高速钢轨探伤车中走行小车的设计及试验.pdf

p 工 作 研 究 高速钢轨探伤车中走行小车的设计及试验 牟斌 陈军德李剐 铁道部科学研究院盎化所 北京 1 0 0 0 8 1 中勤世帝科学仪器公司 摘要介绍了能在 8 0 k m h 速度下平稳走行并实施钢轨探伤的小车设计过程及其结构特点 简单记录了该小 车在环行铁道试验线上完成的各项试验 关键词探伤车设计检浸 I 试验 1 国内外铁路钢轨探伤概况 我国铁路运营线路近7 万 k in 与国外线路相 比 线路状态较差 超期服役钢轨数量大 钢轨损伤发生 率高 因钢轨损伤造成 的钢轨折 断的情况经 常发生 直接危及行车安全 为保障铁路运输安全 目前检测 钢轨内部缺陷的主要设备为小型钢轨超声波探伤仪 由人工进行钢轨损伤的检测 为了防止发生断轨事 故 监视损伤的发生 发展 平均每年每条线路需检 测 l 0遍以上 总检测里程近 1 0 0万 k m 全路 约有 8 O 名专职钢轨探伤人员负责钢轨内部损伤的检测 为了提高钢轨损伤的检出率 推动铁路钢轨维护 设备的进步 铁道部 门 1 9 8 9年开始引进大型钢轨探 伤车 以下简称探伤车 与我国铁路 目 前采用的传 统人工检测方法相比 探伤车具有检测速度快 可靠 性高 重复性好的优点 探伤车投入使用以来 截止 到 1 9 9 9 年 累计检测里程已达 6 4 0 0 0 k r n 检出损伤 总数 1 6 13 0处 对保障铁路运输安全起到了重要作用 由于我国铁路运营里程较长 进口探伤车数量有 限 仅依靠进口探伤车不能满足检测线路钢轨内部损 伤的需要 此外进口探伤车由于受生产国条件限制 检测系统在某些方面仍存在不足和有不适应中国铁路 实际情况 目前还不能完全代替人工检测 在国外发达国家线路钢轨损伤的检测已由探伤车 承担 人工检测仅作为辅助手段 用于对损伤的复 核 各国根据其铁路状况 以停顿式和连续式检测两 种模式作业 在美国 加拿大主要以停顿式检测模式 为主 即探伤车发现损伤后 探伤车需停下 由操作 员复核后再继续检测 而西欧和 日本则大多应用连续 模式检测 获得的数据在检测后处理 损伤由人工另 收稿 日期 2 0 0 1 0 3 2 7 铁道机车车辆 瑚 1 年第 4期 行复核 探伤车作业速度一般在 4 0 k m h 以下 国外应用和发展探伤车经历 了数十年的历史 美 国自4 0 5 0年代起开始进行探伤车技术的研究 在 7 0 年代后 随着计算机技术的应用 探伤车研究工 作有了很大 的发展 尤其是实 时数 据处理技术的应 用 使探伤车检测到的损伤信息几乎可以实时地显示 在屏幕上 检测数据可被记录 并可随时回放 重现 当时的检测结果 手工探伤时 检测结果仅凭检测人 员的手工记录 而探伤车所获得的检测结果对管理人 员来说 即方便又可靠 无论在检测技术上还是在管 理上 探伤车的广泛应用无疑是一大飞跃 国外铁路受各自国情及铁路运输状态的影响和制 约以及技术上的难度 探伤车 目前 的检测速度均大大 低于铁路正常运输速度 在美 国仅有少量探伤车检测 速度可达到4 0 k m h 多数探伤车其检测速度约为 l 5 2 0 k m h 而实际作业时 多数又采用停顿式作业 方式 随时停车复核可疑损伤 其平均探测速度更 低 只能采用线路封锁 开天窗的作业方式 对铁路 运输影响较大 欧洲铁路运行速度较快 但探伤车的 检测速度一般也不超过 4 0 k m h 尽管这些发达国家 的铁路广泛使用探伤车作为钢轨内部损伤的检测工 具 但各国对高速探伤车的投入及关切程度远不如我 国迫切 据有关资料显示 仅英 国和以色列等少数国 家开展高速探伤车方面的研究 但实际投入使用 的探 伤车的速度并不很高 根据世界铁路 联盟 1 9 9 8年 7 月会议的有关资料显示 目前投入使用的探伤车最高 检测速度为 5 2 k m h 随着我 国铁路三次大范围提速 的成功 使铁路对能在现有鱼尾板联结线路上完成高 速探伤的设备需求 日益迫切 到 目前为止 全世界尚 维普资讯 