鐵軌無損檢測平臺設計

鐵軌無損檢測平臺設計,鐵軌無損檢測平臺設計,鐵軌,無損,檢測,平臺,設計 摘要 進入二十一世紀，我國經濟飛速發(fā)展，工業(yè)化程度大大加深，軌道交通由于其載力大，速度快，占地面積小等特點，契合我國的人口密度和基本國情，逐步發(fā)展成了我國的主要交通運輸方式，也是我國基礎建設的重點項目。鐵路受到車輛車軸上的速度和載荷的恒定增加以及焊接鐵路軌道中的應力的恒定增加的影響而產生缺陷，如果不采取恢復措施，缺陷可能惡化，最終可能發(fā)展成完全的軌道斷裂，這是造成列車脫軌的主要原因。所以研究一種高效，準確，經濟的鐵軌探傷手段勢在必行。 本課題主要研究鐵軌無損檢測平臺，利用無損檢測技術對鐵軌進行損傷檢測，其主要設計內容針對無損檢測現狀，無損檢測的發(fā)展等內容的研究：對無損檢測平臺的結構進行方案和總體設計，計算與確定，設計方案提高無損檢測質量。 最后，繪制無損檢測平臺平面圖與三維模擬圖，對無損檢測平臺進行分析，撰寫課題說明書。 關鍵詞：無損檢測；平臺；鐵軌；設計 II Abstract In the 21st century, China's economy has developed rapidly, its industrialization has deepened greatly, and rail transit has gradually developed into China's main mode of transportation due to its large loading capacity, fast speed, and small land area. It is also a key project in China's infrastructure construction. The railway is affected by the constant increase in speed and load on the axle of the vehicle and the constant increase in stress in the welded railway track. If no recovery measures are taken, the defect may deteriorate and may eventually develop into a complete orbital fracture. This is the main reason for the derailment of the train. Therefore, it is imperative to study an efficient, accurate and economical means of track detection. This topic mainly studies the non-destructive testing platform for railroad tracks, and uses non-destructive testing technology to detect damage to railroad tracks. Its main design content is based on the current status of non-destructive testing and the development of non-destructive testing. The structure of the non-destructive testing platform is studied: the scheme and the overall design are carried out. Calculation and determination, design scheme to improve the quality of nondestructive testing. Finally, draw the floor plan and three-dimensional simulation map of the nondestructive testing platform, analyze the non-destructive testing platform, and write a project description. Key words: non-destructive testing; Platform; Rail tracks; design 目 錄 摘要 I Abstract II 1. 緒論 1 1.1. 課題研究背景及意義 1 1.2. 超聲波檢測簡介 1 1.3. 國內外列車發(fā)展狀況 2 1.4. 國內外無損檢測發(fā)展 4 1.4.1. 國內軌道檢測發(fā)展 5 1.4.2. 國外發(fā)展情況及應用 5 1.5. 課題所研究的內容 5 2. 無損檢測平臺整體方案設計 8 2.1. 無損檢測平臺參數要求 8 2.2. 無損檢測平臺總體方案設計 9 2.3. 無損檢測平臺傳動方案的設計 10 3. 無損檢測平臺機械結構設計 13 3.1. 無損檢測平臺車架設計 14 3.1.1. 電機選型計算 15 3.1.2. 動力電池選型計算 18 3.2. 無損檢測平臺參數校核 18 3.2.1. 底盤校核計算 18 3.2.2. 座椅校核計算 19 3.2.3. 計算無損檢測平臺偏載 20 3.2.4. 聯(lián)軸器剪切強度校核結算 24 4. 無損檢測平臺探傷系統(tǒng)設計 25 4.1. 無損檢測平臺探頭選擇 25 4.2. 探輪隨動機構設計 25 5. 電路控制部分的設計 29 5.1. 設計控制電路應遵循的原則 29 5.2. 