車輛多自由度檢測系統設計方案

方 姣 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

近年來，隨著我國高鐵行業的飛速發展，高速列車運行速度的不斷提升，對列車行車安全提出了更高的要求，姿態角是評估列車運行穩定性的重要參數。現階段，我國高鐵列車運行姿態通過高速相機獲取車身表面信息，得到車身動態包絡線。經過多次現場試驗，系統暴露出成本高，數據傳輸慢，圖像采集不穩定，處理數據時存在大量無用數據等缺點。因此，針對原有系統面臨的問題，本文設計一個車輛多自由度檢測系統，通過對平臺進行受載情況的模擬仿真，來分析平臺的受力變形情況，并分析懸掛平臺和激光相機檢測裝置的結構特點，為調節中央支撐平臺、兩側的懸掛平臺和激光相機檢測裝置的位置和角度來達到模擬車輛運動過程中相對鋼軌運動的效果提供重要的參考依據。

1 在Creo 中創建模型

基于對車輛運動過程的現場觀察和相關文獻的查找，本文通過中央支撐平臺、兩側的懸掛平臺和激光相機檢測裝置的位置調節來達到模擬車輛運行過程中相對鋼軌的運動效果。

1.1 中央支撐平臺

中央支撐平臺如圖1 所示，主要由大墊塊、搖擺平臺、鋁型材框架、電動滑臺、鋼軌和鋼軌固定框架組成。

圖1 中央支撐平臺

如圖2 所示，鋼軌的軌距在1 410 mm-1 470 mm 之間變動，即兩鋼軌中心距之間的尺寸變化為1 480 mm-1 540 mm，正常情況下，取兩鋼軌中心距為1 505 mm?？紤]到軌底的寬度以及軌距變化的范圍，選擇行程為110 mm 的標準電動滑臺，來模擬行車過程中軌距的變化，從圖1 可看出，單根鋼軌使用兩個電動滑臺前后放置，為了保證鋼軌移動的同步，因此需要將前后兩個電動滑臺做成同步運動滑臺。

在電動滑臺的滑動平臺上部放置鋼軌，由于軌底本身寬度大于滑動平臺的寬度，為了防止鋼軌在移動過程中碰撞到電機，因此需要通過鋼軌固定框架（如圖3 所示）來墊高鋼軌，同時，通過鋼軌固定框架上的四個支腿，采用C 型夾，固定鋼軌，達到扣件壓緊鋼軌的效果，防止鋼軌在中央支撐平臺的運動過程中發生運動。由于整個試驗平臺僅在實驗室使用，因此結構搭建盡量簡單，采用的鋼軌為60 型號的鋁合金軌，鋼軌固定框架采用鋁型材搭接而成。

在電動滑臺的下部采用鋁型材用以支撐，根據電動滑臺的尺寸，選擇80120鋁型材，鋁型材框架的搭接如圖1 和2所示，兩根80120 鋁型材橫向排布，兩根鋼軌縱向排布，組成井字型框架，該框架各部分緊固之后，可以防止試驗平臺整體變形。雖然采用的鋁合金鋼軌重量是原先鋼軌重量的1/3，但考慮到兩鋼軌的跨度很大，為了防止單根鋁型材在長期使用過程中發生疲勞變形，在鋁型材中部增加斜拉式結構，增強整體結構的強度。為了防止電動滑臺在試驗平臺運動過程中發生運動，在電動滑臺兩側安裝限位裝置（如圖3 所示）。

圖2 中央支撐平臺平面尺寸圖

圖3 鋼軌固定框架

在鋁型材框架的下部，放置搖擺平臺，通過搖擺平臺的左右搖擺，來模擬車輛相對鋼軌的搖擺。由于鋁型材框架本身以及上部安裝的物品較重，并且希望單根鋼軌可以長一些，因此，選擇可載重100 kg 的24 寸搖擺平臺。搖擺平臺前期可以通過手柄手動操作，后期可以通過安裝轉接頭和聯軸器連接電機，實現電動搖擺的功能。

試驗平臺可以左右各搖擺45°，由于鋁型材框架在大角度的情況下，單側端部會低于搖擺平臺底面，因此需要大墊塊來抬高整個試驗平臺，防止鋁型材框架碰到地面。大墊塊采用Q345 焊接而成，底面開孔，可以通過地腳螺栓與地面緊固，側面放置小角鐵，用來約束懸掛平臺的位置。