无一家能生产8 o k m h 在线探伤车的生产厂商 因此 铁道部决定依靠国内单位 自己研制开发这一技术 铁 道部在 十五 期间战略 目标中提出 将配置大型养 路机械 1 4 8台 列 其 中高速钢轨探 伤车占重要地 位 铁道部基础设施检测中心要完成对全路重要干线 的检测分析 提供信息和指导维修服务 其重点是依 靠技术先进的高速钢轨探伤车 2 任务来源及技术要求 根据铁道部科教 司 9 9 G 3 6的要求及 1 9 9 9铁道部 科技研究开发计划项 目要求决定快速探伤装置的设计 指标为 探伤速度 8 o k m h 分辨损伤类型 钢轨头部横向疲劳裂纹 核伤 不小于直径 1 0 m m平底孔当量 螺栓孔裂纹及腰部斜裂纹 长度不小于 1 0 r i m 1 钢轨纵 向水平裂纹 长度不小于 1 0 ra m 探轮 自动对中精度 1 n mi 多通道超声波发射 接收单元超声波脉 冲重复频 率 5 0 0 H z 超声波换能器工作频率 2 5 Ml l z 人工损伤检 出率 不低于 8 o 损伤误报率 不高于 2 0 本项 目最终 目的是研制检测速度 8 o k m h的新型 钢轨探伤车检测系统 探测速度为 目前进 E l P J探伤 车的两倍 检攫 f 效率特大幅提高 成功研制高速探伤 车检测 系统 将在多重科技应用领域取得突破 将使 钢轨检测技术 超声波信息处理技术 传感器伺服控 制 钢轨 探轮高速 自动跟踪伺服控制等科技水平步 人世界前列 其意义及影响深远 真正达到 8 o k m h 或2 2 m s 速度对工件进行探伤 对实用的超声波无损 检测技术来说是一大飞跃 将对该领域的技术发展是 一 大贡献 高速探伤车检测系统所采用的各种新技术 新方 法 新工艺及新材料 可应用于相关的无损检测领域 中 将 大大推动我国无损检测领域的技术进步 3 现有进 口 P J 探伤车走行小车技术分析 铁道部现有进 口 P J 探伤车的走行小车位于检测 车 中区底部 在进行钢轨检测过程中 其轮探头的跟 踪方式采用了气动涨轮方式 即约 0 4 M P a的气压通 过汽缸作用于可以调整轨距的走行钢轮的内侧 迫使 走行小车的钢轮轮缘与钢轨轨头内侧密贴运行 当轨 距变化时 0 4 M P a的气压弹性涨紧或压缩以保持轮 探头的跟踪 进行 自动对 中 该小车运行速度设计为 4 0 k m h 但在通过道岔时 由于道岔岔心有害空间 2 的存在 必须提前 锁闭 汽缸涨紧系统 在道口若 轮缘槽内有异物或曲线地段磨耗严重时 极易涨出脱 线 而有时在连续坡道上实施制动 时或其他情 况下 汽缸压力一旦不能保持 又极易收缩掉道 所以可靠 性 安全 性较 差 实 际探伤 应用 时规定直线地段 为 4 0 k m h 通 过道 岔 道 I 1 和 曲线 为 加 2 5 k m h以 下 已不能满足我国铁路提速后对轨道检测速 度的要 求 4 高速走行探伤小车的设计 该走行小车要求在承载 4只轮探头及其 自动对中 装置后 另有文章专述 能在一切常规铁路线路上 以8 5 k m h 速度双向走行 能保证高速通过道岔 平 交道I 1 弯道 鱼尾板接头等各种路况 并且不能对 悬挂本小 车的机 车安全走行 有任何影 响 我们参考 G 5 5 9 9 8 5中各项动力学性能指标 的要求 在满足 车体抗菱刚度前提下 整体设计尽量轻型化 实际整 体小车质量小于 4 0 0 k g 其主要优点在于避免使用转 向架构造 结构简单 尽可能降低了轮轨作用力 减 少了轮轨磨耗 提高小车走行寿命 大幅度地提高小 车曲线走行速度 运行平稳性好 在设计 中充分考虑 到小车走行时对轨道方向不平顺 轨距不平顺及轨道 高低不平顺等行车状态下的平稳性与安全性设计要 求 参 考美 国 R a i l s C o m p a n y生产 的 R A I L R o d T r a c k C a r ts小车设计 具体完成高速探伤小车设计如下 4 1轨距 我国铁路 的标准轨距 在 两钢轨内侧 顶面下 1 6 n 处测量为 