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畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
摘要
進(jìn)入二十一世紀(jì)，我國經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，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(yùn)輸方式，也是我國基礎(chǔ)建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)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(yīng)力的恒定增加的影響而產(chǎn)生缺陷，如果不采取恢復(fù)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(zhǔn)確，經(jīng)濟(jì)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(tái)，利用無損檢測技術(shù)對(duì)鐵軌進(jìn)行損傷檢測，其主要設(shè)計(jì)內(nèi)容針對(duì)無損檢測現(xiàn)狀，無損檢測的發(fā)展等內(nèi)容的研究：對(duì)無損檢測平臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案和總體設(shè)計(jì)，計(jì)算與確定，設(shè)計(jì)方案提高無損檢測質(zhì)量。
最后，繪制無損檢測平臺(tái)平面圖與三維模擬圖，對(duì)無損檢測平臺(tái)進(jìn)行分析，撰寫課題說明書。
關(guān)鍵詞：無損檢測；平臺(tái)；鐵軌；設(shè)計(jì)
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(nèi)外列車發(fā)展?fàn)顩r 2
1.4. 國內(nèi)外無損檢測發(fā)展 4
1.4.1. 國內(nèi)軌道檢測發(fā)展 5
1.4.2. 國外發(fā)展情況及應(yīng)用 5
1.5. 課題所研究的內(nèi)容 5
2. 無損檢測平臺(tái)整體方案設(shè)計(jì) 8
2.1. 無損檢測平臺(tái)參數(shù)要求 8
2.2. 無損檢測平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì) 9
2.3. 無損檢測平臺(tái)傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì) 10
3. 無損檢測平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
3.1. 無損檢測平臺(tái)車架設(shè)計(jì) 14
3.1.1. 電機(jī)選型計(jì)算 15
3.1.2. 動(dòng)力電池選型計(jì)算 18
3.2. 無損檢測平臺(tái)參數(shù)校核 18
3.2.1. 底盤校核計(jì)算 18
3.2.2. 座椅校核計(jì)算 19
3.2.3. 計(jì)算無損檢測平臺(tái)偏載 20
3.2.4. 聯(lián)軸器剪切強(qiáng)度校核結(jié)算 24
4. 無損檢測平臺(tái)探傷系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25
4.1. 無損檢測平臺(tái)探頭選擇 25
4.2. 探輪隨動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 25
5. 電路控制部分的設(shè)計(jì) 29
5.1. 設(shè)計(jì)控制電路應(yīng)遵循的原則 29
5.2. 控制電路的設(shè)計(jì)步驟 29
6. 總結(jié) 31
7. 致謝 32
8. 參考文獻(xiàn) 33
IV
1. 緒論
1.1. 課題研究背景及意義
隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，交通運(yùn)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(diǎn)，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(yùn)輸方式，成為人們出行的主要選擇途徑。一般速度的鐵路現(xiàn)在在我們國家已經(jīng)超過了十二萬公里，高鐵的公里數(shù)也已經(jīng)超過了兩萬，當(dāng)鐵軌列車在軌道上以很快的速度行駛時(shí)，如果出現(xiàn)緊急情況，工作人員根本沒有時(shí)間去考慮應(yīng)對(duì)措施或者改變情況；而且鐵道線路、機(jī)組車輛等都是通過長時(shí)間的人力物力財(cái)力才能構(gòu)成的，花費(fèi)非常非常大，而且鐵路運(yùn)輸又是一個(gè)載力非常大的交通運(yùn)輸方式，一旦發(fā)生意外，不僅會(huì)造成巨大的環(huán)境破壞、人員損傷和資產(chǎn)損失，而且運(yùn)輸中斷將影響道路網(wǎng)絡(luò)，擾亂運(yùn)輸秩序，破壞社會(huì)生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)恼w運(yùn)營，造成惡劣的社會(huì)影響。
