鋼軌探傷車對中裝置的優化設計

李從祥 周利文

摘 要

：對中裝置是鋼軌探傷車探傷系統的主要部件，對中支架安裝在與轉向架相連的探傷裝置架體上。為保證裝車用對中支架的安全可靠性，對其受力計算分析，并對實驗用支架進行受力及疲勞計算，得出原支架設計不達疲勞要求。對支架做優化改進，并做沖擊、疲勞及探傷試驗。結果表明，優化后的結構及零部件符合裝車要求。

關鍵詞

鋼軌探傷車;對中支架;疲勞;優化

中圖分類號： U213.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 24

0 引言

鋼軌探傷車承擔在役鋼軌的傷損檢測任務，激光對中裝置是鋼軌探傷車探傷裝置的重要組成部分，其包括對中控制器、對中傳感器裝置、伺服作動器等組成[1-2]。其中對中傳感器裝置部分主要由對中支架、安裝耳等組成，其模型如圖1所示。對中支架安裝在轉向架上的架體上，其隨車運動時，沖擊和振動強烈，為保證裝置安全穩定的工作，需對其進行力學分析。

1 原支架受力分析及優化

根據軌道交通標準IEC 61373，探傷裝置通過左右縱梁安裝在車軸端蓋處，屬于3類安裝位置，對中支架安裝在探傷裝置的框架上，框架與車軸端蓋間有彈性減振元件，根據標準及減振效率可計算出作用于安裝支架的RMS值分別為28.8m/s2、25.8m/s2、12.86m/s2，振動頻譜參照3類。

對原支架及關鍵部件用ABAQUS做受力分析，其中對螺栓進行簡化處理，并將對中傳感器簡化為質點處理。對模型分單獨施加垂向、縱向、橫向及3個方向同時施加載荷進行受力分析，得出對中支架最大應力為209MPa，位置處于支架豎梁與頂板之間焊接的加強筋位置，如圖2所示;安裝耳最大應力為66.2MPa，如圖3所示，支架采用Q345材料，由分析可知支架及安裝耳等最大應力值都小于材料屈服強度。

根據機車車輛設備沖擊振動試驗（IEC61373）要求，初步計算支架及關鍵部件的設計壽命不小于N=1.62×106次循環[3]。

支架工作循環應力幅為Sa=209MPa;由疲勞極限與強度極限關系公式可得：Sf（torsion）=0.29Su=136.3MPa，其中Su=470MPa;根據S-N曲線存在冪函數式Sm*N=C關系，根據相關理論可得：m=3/lg（0.9/k）=6.1，其中k取0.29，又C=（0.9Su）m×103=1.05×1019，得N=C/Sm=1.05×1019/2096.1=7.3×104，支架不滿足疲勞設計要求，故需對支架做優化設計處理。

因對中裝置安裝位置的受限，對原結構難有大調整，僅做局部優化，優化內容有：a，采用豎梁直插頂板，并在兩側焊接;b，橫板加厚2mm，縮短減重孔至40mm，橫梁直插橫板并在兩側焊接;c，方管增厚至4mm。對中支架優化后模型如圖4所示，優化后質量增加近12%，未超出其設計要求。對優化結構做有限元分析，得出支架應力最大值為107MPa，處于橫板上，其應力云圖如圖5所示。進行對中支架疲勞壽命的估算，可得壽命為N=4.3×106次，優化后符合設計要求。

根據計算安裝耳的疲勞壽命遠大于設計壽命，但在試驗過程中出現安裝耳斷裂的情況，如圖6所示，分析斷裂原因認為有：斷裂處為直角設計，產生了應力集中。對安裝耳做去除臺階、增大圓角等優化處理。優化后的安裝耳最大應力值為46.4MPa，小于優化前最大應力值，應力云圖如圖7所示。

2 長壽命及探傷試驗

為驗證設計的正確性，對裝置進行了磁粉探傷、沖擊、疲勞試驗。長壽命振動試驗如圖8所示。完成長壽命試驗后再對整個裝置進行磁粉探傷檢測試驗，檢測結果顯示所有焊縫及橫豎方鋼上均未有觀察到缺陷磁痕。實驗結果表明，優化后的對中支架及關鍵部件符合設計要求。

3 結語

本文通過計算分析，對原支架及部分關鍵部件進行了優化設計，并對優化后的產品進行了沖擊與振動試驗，試驗結果表明優化后的產品符合設計要求。

參考文獻

[1]王新海.高速探傷車超聲波探頭自動對中心態研究.鐵道機車車輛，2005.

[2]鐘艷春.鋼軌探傷車激光自動對中系統研制.鐵道建筑，2016.

[3]陳傳堯.疲勞與斷裂，2002.