控制電路的設計步驟 29 6. 總結 31 7. 致謝 32 8. 參考文獻 33 III 1. 緒論 1.1. 課題研究背景及意義 隨著我國經濟快速發(fā)展，交通運輸流量需求大大提高，軌道交通由于其載力大，速度快，占地面積小等特點，契合我國的人口密度和基本國情，逐步發(fā)展成了我國的主要交通運輸方式，成為人們出行的主要選擇途徑。一般速度的鐵路現在在我們國家已經超過了十二萬公里，高鐵的公里數也已經超過了兩萬，當鐵軌列車在軌道上以很快的速度行駛時，如果出現緊急情況，工作人員根本沒有時間去考慮應對措施或者改變情況；而且鐵道線路、機組車輛等都是通過長時間的人力物力財力才能構成的，花費非常非常大，而且鐵路運輸又是一個載力非常大的交通運輸方式，一旦發(fā)生意外，不僅會造成巨大的環(huán)境破壞、人員損傷和資產損失，而且運輸中斷將影響道路網絡，擾亂運輸秩序，破壞社會生產和運輸的整體運營，造成惡劣的社會影響。 截至目前中國的鐵路運營總長度接近七萬公里，對于軌道，重要的部分是鋼軌，這部分承擔著列車的所有重量，無論是強度還是狀態(tài)對列車運行都是安全的，并且穩(wěn)定性受到很大影響，鐵路受車軸速度和載荷的不斷增大以及鐵路軌道應力不斷增大的影響，很多鋼軌從鋪設開始到現在都沒有進行過更換，經歷了多年的運輸工作，絕對會產生大量損壞。在鐵路中存在著許多類型的缺陷，其中有明顯的外部損失，可直接觀察到的損傷，，如列車車輪運輸量大對鐵軌內側造成損傷，列車經過軌道交接處時由于應力載荷的影響對軌道交接處的破壞，鋼軌自身生產工藝影響，在長時間服役后脫落，鋼軌出現缺口被雨水侵蝕等等，而且在鋼軌內部有大量損壞，不能直接觀察，當列車運行時，鋼軌會塌陷，側磨情況等不斷損壞鋼軌。如果鐵路線路斷裂，事故非常巨大，會影響乘客的生命，如果能及時發(fā)現和修復軌道缺陷，就能夠減少這一地區(qū)的事故，保證鐵路交通安全。 如果能開發(fā)一種新型低能耗高效率而且方便的無損檢測設備，就能大大提高鐵路系統(tǒng)危險性排查，為乘客安全帶來保障。 1.2. 超聲波檢測簡介 隨著鐵路系統(tǒng)的日漸完善，高效率靈活的探傷方式已經成為今后發(fā)展趨勢。大型的多功能探傷車與小型人工手推探傷車是現在的主要應用手段，大型檢測車結構復雜，成本高，人工手推探傷車檢測效率低。因此，需要開發(fā)一種靈活便捷的超聲探傷系統(tǒng)，可以對鐵軌缺陷進行準確且高效地檢測，確保鐵路安全高效運營。 超聲波是遵循聲波傳播原理的機械振動波，能量要遠遠大于聲波，在物體中傳播會不停的衰減，能量不斷減少，也會發(fā)生分散，但是能量減少的較少，所以能傳播較遠的距離，這點聲波是做不到的，如果遇到非均勻的物體，超聲波會反射，或者折射。 超聲波探傷是通過超聲波探傷儀器反射脈沖信號，經過超聲波換能器，將脈沖信號轉換成超聲波信號，超聲波信號再通過探頭發(fā)射至需要檢測的物體表面時，會發(fā)生反射和折射，這些超聲波回波再被超聲波換能器檢測，將回波轉換成脈沖回波反饋給超聲波探傷儀，超聲波探傷儀通過處理回波來判斷損傷的程度，尺寸和位置超聲波檢測有超聲波穿透法、超聲波脈沖反射法、超聲波串列法等檢測方式，本文所研究的無損檢測探傷系統(tǒng)就是通過脈沖反射法為主要檢測思路。 近年來無損檢測技術不斷發(fā)展，但是檢測方式還是離不開靴式探頭和輪式探頭。靴式探頭就是通過很多分開的的超聲波探頭來進行檢測，探頭的表面和鋼軌所在的平面處在相對平行狀態(tài)。當無損檢測平臺運行時，無損檢測設備發(fā)射脈沖信號，通過超聲波換能器將脈沖信號轉換為超聲波信號，超聲波信號通過探輪進入耦合水層，最后進入鋼軌內部，鋼軌內部反射的信號返回探頭經過換能器將結果反饋給無損檢測設備，從而實現鋼軌內部損傷的檢測?；ナ教筋^的優(yōu)點是結構簡單，成本較低。但也存在下的缺點：不容易實現良好的耦合，易產生水泡，過鋼軌接頭困難，過道岔困難，用水量大及檢測速度慢等，難滿足本項目快速及長時間檢測的要求。 1.3. 國內外列車發(fā)展狀況 (1)法國高鐵的發(fā)展過程 當今世界，最開始著手將火車速度提高的國家就是法國，在1955年的時候，法國的火車最高時速就達到了330km/h，不管是技術上，經濟上都很厲害的，這四十年來，法國的高鐵技術一直都是世界上最先進的。 法國的高鐵起步于上世紀八十年代，在1990年的時候，TVG的高鐵運行速度達到每小時五百一十五點三公里，在1990年的時候，又建成了地中海高鐵線路，火車在運行的時候，速度可以達到每小時三百五十公里，法國還擁有雙層火車，時速可以達到每小時三百公里，現在已經研究出來速度更高的火車，時速可以達到每小時三百五十公里。 1993年的時候，TVG北方線開始運行，整個長度達到三百三十三公里。北方縣有兩個支線，是一個相當重要的國際路線。 (2)德國高鐵的發(fā)展歷史 1986年開始，德國對高鐵開始進行研究，在1986年的時候德國將ICE開始進行運行，要想在整個歐洲進行使用，ICE發(fā)展到第三代的時候，它不需要使用動力車頭。將動力分散到火車的每一個車輪的上面，每一個車廂向前推動的時候力量都是一樣的，耗費一樣的時候，這個火車的穩(wěn)定性，動能還有爬坡能力都是非常強大的。在這個技術基礎上，德國人有研究了兩種擺式火車，一種是ICE-T，還有一種是ICE-TD，這兩種火車的主要發(fā)展目標是為了讓火車在拐彎的時候保持車子的速度是平均的，能夠很好的在彎道比較多的地方行走，這個火車上有他們專有的車體傾斜技術，這樣就算是彎道再多，彎道再急，他在進行拐彎的時候車子的速度更快。 (3)中國高鐵的發(fā)展歷史 中國的鐵路發(fā)展到今天已經超過一百年了，新中國建立之后，到現在發(fā)展了五十多年，發(fā)展過程經歷的困難是非常多的，在這段時間里面，我們國家的鐵路從小到大，從少到多，從以前的弱變到現在的強大，雖然有失敗，有坎坷，但是我們一直在吸取教訓，一直在積累經驗，所以才有了今天的規(guī)模。 