截至目前中國的鐵路運(yùn)營總長度接近七萬公里，對(duì)于軌道，重要的部分是鋼軌，這部分承擔(dān)著列車的所有重量，無論是強(qiáng)度還是狀態(tài)對(duì)列車運(yùn)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(yīng)力不斷增大的影響，很多鋼軌從鋪設(shè)開始到現(xiàn)在都沒有進(jìn)行過更換，經(jīng)歷了多年的運(yùn)輸工作，絕對(duì)會(huì)產(chǎn)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(yùn)輸量大對(duì)鐵軌內(nèi)側(cè)造成損傷，列車經(jīng)過軌道交接處時(shí)由于應(yīng)力載荷的影響對(duì)軌道交接處的破壞，鋼軌自身生產(chǎn)工藝影響，在長時(shí)間服役后脫落，鋼軌出現(xiàn)缺口被雨水侵蝕等等，而且在鋼軌內(nèi)部有大量損壞，不能直接觀察，當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)，鋼軌會(huì)塌陷，側(cè)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(huì)影響乘客的生命，如果能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)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(shè)備，就能大大提高鐵路系統(tǒng)危險(xiǎn)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(jīng)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(xiàn)在的主要應(yīng)用手段，大型檢測車結(jié)構(gòu)復(fù)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(duì)鐵軌缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確且高效地檢測，確保鐵路安全高效運(yùn)營。
超聲波是遵循聲波傳播原理的機(jī)械振動(dòng)波，能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聲波，在物體中傳播會(huì)不停的衰減，能量不斷減少，也會(huì)發(fā)生分散，但是能量減少的較少，所以能傳播較遠(yuǎn)的距離，這點(diǎn)聲波是做不到的，如果遇到非均勻的物體，超聲波會(huì)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(hào)，經(jīng)過超聲波換能器，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)再通過探頭發(fā)射至需要檢測的物體表面時(shí)，會(huì)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(zhuǎn)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(shù)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(jìn)行檢測，探頭的表面和鋼軌所在的平面處在相對(duì)平行狀態(tài)。當(dāng)無損檢測平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，無損檢測設(shè)備發(fā)射脈沖信號(hào)，通過超聲波換能器將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)通過探輪進(jìn)入耦合水層，最后進(jìn)入鋼軌內(nèi)部，鋼軌內(nèi)部反射的信號(hào)返回探頭經(jīng)過換能器將結(jié)果反饋給無損檢測設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)鋼軌內(nèi)部損傷的檢測?；ナ教筋^的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。但也存在下的缺點(diǎn)：不容易實(shí)現(xiàn)良好的耦合，易產(chǎn)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(xiàng)目快速及長時(shí)間檢測的要求。
1.3. 國內(nèi)外列車發(fā)展?fàn)顩r
(1)法國高鐵的發(fā)展過程
當(dāng)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(shí)候，法國的火車最高時(shí)速就達(dá)到了330km/h，不管是技術(shù)上，經(jīng)濟(jì)上都很厲害的，這四十年來，法國的高鐵技術(shù)一直都是世界上最先進(jìn)的。
法國的高鐵起步于上世紀(jì)八十年代，在1990年的時(shí)候，TVG的高鐵運(yùn)行速度達(dá)到每小時(shí)五百一十五點(diǎn)三公里，在1990年的時(shí)候，又建成了地中海高鐵線路，火車在運(yùn)行的時(shí)候，速度可以達(dá)到每小時(shí)三百五十公里，法國還擁有雙層火車，時(shí)速可以達(dá)到每小時(shí)三百公里，現(xiàn)在已經(jīng)研究出來速度更高的火車，時(shí)速可以達(dá)到每小時(shí)三百五十公里。
