小车的研发处于高速发展状态，但仍与国外先进精密的瑞士安伯格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，轨检小车的研发势在必行[4]。通过对传统T型轨检小车走行轮进行结构分析，总结其不足并提出一种新型的改进方案，以提高走行轮在制造与后期维护的简便性以及耐磨性能。

1T型轨检小车整体结构

T型结构轨检小车是国内研发厂商的主流设计，优点是简化结构、减轻质量、便捷拆装[5]，其机械结构由多个模块组成，其中包括单轮组件、双轮组件、传感器组件、棱镜安装装置、手推架装置。轨检小车是采用螺栓把单轮组件与双轮组件连接起来，形成一体的T型结构车架，而棱镜装置与手推架装置分别安装在单轮组件与双轮组件基座的正上方，从而形成轨检小车的整体结构，其结构如图1所示。

图1　传统T型轨检小车基本结构

单轮组件结构部分包括轨距测量机构、左侧车体构架、轨距传感器、走行轮组成，轨距测量机构安装在左侧车体构架内并与贴合轨道内侧的导向轮连接，目的是检测轨道轨距。双轮组件结构部分包括右侧车体构架、外圆环走行轮、刹车装置组成，目的是与单轮组件连接配合成T型车架结构，保持小车稳定的行走姿态。棱镜安装装置结构部分包括棱镜安装柱与棱镜组成，棱镜的作用是配合高精度的全站仪测出棱镜中心的三维坐标。手推架装置结构部分由便携式电脑支撑板、手推架组成，作用是便捷地推行小车在轨道上进行检测以及放置专用电脑。传感器组件由轨距传感器、水平倾角传感器、里程传感器组成，作用是测量轨道的轨距、超高与小车推行检测段所行走的里程。

2轨检小车走行轮结构改进设计

轨检小车的走行轮是小车机械机构至关重要的部分，它承载着小车行走、辅助轨距测量与小车里程测量的重任。走行轮对材料要求较高，氮化硅是其最常用的制造材料，可以满足硬度高、耐磨损、抗氧化、抗冷热冲击、绝缘等性能要求。

2.1　传统T型轨检小车走行轮结构分析

传统轨检小车走行轮由单轮组件走行轮与双轮组件走行轮组成，其中单轮组件走行轮采用圆柱形设计，配合里程传感器进行小车的里程测量；而双轮组件走行轮采用外圆环圆柱形设计，走行轮的外圆环在进行轨距测量时由于轨距测量机构弹簧力的作用使其贴合轨道内侧面，辅助轨检小车进行轨距测量，单双轮组件走行轮结构如图2所示。

图2　单双轮组件走行轮结构

由于单轮与双轮组件走行轮采用圆柱形与外圆环圆柱形的设计，在制造过程需要不同的模具进行铸造，并且双轮组件走行轮贴合轨道的外圆环侧面与走行轮表面的精度也大不相同，从而大大增加了铸造的繁琐。另外由于轨检小车的双轮组件走行轮外圆环侧面与轨道侧面在轨道检测时要一直保持贴合的滚动接触状态，故在长时间的使用会造成较明显的磨损痕迹(图3)，从而造成轨距测量误差的加大。而在走行轮后期维护上，走行轮外圆环侧面或者走行轮表面遇到磨损需要更换时，则需要换掉整个走行轮，从而造成维修成本增加与材料浪费。

图3　外圆环走行轮磨损

2.2　轨检小车走行轮结构改进

针对传统T型轨检小车走行轮采用外圆环贴合轨道侧面的设计，存在制造与后期维护繁琐、单双轮组件的走行轮不能互换、长时间使用磨损大的问题，提出了一种新型的走行轮改进机构，该走行轮机构的单双轮组件整体结构采用3个规格完全一样的圆柱形走行轮，而双轮组件的走形轮采用2个规格完全一样的走形轮与一定位轮装置组成，其中定位轮装置代替双轮组件走行轮外圆环的设计，其结构如图4所示。

图4　改进后双轮组件走行轮结构

改进设计后，单双轮组件走行轮的规格完全相同，从而减少铸造模具的多样化与铸造成本；而在后期维护方面，走行轮的维修更换与定位轮没有任何联系，取代了传统轨检小车的走行轮外圆环侧面或者走行轮表面遇到磨损更换时，则需要换掉整一个走行轮的不便，从而显著提升了维修效率与降低了维修成本。除此之外，传统轨检小车外圆环走行轮的侧面与轨道侧面在检测工作时一直处于面面接触的滚动摩擦状态，而改进后走行轮机构的定位轮与轨道侧面为点面接触，与传统T型走行轮外圆环接触轨道侧面相比大大减少了轮子接触轨道侧面的接触面积，从而降低了材料的磨损以及更有利于走行轮长时间的使用。