我國也在這些年里不斷摸索進步，不斷改進學習，發(fā)展成了現在這樣的鐵路格局，在上世紀七十年代到八十年代這段時間里面，我們國家的鐵路進到了更新的發(fā)展階段。路線更新，方針更新的情況下，國家有政策進行引導，鐵路行業(yè)的發(fā)展是相當快的，技術也是一直在進行提升的。 鐵路要想適應現在這個發(fā)展這么快的社會，速度要提高才是最大的技術要求。不管是日本還是法國這些發(fā)達國家，世界上很多國家都開始對高鐵進行建設。特別是上世紀九十年代到現在，很多歐洲國家開始建設高鐵鐵路，在亞洲，北美，日韓國家都開始對鐵路進行大規(guī)模的研究，大規(guī)模的建設。 現在世界上擁有時速超過兩百公里火車的國家有日本，有法國，現在對這種火車進行大規(guī)模建設的國家有中國，韓國，還有瑞士等等。 上世紀1994年的時候，我們國家在廣州建成了我們國家第一條高鐵線路，并且賣票進行運營，當時的火車時速達到每小時一百六十公里到兩百公里，在技術上的提升是很大的，之后還進行大力的研究和開發(fā)，對于我們國家來說，這是研究高鐵的起點。 在2003年的時候，我們國家從秦皇島到沈陽的高鐵開始正式賣票進行運行，在建設了這條高鐵線之后，運營一段時間之后，找到了一條適合我們國家實際情況的技術標準，還有建設的辦法，管理的經驗等等，希望到2020年的時候，我們國家能夠具備非常完善的鐵路系統(tǒng)，這樣可以很好的提升我們國家的鐵路運營狀況，滿足現代化發(fā)展的需要。 1.4. 國內外無損檢測發(fā)展 鐵軌作為軌道交通的主要實現載體，在運行過程中一直受到列車運行的各種外力持續(xù)作用，會使鐵軌出現各種不同的損傷缺陷，如果不采取恢復措施，缺陷可能惡化，最終可能發(fā)展成完全的軌道斷裂，這是造成列車脫軌的主要原因。所以對鐵路軌道進行定時的損傷排查是保證軌道交通秩序穩(wěn)定的必要措施?，F在我國主要使用大型檢測車（如圖1-1所示）檢測大型路段，一些比較小的路段使用小型手推式探傷車（如圖1-2所示）進行精準檢測，大型多功能探傷車雖然具有優(yōu)秀的檢測效率，但是我們國內沒有掌握相關的技術，所以只能從國外購買，但是昂貴的價格對這種檢測方式造成的極大的影響；小型手推式探傷車存在檢測速率低下，跟不上日漸發(fā)展的鐵路系統(tǒng)。近幾年高鐵線路加速發(fā)展，在嚴峻的情況之下也有很多相關項目攻克鐵軌檢測方面，但是沒有完全成熟所以沒有大規(guī)模量產。 圖 11大型軌道探傷車 圖 12小型手推式探傷車 1.4.1. 國內軌道檢測發(fā)展 基于我國的無損檢測技術，現在我國主要使用大型檢測車檢測大型路段，一些比較小的路段使用小型手推式探傷車逐步慢慢排查。 上世紀60年代，GTC-1 型小型手推式探傷儀第一次面世于武漢電子儀器廠。GTC-1 型小型手推式探傷儀器采用電子管，通過調頻連續(xù)探測，在很長的一段時間里，我國主要使用這種調頻式連續(xù)探傷小型手推式探傷儀投。但是由于技術的不成熟和信息不流暢，這類設備的缺點很快就暴露了出來，靈敏度低和定位偏差使得他早早的走下了歷史的舞臺，JGT-1至JGT-5系列探傷車為全晶體管化發(fā)射探測儀，也逐漸提高了檢測靈敏度，增大了可探傷范圍，整體設計也向著模塊化和輕量化發(fā)展， 我國的大型鋼軌探傷車起步于上世紀90年代，期初由于技術的 不成熟只能被迫從國外引進，2000年以來，我國大型鋼軌探傷車的運用技術逐漸成熟，到2010年12月，我國在役鋼軌探傷車共計有26臺，探傷總里程28.36萬千米，平均每輛探傷車年檢測里程超過1萬千米，遠超其他國家。高速鋼軌探傷車具有速度快，自動化程度高等特點，但是它不能檢測出全部損傷，所以需要與小型手推探傷車結合使用。小型手推式探傷車雖然很小巧，使用很便捷，檢測很細致，但是他由于技術的限制導致效率太低，而且無法檢測出所有缺陷。 1.4.2. 國外發(fā)展情況及應用 國外早在1970年左右就開始使用大型檢測車，并且超聲波檢測在損傷檢測靈敏度、損傷檢測速度、損傷檢測精準度、造價等方面都處在較合理水平，成熟的技術使得他們早已代替了小型手推式探傷車，成為鐵軌損傷檢測的主要方式。 北美、歐洲、日本等地區(qū)大多采用大型鋼軌探傷車，掌握核心科技并不斷提升，其他地區(qū)采用電磁感應和超聲波兩種方式，所搭載的探傷車有小型探傷車和大型探傷車兩種，速度為70km/h，采用電加熱和幫合劑的方式在冬天進行探傷工作，正常作業(yè)速率要小于最大速率，一些亞洲國家及澳大利亞的探傷設備主要通過國外引進，每年的檢測行程可達2000-3000km，作業(yè)方式為停頓式作業(yè)。 1.5. 課題所研究的內容 本課題旨在開發(fā)一款無損檢測平臺，根據功能要求和課題研究目標，該檢測平臺應具備如下特性： （1）輕量化，本課題的研究目標是設計一款最大載重量為500kg，總重少于240kg的無損檢測探傷車，可供四人乘坐，且可以在天窗時間的快速上下線進行軌道探傷。 （2）模塊化，探傷車為了滿足實際使用需求，減少上下軌，工作人員拆卸安裝車體的時間、制造工藝、外觀等因素，必須以模塊化思想為核心設計檢測平臺，使得產品更便于實際使用。 （3）平穩(wěn)性，首先運行平穩(wěn)是對工作人員的安全保證，其次也是提高檢測質量的核心要素。 （4）成本低，提高性價比，向著量產化發(fā)展是無損檢測平臺的目標，所以成本是必須考慮在內的重要因素。 （5）探測準確性，鐵軌探傷車在軌道運行時，存在軌頭接口處或過彎時，車體會發(fā)生偏移，影響探頭方向、角度或距離，導致探頭無法完全檢測到全部缺陷，影響檢測質量，所以必須具備相應措施來解決此核心問題。 