有砟軌道車載探地雷達檢測裝置結構設計

沈正強 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

1 引言

道床與路基狀態直接關系著有砟線路運行的安全性，隨著鐵路運行速度與運量大幅提升，有砟線路道床及路基病害問題日益普遍，為保障線路運行安全，需對道床與路基狀態進行常態化的健康安全檢測。目前我國現有的有砟軌道檢測方法主要依靠人工巡視及現場開挖，檢測速度慢，提供信息量少，無法滿足鐵路常態化健康安全檢測需求。

探地雷達可實現對鐵路有砟道床和路基狀態的無損檢測，具有檢測速度較快、檢測信息豐富、人力成本大大降低、內部病害可見的特點，通過探地雷達對有砟軌道進行巡檢，可大大提高檢測效率且可實現對線路道床及路基內部檢測，有效保障鐵路常態化健康安全檢測。

因此，本文以GTC-80鋼軌探傷車為平臺，依據探地雷達檢測應用要求及探傷車車底空間結構，研究設計一套有砟軌道車載探地雷達檢測裝置，實現探地雷達對有砟線路道床與路基狀態的高效檢測，并對檢測裝置開展力學仿真分析，為其在線應用安全性分析提供理論依據。

2 探地雷達概況

通過不同頻率天線檢測試驗，選定應用于有砟軌道檢測的探地雷達天線頻率分別為1.5 GHz與400 MHz，即在道床碎石層厚度及臟污探測中，采用1.5 GHz 空氣耦合天線進行探測，在對路基基層的檢測中，采用400 MHz 空氣耦合天線進行探測。其基本參數如表1所示。

表1 探地雷達基本參數

3 結構方案設計

3.1 探地雷達安裝模塊設計

探地雷達是通過發射天線向探測體內發射電磁波，利用接受天線接受來自目標體界面的反射波，電磁信號易受到外界金屬物干擾，因此考慮現場應用工況及雷達天線應用要求，采用將探地雷達天線置于設計的箱罩內，同時在箱罩內壁與探地雷達間增加一層吸波棉（底部波發射面無），雷達箱罩材料采用PP 聚合物非金屬新型材料，其具有良好的電絕緣性、耐熱性及化學穩定性能，拉伸強度和剛性皆較好，同時具備良好的焊接加工性能。

圖1 所示為1.5 GHz 及400 MHz 探地雷達安裝模塊結構圖。探地雷達箱罩上面四周一圈開有螺栓孔，探地雷達箱罩及箱罩內探地雷達通過螺栓各自獨立分別與鋼質懸掛板螺栓緊固連接而組成探地雷達安裝模塊，模塊化的設計方案便于現場裝拆與后期維護。為了避免聚合物箱罩螺孔處在外力作用下易受損的影響，四周此處螺栓緊固方案設計增加鋼平墊板，減少局部應力集中。為了降低設備運行應用中脫落風險和減少對雷達檢測信號干擾，箱罩底部區域四周開有防脫繩孔，通過選用非金屬材質的防脫繩使箱罩與上部構件（懸掛支架）連成一體。

圖1 1.5 GHz、400 MHz探地雷達安裝模塊

3.2 探地雷達模塊懸掛支架設計

通過現場反復實測，考慮兩種型號探地雷達外形尺寸及檢測要求，如圖2、圖3 所示，選定GTC-80 車頭部位車底與車中部位后轉向架處附近車底空間為1.5 GHz 與400 MHz 探地雷達檢測裝置安裝位置，分別將車頭、車中部位雷達懸掛支架焊接于GTC-80車體外側大梁、車鉤大梁上，其中車頭400 MHz天線懸掛支架通過螺栓連接方式安裝于焊接在車鉤大梁底面的平鐵板上。

圖2 探地雷達檢測裝置安裝位置車底外形圖

圖3 雷達懸掛支架焊接安裝圖

現場裝拆時，線下先組裝好1.5 GHz、400 MHz 探地雷達安裝模塊，通過雷達懸掛板分別將其依次掛裝在雷達懸掛支架下側平掛板上，再擰緊兩側的螺栓，即可實現裝置快速拆裝。同時為了降低雷達懸掛支架運行中脫落風險，懸掛支架通過防脫鋼絲繩與上部車體大梁（吊耳）連成一體。圖4所示為雷達檢測裝置安裝圖。

