唐文斌,龍芋宏,謝勇君,湯長波,李海建

(1.桂林電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院,廣西桂林 541004； 2.暨南大學(xué)電氣信息學(xué)院,廣東珠海 519000；3.暨南大學(xué)軌道交通研究院,廣東珠海 519000)

近年來，隨著我國對城市軌道交通建設(shè)的快速推進，現(xiàn)代有軌電車得以迅速發(fā)展，廣州、北京、成都等十余個城市已經(jīng)正式開通運營[1，2]。但是，針對現(xiàn)代有軌電車槽型軌軌道檢測的技術(shù)研究與設(shè)備開發(fā)卻相對滯后，目前對現(xiàn)代有軌電車槽型軌道軌距檢測基本是利用軌距尺進行人工檢測，檢測效率不高并且容易出現(xiàn)測量誤差。與槽型軌道檢測相比，工字軌軌道檢測的技術(shù)與設(shè)備相對成熟，目前國內(nèi)針對工字軌軌距檢測設(shè)備大致分為靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測兩類，靜態(tài)檢測以軌檢小車應(yīng)用較為廣泛，例如瑞士安伯格GRP軌檢小車、德國GEDO CE軌檢小車、TRIG1000鐵路軌道檢測儀等，該類設(shè)備采用軌距傳感器進行軌距檢測，使用方便快捷、操作簡單，但是存在檢測速度低的問題[3-4]。而動態(tài)檢測以GJ-6檢測系統(tǒng)最為典型，利用激光三角測量原理對軌距進行檢測，通常用于大型軌檢車中，檢測效率高，結(jié)果可靠，但大型軌檢車的調(diào)用會給運行調(diào)度帶來很大的壓力，不適合頻繁使用[5]。

由于槽型軌與工字軌具有不同的結(jié)構(gòu)特征，并且現(xiàn)代有軌電車是采用埋入式結(jié)構(gòu)設(shè)計[6，7]，所以現(xiàn)有的針對工字軌軌距檢測小車不能有效地對有軌電車槽型軌進行檢測。因此，本文設(shè)計了一種基于激光三角測量原理的槽型軌軌距檢測小車結(jié)構(gòu)，設(shè)計過程中參考工字軌軌距檢測小車結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠并且能夠在公路和軌道切換行駛，使用靈活方便，利用激光測量法能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)檢測，提高檢測的效率，為現(xiàn)代有軌電車軌道的維護提供技術(shù)支持。

1 軌距檢測小車工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

1.1 軌距檢測小車工作原理

本文提出一種基于激光三角測量原理的槽型軌軌距檢測小車，其檢測原理如圖1所示，利用2臺二維激光傳感器置于左右軌道的正上方，通過直射式測量法[8]獲取左右軌道的輪廓數(shù)據(jù)，通過將數(shù)據(jù)傳至上位機處理，輪廓數(shù)據(jù)經(jīng)過曲線平滑處理、坐標轉(zhuǎn)換、軌距特征點提取，最后根據(jù)槽型軌的軌距定義，得到槽型軌的軌距值[9]。

圖1 軌距檢測小車測量原理(單位：mm)

軌距檢測小車利用激光三角測量原理進行軌距檢測有以下優(yōu)點：(1)能夠連續(xù)動態(tài)檢測，在小車推行中完成軌道的軌距檢測工作，提高檢測效率并且避免人工測量過程中帶入的測量誤差；(2)實現(xiàn)非接觸式檢測，抗干擾能力強。