根據以下要求，擬定從以下幾個方面進行設計： （1）結合輕量化、模塊化、穩(wěn)定性等特點進行探傷小車的三維建模，完成本文無損檢測平臺的總體結構設計； （2）為了保證探傷準確性和穩(wěn)定性，必須設計探輪隨動裝置，保證探輪在 X,Y,Z三個平面內可以根據軌型，運行情況等能夠與軌面保持對中狀態(tài)。 研究路線如下： (1)查閱資料，確定小車總體方案設計，結合探傷小車所要匹配的一些性能，以檢測設備高效化、輕量化、模塊化等為指標，結合實際鐵軌檢測使用情況，平臺必須具有高效、方便搬運，方便拆卸等特點。最后結合目前市面上所使用的探傷設備及鐵路維護部要求進行電機校核計算、選型。 (2)向車體設計經驗豐富的老師請教，咨詢一下車體運行過程中出現的問題和解決方案，同時向導師征求自己提出的試驗方案的合理性和可行性。 (3)考慮承重、運行平穩(wěn)，防震等特點結合機械設計合理設計車體物理結構，注意產品化和使用方便性等方面的要求。 (4)考慮鐵軌縱向裂紋長度與超聲波頻率計算小車探傷速度，并合理設計探傷系統(tǒng)。 (5)考慮在過彎道時因隨動機構缺少相應自由度導致與軌道動態(tài)貼合狀態(tài)不良好，出現彎道檢測不穩(wěn)定等情況,考慮三個方向設計探頭隨動裝置，保證探頭與軌面在對中良好,準確檢測缺陷 (6)通過CAD進行建模 33 2. 無損檢測平臺整體方案設計 2.1. 無損檢測平臺參數要求 表 21無損檢測平臺參數要求 無損檢測平臺參數要求 人員配置 每臺雙軌探傷儀上道作業(yè)需配備人員4名（作業(yè)負責人1名，探傷檢測員1名，機械操作員1名，現場防護員1名）； 平臺重量 整體重量小于240kg 走行要求 無損檢測平臺為操控自走式 最高檢測速度 最大運行速度小于20km/h 電池要求 續(xù)航路程不能小于60千米或者連續(xù)運行時間不少于4小時； 承重要求 無損檢測平臺必須考慮工作人員重量與各式儀器 偏載與靜態(tài)減載率 整體無偏載情況，在平臺處于175mm超高情況下，靜態(tài)減載率≤0.65； 車體強度 強度符合承載要求，撓跨比≤1/150； 車輪參數 無損檢測平臺的車輪踏面為LM形 車輪材料要求 車輪接觸材料采用聚氨酯制作，長時間的運行不會對車輪造成太大損傷，材料性能應滿足各項檢驗要求，車輪為絕緣結構且絕緣阻值>1MΩ； 耦合水量 耦合水箱總容量≥100L，方便更換與添加； 照明要求 前后安裝指示燈，可以晚上作業(yè)； 表 22無損檢測平臺探輪系統(tǒng)整體要求 無損檢測平臺探輪系統(tǒng)整體要求 數據處理能力 具備A型、B型掃查探傷數據實時處理、顯示、標記、存儲、回放功能。具備閘門內A型掃查信號數據輸出存儲功能；（此閘門內信號數據可通過離線的數據回放軟件回放查看） 檢測穩(wěn)定性 運行過程中可應對過彎，超高，車輛蛇形運動等情況，能獲得較為穩(wěn)定的檢測結果 表 23鋼軌參數 鋼軌參數 軌距 1435mm； 最大超高 175mm； 最小曲線半徑 160m； 最大坡度 33‰； 2.2. 無損檢測平臺總體方案設計 基于上述的無損檢測軌道探傷平臺的參數要求，課題需要對無損檢測進行總體方案設計，整體效果圖見圖2-1 圖 21無損檢測平臺效果圖 表 24無損檢測平臺部件及功能表 部件 功能 1 工控機 探傷界面顯示和數據處理 2 控制臺 控制小車行進與探傷 3 水箱 提供潤濕水 4 檢測設備 激發(fā)探頭與接收處理回波信號 5 走行輪 提供車體運行與平穩(wěn) 6 探輪及隨動裝置 輪式探頭，對鋼軌進行探傷 7 底盤 搭載發(fā)動機與驅動車橋 8 電池 為小車提供電力 擬解決關鍵參數： (1)在天窗時間內上下線的安裝關系到工作人員的安全，所以無損檢測平臺的設計必須輕量化，如果采用常用的碳鋼作為主材料將嚴重超重。整車設計的關鍵要素在于靈活輕便和模塊化。 (2)探輪運行過程中可應對振動，過彎，超高，車輛蛇形運動等情況，能獲得較為穩(wěn)定的檢測結果。 擬解決方案 (1)小車車架采用鋁合金6061-T6材料，材料密度、楊氏模量E均約為鋼的1/3，能大大減輕車體重量，符合輕量化設計思路，但是采用鋁合金，必須保證鋁合金結構的強度和形變量，這就對焊接工藝和精度控制有著很高的要求，這個材料在進行加工的時候，性能是非常好的，焊接特征也很不錯，還有電鍍性也是非常好的，韌性是很高的，進行生產之后不會出現形狀的改變，還有氧化效果很好等等。無損檢測平臺車架與底盤設計參照《機械設計手冊》。 根據表25，取密度ρ=2.71g/cm3、楊氏模量E=72GPa。 表25材料參數對照表 密度 g/cm3(t/m3) 楊氏模量 Gpa 碳鋼 7.3-7.85 206 鑄鋼 7.8 202 6061-T6鋁合金 2.71 72 (2)為探輪設計隨動對中的機械系統(tǒng)，目前國內無損檢測平臺大多額外設置伺服電路系統(tǒng)來控制探輪按照運行情況進行軌面對中，但是機械結構大多使用彈簧進行自由度的添加，彈簧由于其彈上阻尼的影響很難立刻相應伺服系統(tǒng)的脈沖信號，尤其是在無損檢測平臺高速運動的時候這個缺陷尤為明顯。 所以本課題擬設計一種靜止時可手動或電動調整對中，平臺運動時可實現自行調整對中的機械結構。 (3)無損檢測平臺平臺在運行過程中受到振動大大影響檢測效果，因此車體必須安裝減震系統(tǒng)，減震系統(tǒng)一般采用彈簧結構，但是考慮到上下線安裝拆卸的方便程度及安裝空間的大小限制，減震系統(tǒng)可以不采用彈簧結構，直接用橡膠墊防震去除高頻振動。 2.3. 無損檢測平臺傳動方案的設計 傳動系統(tǒng)是整體機械結構內非常重要的部分，他是處在發(fā)動機與驅動車橋之間的配合裝置，為整個無損檢測平臺的走行提供動力輸出，也通過聯(lián)軸器或者其他傳動改變轉速來適應運行，改變扭矩適應軸承承受能力，甚至可以改變運動形式，傳動裝置不同的性能、尺寸、質量和成本對設備的運行有很大影響，因此應合理地擬定傳動方案。 