圖4 雷達檢測裝置安裝圖

3.3 探地雷達檢測裝置結構限界核驗

依據機車車輛設備限界規定，安裝于機車車輛上的設備應滿足限界要求。圖5為雷達檢測裝置限界模擬示意圖。由圖5（1）核驗可知安裝于車頭、車中部位的探地雷達檢測裝置下部邊界距離軌頂面130 mm，滿足機車車輛下部限界要求，同時考慮機車過曲線線路時車體與轉向架間產生偏轉，為確保安全要求車體下所安裝設備需與轉向架保持至少150 mm間距，由圖5（2）核驗可知車頭、車中部位檢測裝置分別距離轉向架邊界170 mm、220 mm，安裝符合此要求。

圖5 雷達檢測裝置限界模擬示意圖

4 探地雷達檢測裝置結構運行安全性分析

因軌道運行環境的影響，車上的設備將承受沖擊與振動，為了確保設備的運行安全，在裝車前應模擬設備使用環境條件對其進行力學試驗分析。基于此，本文依據GB/T 21563-2018《軌道交通·機車車輛設備·沖擊和振動試驗》標準，開展檢測裝置沖擊和振動力學試驗仿真分析。

為了減少有限元模型計算量，考慮對檢測裝置結構有限元模型進行適當簡化，仿真分析時不考慮探地雷達天線、吸波棉及螺栓緊固件對結果的影響。探地雷達箱罩材料采用PP 聚合物材料，其余均選用 Q235-B 鋼材料，表 2 為 PP 聚合物及Q235-B 鋼材料性能參數。圖6 為探地雷達檢測裝置力學仿真分析模型圖。

表2 PP聚合物及Q235-B材料性能參數

圖6 探地雷達檢測裝置力學仿真分析模型圖

依據標準確定雷達檢測裝置振動沖擊試驗半正弦脈沖激勵如圖7所示，據此脈沖激勵信號，仿真分析時對檢測裝置在橫向、垂向及縱向三個方向上分別施加一次正反向的雙向沖擊。雷達檢測裝置振動沖擊試驗仿真分析結果如圖8 所示，具體分析結果見表3。

圖7 雷達檢測裝置沖擊試驗半正弦脈沖激勵圖

圖8 車頭、車中部位雷達檢測裝置沖擊試驗應力應變云圖

由圖8及表3結果分析可知：

表3 雷達檢測裝置沖擊試驗仿真分析結果

（1）車頭部位雷達檢測裝置最大沖擊應力分別為橫向31.523 MPa、垂向 25.663 MPa 及縱向 155.905 MPa，車中部位雷達檢測裝置最大沖擊應力分別為橫向35.946 MPa、垂向21.125 MPa 及縱向87.324 MPa，均發生在雷達懸掛板或懸掛支架母材處，其各向最大沖擊應力均未超過選用材料的疲勞極限（235 MPa），且有一定余量，由此可知兩個裝置均滿足標準中振動沖擊強度要求；

（2）兩處檢測裝置最大沖擊應變均發生在雷達箱罩處且值較小，并且由于裝置所受沖擊是由車體振動從上至下傳遞而來，因探地雷達懸掛支架及懸掛板產生的變形會疊加到雷達箱罩上，因此實際應用中雷達箱罩不會發生較大變形；

（3）仿真分析模型中未考慮箱內吸波棉層等對結構的緩沖保護作用，因此實際結構的沖擊強度及雷達箱罩的自身相對變形量更小。

5 結束語

以GTC-80 鋼軌探傷車為平臺，依據探地雷達檢測應用要求及探傷車車底空間結構，研究設計一套有砟軌道車載探地雷達檢測裝置，并對其開展力學試驗仿真分析。該檢測裝置已完成現場安裝，并在京滬線等線路上試用運行，其結構穩定且數據采集正常，表明該方案與結構設計可靠。同時本文開展的軌道車輛設備沖擊和振動試驗分析方法可為同類設備在線應用運行安全性分析提供理論依據。