1 4 3 5 f i l m 见 图 1 图 1 我 国铁 路的标准轨距 直线部分轨距 s 允许的最大值为 1 4 4 1 1 4 3 5 6 f i l m 最小轨距为 1 4 3 3 1 4 3 5 2 n 轨距 S 轮对 内侧面距离 q 活动量 b 得出轮对内侧面距离 q 轨距 s 0 一活动量 b 1 4 3 5 1 2 1 4 2 3 n m l 试验小车的轮对 内侧面距离 q 1 4 2 3 f i l m 本项设计中充分考虑到轨距不平顺对行车安全的 影响 铁道机车车辆 2 0 0 1 年第 4期 维普资讯 4 2导 向轮 1 导向轮踏面尺寸 设计导向轮参考 国家标准即准轨车辆用车轮踏面 尺寸 导向轮的踏面是圆柱形 轮缘侧面与踏面成 6 5 高度 3 0 m m 见图 2 1 4 0 唧 a主视图 b轴 侧视 图 图 3 方案 I 的错质轮 件 图 4 方 案 2的铸 钢轮体 1 一弹性橡胶层 2 一腔料 3 一铝质轮体 优点是质量轻 缺点是胶料填充工艺性不好 导 向轮之间一致性差 方案 2 采用铸钢轮体 外加弹性橡胶层 开模 具制造 见图 4 克服铝质轮体的缺点 不足是质量增加 制造成 本加大 实际设计中选用方案 2 即铸钢车轮 在车轮的设 计过程中 采用 A l g o r 有限元分析软件进行车轮的模 型建立和计算 尽可能地模仿实际载荷情况对模型加 以分析 最终使车轮的最高应力值小于 1 7 0 M P a 通 过偏心外辐板的调整 使 8 个车轮质量随轴心线均匀 分布 进一步保证小车高速运行时的平稳性 并可大 幅度降低噪声级 空心臂 1 i 图5 轮轴结构 铁道机车车辆 2 0 0 1 年第 4期 3 轮轴 见图 5 轮轴是导向轮之间的连接件 主要承受车体轴向 推力 对保持小车 的形状极 为重要 为满 足抗挠 强 度 减轻质量的要求 采用两端实心轴与高强度钢管 焊接后整体加工 同时满 足了两导向轮同心 的要求 主轴设计时 在刚度及尺寸设计上 主要考虑横向弯 曲振动的影响 其扭转振动和纵向振动不是高速行车 时的主要振动型式 利用传递矩阵法 集中质量法等 建立主轴部件 的数学模 型进行计算 并对性能进行预 测 在保证 8 5 k I n h走行平稳 的基础上 小车综合振 动频率不能影响探轮的超声探伤工作频点及回波 这 也是本小车设计解决的难点之一 4 3导 向轮轮背距 最小轮背距 1 3 5 0 ra m 4 4压紧方式 小车用 4个 8 0气缸在低于导向轮中心 3 5 I n 一 位 置内侧施加压力 小车受力状态属于稳定结构 受侧 向外力时不易出轨 4 5压紧力 因气缸斜向施压 压紧时气缸与小车平面的夹角 O 3 8 压紧力 F p s 4 s i n O 8 x 8 2 3 1 4 4 4 s i n 3 8 1 0 1 3 0k s 另外 气缸轴向合力为零 4 6探 头伺服对中系统 探头伺服对中由对中传感器 步进电机 滚珠丝 杠 左右轴承座组成 1 传动系统 见图 6 采用步进电机正反向旋转带动微型精密滚珠丝杠 副WC M 1 6 0 2 3 5 回转 丝杠螺母推动轴承座移动 滚珠丝杠采用两端支撑 一端由 S K F 7 2 0 1 D B固 定 用以传递轴向力到轴承座 另一端 由S K F 7 2 0 1 浮动支撑 以消除丝杠长时间运行 温度升高而导致 的长度增大 2 双层传动 在结构上可以采用两种方案 方案 1 两组传动系统固定在同一基座上 分别 控制两侧轮探头 调整单侧轮探头时不影响另一侧轮 图6 探头伺服对中系统 1 一电机 2 一轴承座 3 一滚珠丝杠 维普资讯 探头 结构简单 效率低 方案2 两组传动系统固定在两层基座上 低层传 动系统控制一侧轮探头 上层传动系统固定在下层的 轴承座上 控制另一侧轮探头 优点是列车直线行驶 时 轨距保持不变 只用低层传动系统就可以同时两侧 轮探头达到伺服对中的要求 经方案对比采用方案 2 3 绝缘方式 测试中发现 由步进电机驱动器产生 的高频干扰通 