通常的試驗機采用的傳動方式有蝸桿傳動、鏈傳動、齒輪傳動以及帶傳動等，由于無損檢測平臺的工作有一定要求而且也受到環(huán)境的影響，所以必須進行一定的篩選。 鏈傳動：在兩個或者兩個以上的鏈輪之間通過鏈條連接的一種傳動方式。這種傳動方式同樣有穩(wěn)定的傳動比和較大的功率以及效率。相較于齒輪傳動，它的傳遞距離遠，電機和動載室的距離將不成問題，但是鏈傳動同樣會受到傳動軸的持續(xù)沖擊，也會面臨打滑的麻煩，而且鏈條在沖擊之下比齒輪更加容易磨損，使用壽命較短。最為關鍵的是，鏈條磨損后會導致節(jié)距擴大，然后脫落。所以，鏈條傳動不適宜作為無損檢測平臺的傳動方式。 帶傳動：通過皮帶傳動電機轉速的一種傳動方式。這種傳動方式整體構造簡易，傳動平穩(wěn)且噪聲小，但是其長時間運行后輪帶會松弛導致起步走轉，因此不適合用作無損檢測平臺的傳動。 齒輪傳動：齒輪傳動是很常見的傳動方式，齒輪傳動的傳動穩(wěn)定而且功率大，效率好，齒輪的使用壽命一般也很長久，傳動效率也是傳動方式中最高的，機械穩(wěn)定也可以保證傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性，適合作為無損檢測平臺的傳動裝置，大致運動簡圖如圖 22所示。 圖 22傳動裝置運動簡圖 表 26傳動裝置運動部件 序號 名稱 1 后走行輪 2 減速器 3 齒輪 4 聯(lián)軸器 5 電動機 6 前走行輪 如表 26所示后走行輪為驅動輪，帶動無損檢測平臺運動，減速器能改變電機的扭矩和轉速，齒輪構成減速器來傳動扭矩，聯(lián)軸器連擊電機和減速器，電動機為整體系統(tǒng)提供動力，前走形輪為從動輪。 3. 無損檢測平臺機械結構設計 對于無損檢測平臺進行機械設計的時候，要將事先設定好的使用要求進行滿足，還有用起來要方便，并且工作時候非常安全，可靠性要高，體積不能大，質量小，工作效率高，產生的噪聲小等等，這些都是進行機械設計所需要的。設計時候的經濟型需求：設計的車體一定要經濟性好，在生產還有使用的時候，在對車體進行設計的時候考慮的要全面一些。在進行設計的時候，對它的功能，還有用的時候的需要，結構等等都要合理，符合要求。 本課題所研究的是無損檢測平臺，首先必須符合鐵道部生產上線規(guī)定要求，在此基礎上以輕量化，模塊化為主要思想設計結構，無損檢測平臺承載的功能非常多，就必須有很大的承載體積。首先考慮無損檢測平臺的構造材料和結構，傳統(tǒng)車體使用碳鋼結構大大超重，因此必須減輕小車的重量與體積，比大型鋼軌探傷車更加輕便，在鐵軌檢測方面更上一層樓；其次，因為無損檢測平臺是在室外工作的，環(huán)境相對來說比較惡劣，不僅受冷熱影響，還有各種惡劣天氣，不同地段的軌道環(huán)境也相差很大，為了擴大鋼軌探傷儀的使用范圍，這就要求無損檢測平臺要堅固耐用，具有穩(wěn)定的承載結構；再者，運行時間必須要長，因為無損檢測平臺是常用檢測設備，并且在探傷時可能經常發(fā)生碰撞和震動，因此要保證無損檢測平臺的耐用性，提高無損檢測平臺的性價比。 根據探傷系統(tǒng)的要求，無損檢測平臺主要分為：小車車架、椅子、水箱、電池、底盤、探輪及隨動系統(tǒng)、無損檢測裝備。 小車設計最高時速為25km/h，續(xù)航能力達60km。車輛采用模塊化設計，可承載4人，隨乘人員可對其在5分鐘內安裝或拆解完畢。小車在天窗時間內能同時對線路上兩股鋼軌進行超聲波探傷檢測，適用于普速和高速線路。其整體效果圖如圖3-1所示 圖 31無損檢測平臺整體效果圖 3.1. 無損檢測平臺車架設計 小車車架是整個無損檢測平臺最大的部分，他負責承載無損檢測平臺大部分功能部件，同時也連接了底盤，決定了無損檢測平臺的主體形狀，構成了無損檢測平臺的基本輪廓，是判斷小車是否靈活輕便，美觀實用的主要依據 車架的底座樣式采用板式樣式，板式樣式結構穩(wěn)定，強度大，堅固耐用，能夠承載較大載荷；板式結構加工難度小，便于批量生產車架的上框采用空心管型結構，管型結構美觀大方，而且與其他形式相比，管型結構是最節(jié)約材料的，也符合輕量化設計的核心思想。 設計主要細節(jié) (1)無損檢測各部分要方便天窗時間內上下線的拆卸和安裝，所以各部分之間的連接必須方便且牢靠，座椅與車架采用打孔連接，非常方便上下線的定位拆卸安裝，也易于分開加，如圖3-2所示。 圖 32無損檢測平臺座椅設計細節(jié) (2)車架設置U型槽方便連接底盤時定位，兩邊各設置兩個卡口懸掛探輪系統(tǒng)，如圖3-3所示。 圖 33無損檢測平臺卡口設計細節(jié) 3.1.1. 電機選型計算 電機作為為無損檢測平臺提供動力的核心部件，必須對其進行選型計算，保證電機能為無算檢測平臺提供問題的動力，所以它的安全性要好，經濟性要高，工作時候可靠性好；要是電機選的不對，不好的情況是會有浪費，嚴重的話機器都被燒掉了。在選電機的時候要注意它的一些因素，比方說電壓，頻率，轉動速度等等電機在選擇的時候不光要從這些方面來看，還要看它的功率，看他的速度這些關鍵性的因素。 （1）電機功率 <1>計算最高車速確定的最大功率 根據車輛的功率平衡方程式，有： Pmax1=Vmax3600η(m?g?f+CD?A?Vmax221.15） （kw） （3-1） 式中 Pmax——表示發(fā)電機的最大功率 Vmax——表示無損檢測平臺的最大運行速度 η——表示無損檢測平臺的傳動效率 m——表示無損檢測平臺的質量 g——表示重力加速度 f——表示滾動阻力系數 Cd——表示風阻系數 A——表示迎風面積 因為無損檢測平臺最大運行速度速不小于25Km/h，傳動系效率為0.95，質量為700Kg，滾動阻力系數為0.015，風阻系數為0.315，迎風面積為1.5㎡。 因此計算得出電機在最高車速下的驅動功率為0.86Kw <2>根據爬坡性能確定的最大功率 Pmax2=Vi3600η(m?g?fcosαmax+m?g?sinαmax) （kw） （3-2） 式中 α——表示爬坡度 其中無損檢測平臺爬坡速度為15Km/h，傳動系效率為0.95，，滾動阻力系數為0.015，爬坡度為3.3%，考慮到坡度不大的情況下，cosα=1，sinα=tanα。