1.2 懸掛平臺

懸掛平臺如圖4 所示，主要由大立柱、十字電動滑臺和立柱固定框架組成。

圖4 懸掛平臺

現場使用的車輛多自由度檢測裝置安裝在軌道車或者鋼軌探傷車車底，由于各軌道車和鋼軌探傷車車底空間結構不同，則實際的安裝位置也會有區別，因此需要選用十字電動滑臺來固定檢測裝置，通過模擬檢測裝置在每輛車上的實際安裝位置，來調整采集軟件的相關參數。同時，十字電動滑臺的上下和左右的移動，也可以用來模擬車輛的整體上下和左右的運動。十字電動滑臺放置在中央支撐平臺的左右兩側，左右兩側電動滑臺的上下和左右運動靠電機同步?？紤]到軌道車和鋼軌探傷車車底的空間結構尺寸，選擇上下行程和左右行程均為510 mm 的標準電動滑臺，并且確定十字電動滑臺的安裝位置。

如圖5 所示，十字電動滑臺安裝在大立柱上，通過大立柱相對于地面的垂直度和平行度，來保證十字電動滑臺運動的垂直和水平。立柱固定框架采用鋁型材搭接而成，結構牢固，能夠保證大立柱相對于中央支撐平臺的相對位置，以及后期拆裝的便捷。同時，立柱固定框架可以沿著中央支撐平臺前后滑動，用來模擬左右檢測裝置由于車體結構原因而相互錯開安裝時的環境。

圖5 懸掛平臺平面尺寸圖

1.3 激光相機檢測裝置

激光相機檢測裝置如圖6 所示，主要由激光盒、相機盒、連接件和固定塊組成。

圖6 激光相機檢測裝置

激光盒內放置線激光，相機盒內放置面相機，兩者的相對位置通過連接件進行調整，連接件還可以帶動整個激光和相機組合繞固定塊旋轉，增大檢測裝置的檢測范圍。由于檢測裝置只在實驗室使用，所以整套激光相機檢測裝置采用光敏樹脂通過3D 打印而成，最終的重量比采用鋁合金加工的減少一半以上。

2 在ANSYS 建立有限元模型

車輛多自由度檢測系統主要由一個中央支撐平臺、兩側的懸掛平臺和激光相機檢測裝置組成。懸掛平臺主要是焊接件，本身結構牢固，并且放置在上面的十字電動滑臺重量小，所以對大立柱的結構強度影響非常小。激光相機檢測裝置主要是由光敏樹脂打印而成，本身重量也非常小。中央支撐平臺主要是由鋁型材支撐鋁合金鋼軌，雖然鋼軌采用的材料是鋁合金，但是鋁合金鋼軌重量也不輕，并且單根鋁型材懸臂較長，因此需要對該部分結構進行強度計算。

將中央支撐平臺模型在Creo 中保存成通用的Parasolid 格式，導入到ANSYS 中進行網格劃分和施加工作載荷。圖7 為中央支撐平臺的簡化模型。其中，搖擺平臺選用Q345 材料，限位裝置選用聚乙烯材料，其余都選用鋁合金材料。

圖7 中央支撐平臺簡化模型

由于中央支撐平臺主要是靜態擺放，即使操作搖擺平臺，整個平臺的運動都是緩慢的，因此對中央支撐平臺只需要進行靜態分析即可。圖8 為對中央支撐平臺施加約束后的模型，主要對搖擺平臺施加固定約束，對整體施加重力加速度。中央支撐平臺在水平位置時，鋁型材力臂最大，取該位置計算鋁型材框架的結構強度。

圖8 對中央支撐平臺施加約束后的模型

3 計算結果分析

圖9 和圖10 為中央支撐平臺有限元模型在工作載荷作用下仿真計算得到的應力和應變圖。從圖9 可以看出中央支撐平臺最大應力為1.5 MPa,對鋁型材來說，強度足夠,并且應力主要集中在中部增加的斜拉式結構上，下部鋁型材上受到的應力得到了分散。從圖10 可以看出，最大應變在中央支撐平臺兩側，最大變形值為0.03 mm 左右，對整個平臺來說，變形量足夠小，可以忽略不計，因此中央支撐平臺在工作載荷下完全可以正常工作，車輛多自由度檢測系統整體結構可靠。

4 結束語

本文通過Creo 軟件建立中央支撐平臺、懸掛平臺和激光相機檢測裝置，將中央支撐平臺有限元模型導入ANSYS軟件進行網格劃分，施加約束和載荷，得到中央支撐平臺的受力和變形情況，分析得出中央支撐平臺在工作載荷下完全可以正常工作。由于懸掛平臺主要是焊接件，本身結構牢固，并且放置在上面的十字電動滑臺重量小，所以對大立柱的結構強度影響非常小。激光相機檢測裝置主要是由光敏樹脂打印而成，本身重量也非常小，因此車輛多自由度檢測系統整體結構可靠。為更加真實模擬車輛運動過程中相對鋼軌運動的效果奠定了基礎。

圖9 中央支撐平臺應力圖

圖10 中央支撐平臺應變圖