1.2 軌距檢測小車結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

以激光三角測量原理為檢測的工作原理，對槽型軌軌距檢測小車的結(jié)構(gòu)提出以下設(shè)計要求[10]：

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能夠滿足槽型軌軌距檢測要求；

(2)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計便于攜帶，方便移動到檢測地點；

(3)結(jié)構(gòu)盡量輕量化，符合經(jīng)濟性要求；

(4)檢測過程中運行穩(wěn)定，保證車架剛度足夠，不發(fā)生較大的變形。

2 軌距檢測小車的結(jié)構(gòu)簡介

軌距檢測小車的結(jié)構(gòu)大致由車架、編碼輪、軌行輪、推桿、載物臺、檢測部件、路軌轉(zhuǎn)換機構(gòu)(前轉(zhuǎn)換機構(gòu)和后轉(zhuǎn)換機構(gòu))等幾個部分組成，如圖2所示。車架根據(jù)實際情況需要采用“工”形結(jié)構(gòu)設(shè)計，該結(jié)構(gòu)左右對稱，相比于現(xiàn)有的“T”形車架結(jié)構(gòu)，提高了檢測小車行駛過程中的穩(wěn)定性并且改善“T”形軌檢車存在的“假軌距”問題[11]，車架左右兩端給二維激光位移傳感器留出足夠的空間，不會影響光路傳播。

圖2 軌距檢測小車結(jié)構(gòu)

軌行輪與編碼輪通過車架下端4個腳架與車架相連，其中前端的編碼輪內(nèi)部安裝有光電編碼器，用于發(fā)出脈沖實現(xiàn)等距離觸發(fā)2臺二維激光位移傳感器采集數(shù)據(jù)，檢測梁通過螺栓螺母安裝在車架的上方，推桿通過焊接與車架相連，載物臺位于檢測梁的上方，通過螺栓固定在推桿結(jié)構(gòu)上，載物臺用于放置有工控機與交換機等設(shè)備，操作者可以通過載物臺上的角度調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)工控機的傾斜角度至最合適觀察的位置。

檢測部件由檢測梁、一維調(diào)節(jié)機構(gòu)、前后連接板以及二維位移激光傳感器組成，如圖3所示。二維激光位移傳感器通過前后連接板與一維調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝至檢測梁的兩端，由內(nèi)部的激光發(fā)生器發(fā)射線狀激光掃描輪廓，然后通過傳感器內(nèi)部的CCD接收得到輪廓的數(shù)據(jù)，而后將數(shù)據(jù)通過交換機上傳至工控機進行數(shù)據(jù)處理。其中可以通過調(diào)節(jié)星型旋鈕帶動螺桿上下移動，從而調(diào)整二維激光傳感器的入射角度，使得激光垂直入射軌道，達到最好的測量效果。

圖3 檢測部件結(jié)構(gòu)

路軌轉(zhuǎn)換機構(gòu)由前轉(zhuǎn)換機構(gòu)與后轉(zhuǎn)換機構(gòu)兩部分組成，其結(jié)構(gòu)相同，分別置于車體的前后兩端，其路行姿態(tài)如圖2所示，此時轉(zhuǎn)換機構(gòu)未收起，通過鎖扣裝置(圖4)固定其姿態(tài)，可以通過向左撥動拔銷解除路行姿態(tài)切換至軌行姿態(tài)，也就是檢測時小車的姿態(tài)，如圖5所示，此時由下端的鎖扣裝置限制其轉(zhuǎn)換機構(gòu)運動，平穩(wěn)的進行檢測工作。

圖4 鎖扣裝置

圖5 軌距檢測小車軌行姿態(tài)示意

軌距檢測小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有以下的特點：(1)主體車架采用“工”字形設(shè)計，改善了傳統(tǒng)“T”形軌距檢測小車檢測存在的“假軌距”問題；(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計對稱，提高了運行時的穩(wěn)定性；(3)設(shè)計有路軌轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，適用于路面和軌道兩種場景，便于推行到檢測地點，提高了小車的靈活性。

3 軌距檢測小車結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

對車架與檢測梁這兩個主要結(jié)構(gòu)進行有限元分析。首先對車架進行結(jié)構(gòu)分析，為了節(jié)省計算時間首先對車架模型進行簡化，只保留主要部分，其余結(jié)構(gòu)以荷載的形式進行簡化。