因此計算得出電機在以15Km/h，3.3%爬坡時的驅動功率為1.45Kw <3>根據加速時間確定的最大功率 無損檢測平臺起步加速過程可以按下式來表示： v=vm(ttm)x (km/h) （3-3） 式中x——表示擬合系數，一般取0.5左右 Tm——表示起步加速過程的時間 Vm——表示起步加速過程的末車速 Pmax3=13600η(δ?m?vdvdt+m?g?f?v+CD?A21.15v3) （3-4） 整車在加速過程的末時刻，動力源輸出最大功率，此時速度為25Km/h，旋轉質量換算系數為1.1，加速時間為10S，，擬合系數x取0.5。 綜上所訴，電機的最大驅動功率應滿足： Pmax≥max?(Pmax1，Pmax2，Pmax3) （3-5） 則有：最大功率為1.4Kw，取過載系數為1.2，因此額定功率為1.16Kw。輸入1.45wk (2)電機最高轉速 車輪轉速及轉矩公式如下： n=v?i0.377?r (rpm) （3-5） n=25*1/0.377/0.15=300rpm 電機轉速公式如下： N=n*i （3-6） 無損檢測平臺最高運行速度為25Km/h，走行輪的運動半徑為0.18m。 (3)電機最大轉矩 T=9550Pn(Nm) （3-7） T=9550*1.500/300=47.8Nm (4)電機的基數、額定轉矩 電機符合基速以下恒轉矩，基速以上恒功率，所以在基速時，電機處在最大功率和最大轉矩狀態(tài)。根據以下公式： n0=9550PmaxTmax （3-8） T0=9550P額n額 （3-9） 經過計算，電機額定轉速為500pm，電機額定轉矩為32.8Nm。 綜合考慮以上計算結果，確定無損檢測平臺正常運行所需求的電機參數（經減速器后）如所示： 表 31無損檢測平臺發(fā)電機參數 額定電壓 額定功率 額定轉矩 最大轉矩 額定轉速 最高轉速 暫定60V 1.500kw 47.8Nm 320Nm 4000rpm 4500rpm（空載） 3.1.2. 動力電池選型計算 根據本課題無損檢測平臺的工作要求需要，無損檢測平臺運行時的參數必須滿足： （1）.無損檢測平臺最高速度≤20Km/h； （2）.無損檢測平臺最大爬坡度≤33‰； （3）.無損檢測平臺能保持20Km/h勻速行駛下的續(xù)駛里程大于60Km或能續(xù)航4小時； 無損檢測平臺依靠電池實現對鐵軌的無損檢測和無損檢測平臺的運行，所以整體無損檢測平臺能夠運行的時間的里程完全取決于電池的性能，一般電機所需的電壓為60V，以此計算電池容量： 1500w*4h/60v/0.8=125AH 考慮到電機不是一直以最大功率工作，故電池選120AH 表 32無損檢測平臺電池選型 電池容量 電池組電壓 電池能量 120AH 60V 7.2kw.h 3.2. 無損檢測平臺參數校核 無損檢測平臺能夠平穩(wěn)的運行，首先是必須滿足各種情況下打的參數要求，所以本節(jié)對無損檢測平臺進行總體的參數校核，保證各部分能夠滿足運行的基本需求，保證運行的安全性。 3.2.1. 底盤校核計算 小車底盤為鋁合金矩形管骨架結構，選用4根60*40*2.5的鋁合金管做前后向支撐，其慣性矩22.069cm，慣性半徑2.20cm，小車座椅選用圓形鋁合金管∮20*3的鋁合金管焊接鋁合金座椅，因此可看做簡支梁模型計算強度和撓度。 (1)分析底盤載荷分布 底盤由四根鋁合金管組成，計算得： P1=600N 耦合水總重100KG，水箱忽略不計，計算得： P2=980N 電池總重60KG，計算得 P3=588N 假定工作人員人均重量加上工作工具為90KG，計算得 P4=1764N P5=1764N 所以總載荷為： P=600+980+588+1764=3932N 分析得每根鋁合金管所承受的載荷為 P單=983N (2)計算校核底盤彎矩 由彎矩計算公式: M=Px2=P14 （3-10） 得 M單=1.23858kN.m/4=0.309kN.m 根據彎矩公式計算每根鋁合金管的剪切強度 =0.309×106/540.8=565.75N/mm2=56.6kN/CM2 所以每根鋁合金管的剪切強度小于55.2MPa=552kN/CM2,符合使用需求。 (3)計算底盤撓度 首先考慮底盤的載荷分布狀態(tài)，當載荷作用于底盤中間時，底盤的撓度最大。 根據撓度計算公式: fc=fmax=pl348EI （3-11） 將載荷p=（100+160）*9.8N帶入，得 V=（260*9.8*1260^3/4）/48EI=0.83mm 遠小于允許撓度差為1260/150=8.4mm,符合使用需求 3.2.2. 座椅校核計算 無損檢測平臺的座椅由鋁合金管組成，所以本小節(jié)對座椅的強度和撓度進行校核計算，保證工作人員的作業(yè)安全。 (1)分析座椅載荷分布 座椅是鋁合金管組成的，但是分布在作為四周，可以忽略不計，所以： P1=0N 假定工作人員人均重量加上工作工具為90KG，計算得 P2=1764N (2)計算座椅彎矩 根據彎矩計算公式: Mmax=n2-124nPl （3-12） 計算得： M=15*220*1.075/24/4=37N·m 計算拉應力為： =0.037×106/207.24=178.54N/mm2=17.85km/cm2 因此座椅的彎矩強度小于55.2MPa=552 km/cm2，，符合使用需求 (3)計算座椅撓度 首先考慮底盤的載荷分布狀態(tài)，當載荷作用于底盤中間時，底盤的撓度最大。 根據撓度計算公式: fc=fmax=n4+1384n3EIPl3 （3-13） 將荷載p=1764/2/4=220N帶入，得 V=0.6mm。 符合使用需求 3.2.3. 