过传动系统进人轮探头测试信号中 需要采用绝缘联 轴器连接步进电机与丝杠副 电机与电机座由绝缘板 过渡连接 使伺服电机与丝杠之间绝缘 4 7探头升 降装置 探头升降采用气缸装置 由于结构空间的限制 采用 5 o气缸同向固定 杠杆收缩时压紧轮探头 顶 出时抬起轮探头 抬起力大于压紧力 在压紧出气端 设有节流阀调速 4 8小车纵 向移动 小车在纵向可以各移动5 0 0 ir m a 以保证小车在通 过弯曲半径不小于 2 5 0 m的弯道时的 自动位移 4 9阻尼 气缸 小车垂直方向装有 6 3 气缸以改善高速行进的平 稳 性 4 1 O小车抬升 试验小车在非测试行驶或列车退行时 需用 8 0 气缸杠杆收缩抬起小车 1 0 0 in ll i 由于气缸与小车倾 斜 行程如图 7所示 气缸杠杆与作用点连接座之间设有调整杆 调整 杆两端为左右旋内螺纹 旋转调整杆 改变它的实际 工作长度 可以微调小车抬起高度 4 1 1中心导向轴 位于小车的几何中心 用于联接机车主梁及走行 小车 保证小车的走行同步性 小车升降时可起导向 作用 抑制杠杆不能同步收缩而造成的小车倾斜 中 心导向轴上端固定有回转轮 小车可以绕中心导向轴 小角度偏转 高速行使时可分担部分运动阻力 见图8 其中s 8 O m m 围 7 气缸杠杆收缩抬升 小车行程示意圈 4 圈 8 中心导向轴 的结构 中心导 向轴顶面到滚珠直线导轨座底面 1 0 0 r r a n 尺寸是小车抬升的最大距离 安装小车 时 先 将 中心导 向轴 上端伸 人导 向腔 内 再把小车推到抬升装置下 固定中 tL 导向轴 完 成连接 4 1 2斜拉杆 在压紧接头旁边固定另外一个接头 通过两端杆 端关节轴承连接拉杆与中心导向轴基座侧面的固定接 头 见图 9 图 9 斜拉杆结构 拉杆两端的杆端关节轴承螺纹为左右旋 转动拉 杆 可以调整拉力 4根对称分布的拉杆 消除了前 后侧向力不同时对小车形状的影响 充分考虑小车对 于轨道方 向不平顺及轨道高低不平顺 的通过性能 也 保证了小车高速通过弯道的平稳性 4 1 3双导 向轮的设计 1 单导向轮导 向 见图 l 0 导 向幸 台 轮搽头 圈 1 0 单导向轮结构 单导向轮结构的小车总长等于两轮探头 两导向 轮 三轮缘间距之和 长度最短 小车通过弯道时与 钢轨之间的侧向力相应最小 通过性好 由于只有一 个导向轮 在过钢轨接头时 导向轮囡接缝宽度 中心 位置下降 产生跳跃 导向性不好 能承受的最大侧 向力也小 2 双导 向轮导向 见 图 1 1 双导向轮结构通过道岔时 循迹导向性好 前一 个导向轮过轨缝时因后导 向轮与轨面支撑不会中心位 铁道机车车辆 2 0 0 1 年第 4 期 维普资讯 围 1 1 双导向轮结构 l 一 艰导 向轮 2 一轮探 头 置下降 避免产生跳动 为保证测试精度 我们采用双导向轮方案 4 1 4整体小车相关技术指标 如 图 l 2 所示 行驶最高速度 8 0 k m h 安装轮探头数量 4 个 导 向装置 8只导向轮 耦合液喷淋装置 8 个 车体质量 不大于 4 O O 妇 围 1 2 走行 小车的结构 5 探伤小车实际运行试验 本小车设计安装在车体下部中间区域 为试验方 便 采用试验连接架连接车体方式进行安装试运行试 验 在确定了探伤小车安装在列车尾部后 设计人员 到北京铁路局对试验列车进行现场考察 测量相关尺 寸 重点考虑结构的强度和刚性 设计制造了试验连 接架 试验连接架 由 2 0槽钢对扣焊接成方箱 固定在列 车尾部 2 5 槽钢中 悬臂由两 1 6 槽钢 2 0 r m n 连接板 和方箱互连成三角结构 两侧悬臂 与主粱 两根 l 6 槽钢连接成整体结构 为确保安全 所有连接位置都 进行了焊接处理 见图 l 3 1 9 9 9 年 1 2 月 1 1日 探伤小车在环行铁道试验线与 客车连接进行了试验 探伤小车走行试验结果如下 1 9 9 9年 1 2 月 1 4 F I 探伤小车在环行铁道冲击线上 进行了机械性能测试 由于线路只有