首先將在UG中簡化的車架模型導(dǎo)入Ansys Workbench進行分析[12]，車體的材料設(shè)置為鋁合金材料，鋁合金材料密度小，符合輕量化的要求，并且使用范圍廣，因此車架材料選用鋁合金材料[13]。而后對模型進行網(wǎng)格劃分，加載荷載和約束，車架受到的荷載見圖6。A為檢測梁施加給車架的重力，100 N；B為路軌轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)施加給車架的重力，200 N；將與輪子接觸的面設(shè)為固定約束C，D為推桿結(jié)構(gòu)施加給車架的壓力，400 N，考慮到推桿部件的人為施加推力以及其他的額外荷載，給其施加額外的1 000 N荷載。

圖6 車架模型約束與荷載圖

施加完荷載和約束后，對車架模型進行求解，得到車架的應(yīng)力圖以及形變云圖，如圖7、圖8所示。

在實際工作過程中，相關(guān)黨員干部由于行政屬性和上下級領(lǐng)導(dǎo)關(guān)系，對于一些工作的開展存在一定的迫于無奈情形特別是針對垂直領(lǐng)導(dǎo)關(guān)系（如稅務(wù)系統(tǒng)、工商系統(tǒng)、食品藥品監(jiān)督管理系統(tǒng)、檢察系統(tǒng)、監(jiān)察系統(tǒng)等垂直領(lǐng)導(dǎo)關(guān)系部門）的公務(wù)員行政系統(tǒng)人員。如果過于苛求其違反政策規(guī)定來抵制違法的行為，可能對這些黨員干部提出了不現(xiàn)實的要求。因此需要結(jié)合實際情況，進行具體問題具體分析，而不能簡單地一刀切處理。

圖7 車架模型形變云圖

圖8 車架模型應(yīng)力云圖

給車架施加1 000 N的額外荷載后，其最大形變量和最大應(yīng)力分別為0.799 mm與26.7 MPa，其形變量較小，并且應(yīng)力分布均勻，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

對檢測梁進行模型簡化與受力分析，最開始設(shè)計時檢測梁的模型如圖9所示，對其進行受力與結(jié)果分析，其所受的荷載只受到來自二維激光位移傳感器、連接板以及一位移動機構(gòu)的壓力，其加入荷載與約束后計算的變形量與應(yīng)力偏小，完全使用滿足要求。

圖9 初始檢測梁的設(shè)計模型

考慮到小車整體結(jié)構(gòu)的輕量化，減輕車體的重力，所以對檢測梁進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。首先對檢測梁進行材料設(shè)置，依舊是選用鋁合金材料，而后進行網(wǎng)格劃分，施加荷載與約束，然后以材料的質(zhì)量為優(yōu)化的目標進行拓撲優(yōu)化[14，15]，優(yōu)化的目標為減重50%，而后進行求解，其結(jié)果如圖10所示。

圖10 檢測梁拓撲優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果顯示減重的區(qū)域為檢測梁的左右兩端，中間位置的側(cè)面與底面位置，所以根據(jù)拓撲優(yōu)化的結(jié)果對檢測梁進行減重方案設(shè)計，在設(shè)計過程中參照高速檢測車上的380B檢測梁的減重孔設(shè)計對檢測梁進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[16]，最后其模型如圖11所示。去除左右兩端的部分結(jié)構(gòu)，并且在中間的側(cè)面與底面設(shè)計有減重孔，檢測梁由原來的10.98 kg減少到7.23 kg，質(zhì)量減少了34.2%。

圖11 優(yōu)化后的檢測梁模型

對優(yōu)化的結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)分析，加入荷載與約束，檢測梁與車架接觸的面設(shè)置為固定約束，其形變與應(yīng)力分布情況如圖12與圖13所示。