計算無損檢測平臺偏載 無損檢測平臺在運行過程中經常會遇到超高與上下坡的情況，所以必須對無損檢測平臺進行偏載及靜態(tài)減載率的計算防止車體側翻。 (1)分析水平狀態(tài)載荷分布 根據3.2.1得： P1=510N 耦合水量為100KG，計算得： P2=100*9.8=980N 電池組重量為300KG，計算得： P3=300*9.8=294N P4=300*9.8=294N 根據前方座椅和后方座椅的質量，計算得 P5=8.4*9.8=82.3N P6=50.5N 根據操縱臺和檢測電路質量，計算得： P7=71.5N P8=68.6N 無損檢測平臺底盤的受力簡圖如圖3-4所示，其中A為前橋，B為后橋，c為操縱臺和備電，及檢測電池受力點，d為后座、電池、檢測儀器受力點 圖 34小車底盤框架前后向受力簡支梁模型 在水箱空載時，根據扭矩平衡方程 P1l1+P2l2+…=0 （3-14） 模擬前橋的反作用力a，后橋的反作用力b 帶入載荷數據，得 （30+6+7）x9.8x0.12+ 1.26b=（0+8.4）x9.8*0.595+（30+8）x9.8x1.31 （30+6+7）x9.8x1.38+（0+8.4）*9.8x0.665=1.26a+0.05x（30+8）x9.8 解得： a=490.2N b=385.9N 根據反作用力與自身重力相加，得： M前=490.2/9.8+30=80.2kg M后=385.9/9.8+59=98.4kg 98.4-80.2=18.4 240x0.12=28.8 所以耦合水量空載情況下符合使用要求。 在耦合水量為1/4時，根據扭矩平衡方程 P1l1+P2l2+…=0 模擬前橋的反作用力a，后橋的反作用力b 帶入載荷數據，得 （30+6+7）x9.8x0.12+ 1.26b=（25+8.4）x9.8x0.595+（30+8）x9.8x1.31 （30+6+7）x9.8x1.38+（25+8.4）x9.8x0.665=1.26a+0.05x（30+8）x9.8 解得： a=619.5N b=501.6N 根據反作用力與自身重力相加，得： M前=619.5/9.8+30=93.2kg M后=501.6/9.8+59=110.2kg 110.2-93.2=17 265x0.12=31.8 所以耦合水量1/4情況下符合使用要求。 在耦合水量為1/2時，根據扭矩平衡方程 P1l1+P2l2+…=0 模擬前橋的反作用力a，后橋的反作用力b 帶入載荷數據，得 （30+6+7）x9.8x0.12+ 1.26b=（50+8.4）x9.8x0.595+（30+8）x9.8x1.31 （30+6+7）x9.8x1.38+（50+8.4）x9.8x0.665=1.26a+0.05x（30+8）x9.8 解得： a=748.8N b=617.3N 根據反作用力與自身重力相加，得： M前=748.8/9.8+30=106.4kg M后=617.3/9.8+59=122.0kg 122.0-106.4=15.6 290x0.12=34.8 所以耦合水量1/2情況下符合使用要求。 在耦合水量為3/4時，根據扭矩平衡方程 P1l1+P2l2+…=0 模擬前橋的反作用力a，后橋的反作用力b 帶入載荷數據，得 （30+6+7）x9.8x0.12+ 1.26b=（75+8.4）x9.8x0.595+（30+8）x9.8x1.31 （30+6+7）x9.8x1.38+（75+8.4）x9.8x0.665=1.26a+0.05x（30+8）x9.8 解得： a=878.1N b=733.0N 根據反作用力與自身重力相加，得： M前=878.1/9.8+30=119.6kg M后=733/9.8+59=133.8kg 133.8-119.6=14.2 315x0.12=37.8 所以耦合水量3/4情況下符合使用要求。 在水箱滿載時，根據扭矩平衡方程 P1l1+P2l2+…=0 模擬前橋的反作用力a，后橋反作用力b 帶入載荷數據，得 （30+6+7）x9.8x0.12+ 1.26b=（100+8.4）x9.8x0.595+（30+8）x9.8x1.31 （30+6+7）x9.8x1.38+（100+8.4）x9.8x0.665=1.26a+0.05x（30+8）x9.8 解得： a=1007.4N b=848.7N 根據反作用力與自身重力相加，得： M前=1007.5/9.8+30=132.8kg M后=為848.7/9.8+59=145kg 145-132=13＜340x0.12=40.8 所以水箱在滿載情況下符合使用要求。 綜上，總體設計符合靜態(tài)減載設計要求。 3.2.4. 聯(lián)軸器剪切強度校核結算 圖 35無損檢測平臺聯(lián)軸器示意圖 按照剪切強度來算銷釘的直徑： d=8KTπDmZτ （3-17） 銷釘的原材料用的是45號鋼，查看碳素鋼的有關材料，對它進行調質處理，銷釘的直徑要小于兩百毫米。 σb=637MPa，σs=353MPa，δs=17%，Ψ=35% 硬度可以達到217～255HBS 將銷釘的許用切應力算出來： τ=(0.7-0.8) σB=0.75*637=477.75MPa 載限制系數k值，查看表格確定是k=1.6 T=0.321N?m d=8×1.6×5783.14×12×1×477.75 （3-18） 確定d=5mm對于剪切強度的需要是能夠滿足需要的。 4. 無損檢測平臺探傷系統(tǒng)設計 4.1. 無損檢測平臺探頭選擇 探輪結構示意如圖所示，主要由超聲換能器組、線纜軸、法蘭輪、換能器安裝架、軸承及密封組件、耦合液、外膜以及其他附件組成，其中線纜軸上固定換能安裝架，超聲傳感器組安裝在安裝架上，法蘭盤可繞探輪線纜軸轉動。輪式探頭上安裝有柔性透聲外膜，外膜充當超聲傳感器和試件之間的耦合介質，如圖4-1所示。 圖 41探輪結構圖 4.2. 