2.3　定位轮装置设计分析

通过结构的改进，传统轨检小车走行轮贴合轨面的外圆环被定位轮装置所代替，该装置基本零件由侧板、定位轮、中心轴、固定块、螺母、轴承组成。定位轮的侧板安装在固定块上，作用是为了保护定位轮避免与其他物体发生碰撞；固定块通过螺栓安装在双轮的支架上，作用是为了整个定位轮装置处于固定状态；定位轮安装在中心轴上，并且轮的最下缘贴合轨道内侧轨顶面下16 mm处，作用是在进行轨距测量时通过轨距测量机构弹簧力的作用使其贴合轨道内侧面下16 mm处，辅助轨检小车进行轨距测量，其结构如图5所示。

图5　定位轮装置结构

由于定位轮与走行轮的工作性能相似并要求小车处于绝缘状态，则制造材料同样为氮化硅。

3定位轮装置中心轴的有限元分析

轨检小车在进行轨道测量工作时，由于轨距测量机构弹簧力的作用使定位轮贴合轨道内侧面，则轨检小车x平面受力情况如图6所示。轨距测量机构的弹簧力F=100 N使双轮组件的两个定位轮贴紧轨道内侧面，而两个定位轮则受反作用支撑力Fb1X与Fb2X=50 N，因此定位轮装置在受力时相当于悬臂梁状态，而定位轮材料为氮化硅受力不发生塑型变形，则定位轮中心轴是受力变形的关键部位。

图6　轨检小车x平面受力

由于定位轮辅助轨检小车进行轨距测量，而轨距的测量是根据小车横梁固定的长度加上轨距传感器测量的可变长度而得到，定位轮轴的变形势必会引起轨距测量误差，因此需要对其进行有限元分析。

在Solidworks进行三维建模后，另存为XT格式，导入Ansys Workbench平台进行进一步分析，材料加载45号钢，定位中心轴被固定块固定的圆柱面施加圆柱面约束A，端面施加固定约束C，定位轮受力端面施加轴承荷载B，则定位轮中心轴约束与荷载如图7所示。

图7　定位轮中心轴约束与荷载图

在施加约束与荷载后，求解得到定位中心轴应变与应力结果如图8、图9所示。

图8　定位轮中心轴50 N受力变形云图

图9　定位轮中心轴50 N受力应力云图

根据Ansys Workbench平台分析结果可知，定位中心轴在承受50 N的支撑力时所发生的最大变形为0.007 678 mm，最大应力为20 MPa。根据《客运专线轨道几何状态测量仪暂行技术条件》科技基(2008)86号规定，轨距测量误差为±0.3 mm，而定位轮中心轴所产生的变形误差0.007 678 mm远远小于0.3 mm，并且最大应力20 MPa也远小于材料45号钢的屈服强度δs=355 MPa，因此定位轮装置的结构设计合理。

4结论

通过对传统T型轨检小车走行轮的改进设计，得出以下结论。

(1)新型的走行轮机构采用3个规格完全一样的走行轮，避免了传统T型单双轮组件的走行轮不能互换的不便。

(2)新型的走行轮机构设计一定位轮装置代替传统T型双轮组件走行轮外圆环的设计，显著提升了走行轮在制造与后期维护的简便性。

(3)新型的走行轮机构的定位轮与轨道侧面为点面接触，与传统T型走行轮外圆环接触轨道侧面相比大大减少了轮子接触轨道侧面的接触面积，从而降低了材料的磨损以及更有利于走行轮长时间的使用。

(4)通过对新型的走行轮机构定位轮装置中心轴的Ansys Workbench有限元分析结果得出，验证了该装置结构设计的合理性。

因此改进设计的新型走行轮机构设计可行性高，显著提升了走行轮在制造与后期维护的简便性以及耐磨性能，适用于轨检小车结构的更新换代。目前该走行轮机构已被新型的轨检小车所采用，并在合福高铁在建路段已经调试成功。

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Improved Structure Design of Traditional Track Inspection Instrument with T-shape Walking Wheel

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.)

Abstract：In view of the problems during manufacturing and later maintenance period， the inability to exchange the walking wheels between the single and double wheel component and the severe abrasion for longtime employment， which are existed in the design of the excircle ring plying-up the side of the railway track in the traditional track inspection instrument with T-shaped walking wheel， this paper proposes a new type of improved walking wheel mechanism with three totally same standard walking wheels. One positioned wheel device is also designed to replace the excircle ring of the walking wheel in the double wheel component for this new mechanism. Both of the simplicity of the manufacturing and maintenance in later period and the wear-resisting property of the walking wheels have been notably improved. Finally， the rationality of the structural design is verified via the ANSYS Workbench finite element analysis (FEA) of the central axis inside of the positioned wheel device.

Key words：Track inspection instrument; Walking wheels; Improved design; Finite element analysis

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

基金项目：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(2011A06 0901001，2013B061000006)；广州市科技计划项目(2013J4300019)

收稿日期：2015-05-06； 修回日期：2015-06-08

中图分类号：U213.4+3

文献标识码：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.005

文章编号：1004-2954(2016)01-0023-04