圖12 檢測梁變形云圖

圖13 檢測梁應(yīng)力云圖

結(jié)果顯示檢測梁模型最大形變量為0.01 mm，最大應(yīng)力為2.12 MPa。優(yōu)化后的檢測梁靜力分析最大變形量極小并且最大應(yīng)力值遠小于材料的極限值，拓撲優(yōu)化后的減重設(shè)計方案合理，成功對檢測梁進行減重優(yōu)化。

4 結(jié)語

本文針對現(xiàn)代有軌電車槽型軌軌距檢測提出并設(shè)計了一種軌距檢測小車，通過對軌距檢測小車進行研究分析，得出以下結(jié)論。

(1)軌距檢測小車采用激光三角測量原理進行檢測，利用激光垂直入射的方式能夠獲取槽型軌的輪廓數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)動態(tài)的槽型軌軌距檢測，檢測效率高。

(2)軌距檢測小車設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)左右對稱，在推行檢測過程中有良好的穩(wěn)定性，設(shè)計有路軌轉(zhuǎn)換機構(gòu)，路面與軌道均能夠推行，靈活性好。

(3)通過對軌距檢測小車的車架與檢測梁的Ansys Workbench有限元分析結(jié)果，驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，并且通過檢測梁拓撲優(yōu)化結(jié)果對檢測梁進行減重優(yōu)化，合理地減輕了檢測梁的重力，達到輕量化的目標。

因此槽型軌軌距檢測小車符合提出的設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計可行性高，能夠滿足現(xiàn)代有軌電車槽型軌軌距檢測的要求。

致謝暨南大學(xué)軌道交通研究院提供了科研與實習(xí)的場地，廣東省自然科學(xué)基金-博士啟動項目(多場耦合下微加速度計結(jié)構(gòu)多學(xué)科多目標拓撲優(yōu)化設(shè)計方法研究)提供了經(jīng)費支持，在此一并致謝!

[1] 吳師.現(xiàn)代有軌電車軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法及設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[2] 巫偉軍.有軌電車系統(tǒng)特點及應(yīng)用前景研究[J].鐵道標準設(shè)計，2007(8)：122-125.

[3] 張繼科.便攜式軌道幾何檢測系統(tǒng)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[4] 楊成寬.GEDO CE軌道檢測系統(tǒng)在無砟軌道施工測量中的應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報，2009(3)：57-61.

[5] 魏世斌，劉伶萍，趙延峰，等.GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)[J].鐵道建筑，2011(11)：98-101.

[6] 胥燕軍，林紅松，王健，等.現(xiàn)代有軌電車軌道結(jié)構(gòu)綜述[J].鐵道標準設(shè)計，2014，58(7)：58-62.

[7] 胥燕軍，林紅松，王健，等.現(xiàn)代有軌電車軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)研究[J].鐵道建筑，2014(11)：174-177.

[8] 陳麗娟.非接觸軌距檢測系統(tǒng)設(shè)計[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[9] 丁靜波.現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)軌道工程關(guān)鍵技術(shù)研究[J].鐵道標準設(shè)計，2015，59(8)：22-25.

[10] 車洪麒，張素輝.非標準機械設(shè)計實例詳解[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[11] 羅麗萍，盧俊，朱洪濤，等.實現(xiàn)軌距水平直接測量的軌檢小車新結(jié)構(gòu)研究[J].鐵道標準設(shè)計，2014，58(7)：35-38.

[12] 黃志新.ANSYS Workbench 16.0超級學(xué)習(xí)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2016.

[13] 植立才，楊雪榮，成思源，等.新型軌檢小車整體車架結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[J].鐵道標準設(shè)計，2015，59(8)：59-61.

[14] 張碧濤，何衛(wèi)鋒.一種包裝堆垛機械手的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].包裝工程，2017，38(7)：142-145.

[15] 宮玉林，馬雅麗，趙宏安，等.基于拓撲優(yōu)化的加工中心十字滑臺結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2012(1)：10-12.

[16] 譚鑫，趙延峰，陳春雷，等.一種用于高速綜合檢測列車的軌道檢測梁：中國，CN 203111183 U[P].2013-08-07.