探輪隨動機構設計 目前國內超聲波探傷車主要采用伺服電路來控制探輪，實現探輪的三維運動以保證探頭能與軌面保持對中，確保檢測的準確度，而機械設計中最常用的連接方式為彈簧，在探測車處在高速運動狀態(tài)時，電路信號傳遞給探輪系統(tǒng)，而彈簧由于其彈上阻尼的影響不能及時反饋電路信號，導致信息與軌道狀況不一致，影響檢測位置與精度。所以本文采用機械隨動裝置，通過彈簧和導軌，使探輪可以在探傷過程中可以自動調整角度和位置使得探輪與軌面所在平面為平行狀態(tài)，靜止狀態(tài)時也可以通過手動調節(jié)。 (1)關鍵技術參數分析 a) 探輪隨動對中機構要求實現對探輪相對鋼軌位置進行調整。在靜態(tài)條件下，應能夠手動或電動調整對中，在無損檢測平臺運行時必須能自行調整角度與偏移。 b) 在檢測作業(yè)時，要求探頭與鋼軌保持對中，對中偏移量不大于4mm。 c) 在小車低速行經道岔時，要求對中機構能夠安全通過尖軌及有害空間。 d) 小車經過鋼軌交接處時若存在高度差要可以自動調節(jié)，保持探頭到軌面距離 (2)解決方案 a) 不同型號鋼軌的各尺寸參數有所不同，在每次進行探傷檢測作業(yè)之前，要針對鋼軌進行對中調整。對此，擬采用滑動副配合螺釘的調節(jié)形式實現調節(jié)功能。在需要進行對中調節(jié)時，松開滑動副側面的緊定螺釘，旋出一側的定位螺釘，再旋進另一側的定位螺釘，即可實現對中位置調節(jié)。 b) 若在小車行進中要保證探輪隨動對中，則需要有裝置時刻貼緊鋼軌側面，以帶動探輪隨動。對此，擬采用導輪結構實現此功能。導輪輪緣內側裝有耐磨片，在導輪運轉的過程中，耐磨片在壓緊彈簧的作用下時刻貼緊鋼軌內側。耐磨片拆卸方便，可定期更換。 c) 為防止小車經過道岔時內側對中機構導輪卡入鋼軌有害空間，擬設計具有絕緣材料摩擦塊的前后伸出的導向輔助機構，在導輪經過有害空間時，導向輔助機構能有效地抵住鋼軌內側，從而給導輪提供向內的支撐力使之不至受彈簧壓力落入有害空間。 (3)探輪隨動系統(tǒng)主要設計細節(jié) a) 探輪隨動結構最里層為T型件，通過T型件挖槽口可以懸掛在車架上，T型件與第二層的橫版通過兩個彈簧連接，上圖藍色部分即為彈簧，橫版帶動后續(xù)組件由于此部分的自由度影響，可以在無損檢測平臺運行過彎時，使探輪系統(tǒng)可以在平行于軌面平面內運動，如圖4-2所示； 圖 42T型板與橫版設計細節(jié) b) 橫版與兩滑動副外殼通過彈簧連接，滑動副外殼及其后續(xù)組件由于此自由度的影響，可以在無損檢測平臺運行中遭遇高度差時，使探輪系統(tǒng)可以在豎直方向內運動； 圖 43探輪系統(tǒng)效果圖 c) 滑動副外殼與探輪導向裝置通過滑動副連接，可以根據軌型不同在靜態(tài)時調整距離，若使用彈簧，在運行過程中會導致左右位移量不統(tǒng)一； d) 導向輔助機構通過最外層白色導向探頭，運行時貼近軌面內面，與導向輪配合，可以實時調整探輪位置，而導向輪外側的刷子可以及時清理軌面狀態(tài)，防止異物損壞探輪。 5. 電路控制部分的設計 5.1. 設計控制電路應遵循的原則 1.設計控制電路的時候要注意以下幾點： （1）對于控制電路的要求，還有保護時候的要求盡量滿足 （2）首先要對生產工藝進行滿足，設計的這個線路不能復雜，經濟性要好，適合量產 （3）確?？刂频臅r候非常安全，非?？煽? （4）使用和檢修的時候非常方便 2.設計電氣控制系統(tǒng)要遵循的原則： （1）設計的時候對于控制要求和使用要求要盡可能的滿足 （2）只要符合控制要求和使用要求，控制電路的設計要盡可能的簡單便捷，經濟性好，安全性好，可靠性好 （3）在確定電氣零件的時候一定要合理，這樣才能保證系統(tǒng)工作正常 （4）能夠滿足工藝需求 5.2. 控制電路的設計步驟 1、按照需要將設計任務制定下來。 2、在對電路設計的時候，按照拖動要求來進行： （1）不管是對哪一臺電機進行控制，按照它容量的大小，還有拖動時候的載荷來進行，選用合適的啟動線路。 （2）將轉動方向控制的辦法確定下來。 （3）按照電動機的工作，確定是不是要設置過載保護裝置。 （4）按照拖動載荷，還有工藝需要，確定是不是需要進行制動，控制怎么樣進行。 （5）在電路里面設置一個短路保護裝置。 3、設計控制回路的時候按照主電路的控制要求來進行： （1）將電路電壓的類型，還有具體大小確定下來。 （2）將控制步驟畫出來。 （3）在控制電路里面將短路保護裝置設計出來。 （4）按照拖動的需要，有特別需要的將控制部分設計出來。 （5）進行檢查，修改，完善的工作。 4、設計工藝的過程： （1）按照電氣裝置的總結構，還有電氣零件的布局，還有用的時候按照需要將電氣零件進行分類，將電氣控制系統(tǒng)的圖紙都畫出來。 圖 51電路圖 （2）按照電氣零件的型號，外部形狀，大小，安裝時候的大小，將每一組的零件布局圖紙畫出來。 工作時候的原理是這樣的： 1、將電源連接起來，將空氣開關QF關起來； 2、將SB1按下去，KM1就有電了，KM1這個地方就關起來了，并且行程開關SQ1就有電了。這個時候就可以向前進了； 3、向后退的動作結束之后，將SB2按下去，KM2就有電了，KM2常開觸頭就關起來了，這個時候就可以向后退了 4、在需要實現停止的動作的時候，將SB3按下去，這樣控制電路就沒電了，這個時候小車的動作就停下來了。 6. 總結 本篇論文的研究內容是鐵軌無損檢測檢測平臺。課題設計過程中運用了很多專業(yè)知識，有機械設計的具體流程，識圖制圖的能力，校核計算等等。在進行設計的時候，一開始要深入了解無損檢測小車的功能，對它的這些功能了解清楚之后，分析它的動作過程，還有它的機械構造，對他的構造進行改良，對車體進行整體的計算校核，設計探輪隨動系統(tǒng)。設計控制系統(tǒng)的時候，將電氣控制系統(tǒng)設計出來。 相對于其他軌道檢測設備，此裝備有以下優(yōu)點： 1.傳動方式采用齒輪傳動，大大提高傳動效率 2.