1993年的時(shí)候，TVG北方線開始運(yùn)行，整個(gè)長度達(dá)到三百三十三公里。北方縣有兩個(gè)支線，是一個(gè)相當(dāng)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(duì)高鐵開始進(jìn)行研究，在1986年的時(shí)候德國將ICE開始進(jìn)行運(yùn)行，要想在整個(gè)歐洲進(jìn)行使用，ICE發(fā)展到第三代的時(shí)候，它不需要使用動(dòng)力車頭。將動(dòng)力分散到火車的每一個(gè)車輪的上面，每一個(gè)車廂向前推動(dòng)的時(shí)候力量都是一樣的，耗費(fèi)一樣的時(shí)候，這個(gè)火車的穩(wěn)定性，動(dòng)能還有爬坡能力都是非常強(qiáng)大的。在這個(gè)技術(shù)基礎(chǔ)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(biāo)是為了讓火車在拐彎的時(shí)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(gè)火車上有他們專有的車體傾斜技術(shù)，這樣就算是彎道再多，彎道再急，他在進(jìn)行拐彎的時(shí)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(jīng)超過一百年了，新中國建立之后，到現(xiàn)在發(fā)展了五十多年，發(fā)展過程經(jīng)歷的困難是非常多的，在這段時(shí)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(xiàn)在的強(qiáng)大，雖然有失敗，有坎坷，但是我們一直在吸取教訓(xùn)，一直在積累經(jīng)驗(yàn)，所以才有了今天的規(guī)模。
我國也在這些年里不斷摸索進(jìn)步，不斷改進(jìn)學(xué)習(xí)，發(fā)展成了現(xiàn)在這樣的鐵路格局，在上世紀(jì)七十年代到八十年代這段時(shí)間里面，我們國家的鐵路進(jìn)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(jìn)行引導(dǎo)，鐵路行業(yè)的發(fā)展是相當(dāng)快的，技術(shù)也是一直在進(jìn)行提升的。
鐵路要想適應(yīng)現(xiàn)在這個(gè)發(fā)展這么快的社會(huì)，速度要提高才是最大的技術(shù)要求。不管是日本還是法國這些發(fā)達(dá)國家，世界上很多國家都開始對(duì)高鐵進(jìn)行建設(shè)。特別是上世紀(jì)九十年代到現(xiàn)在，很多歐洲國家開始建設(shè)高鐵鐵路，在亞洲，北美，日韓國家都開始對(duì)鐵路進(jìn)行大規(guī)模的研究，大規(guī)模的建設(shè)。
現(xiàn)在世界上擁有時(shí)速超過兩百公里火車的國家有日本，有法國，現(xiàn)在對(duì)這種火車進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)的國家有中國，韓國，還有瑞士等等。
上世紀(jì)1994年的時(shí)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(jìn)行運(yùn)營，當(dāng)時(shí)的火車時(shí)速達(dá)到每小時(shí)一百六十公里到兩百公里，在技術(shù)上的提升是很大的，之后還進(jìn)行大力的研究和開發(fā)，對(duì)于我們國家來說，這是研究高鐵的起點(diǎn)。
在2003年的時(shí)候，我們國家從秦皇島到沈陽的高鐵開始正式賣票進(jìn)行運(yùn)行，在建設(shè)了這條高鐵線之后，運(yùn)營一段時(shí)間之后，找到了一條適合我們國家實(shí)際情況的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，還有建設(shè)的辦法，管理的經(jīng)驗(yàn)等等，希望到2020年的時(shí)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(yùn)營狀況，滿足現(xiàn)代化發(fā)展的需要。
1.4. 國內(nèi)外無損檢測發(fā)展
鐵軌作為軌道交通的主要實(shí)現(xiàn)載體，在運(yùn)行過程中一直受到列車運(yùn)行的各種外力持續(xù)作用，會(huì)使鐵軌出現(xiàn)各種不同的損傷缺陷，如果不采取恢復(fù)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(duì)鐵路軌道進(jìn)行定時(shí)的損傷排查是保證軌道交通秩序穩(wěn)定的必要措施?，F(xiàn)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(jìn)行精準(zhǔn)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(nèi)沒有掌握相關(guān)的技術(shù)，所以只能從國外購買，但是昂貴的價(jià)格對(duì)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(yán)峻的情況之下也有很多相關(guān)項(xiàng)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(chǎn)。
圖 1 1大型軌道探傷車
圖 1 2小型手推式探傷車
1.4.1. 國內(nèi)軌道檢測發(fā)展
基于我國的無損檢測技術(shù)，現(xiàn)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(jì)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(diào)頻連續(xù)探測，在很長的一段時(shí)間里，我國主要使用這種調(diào)頻式連續(xù)探傷小型手推式探傷儀投。但是由于技術(shù)的不成熟和信息不流暢，這類設(shè)備的缺點(diǎn)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(tái)，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(shè)計(jì)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(jì)90年代，期初由于技術(shù)的 不成熟只能被迫從國外引進(jìn)，2000年以來，我國大型鋼軌探傷車的運(yùn)用技術(shù)逐漸成熟，到2010年12月，我國在役鋼軌探傷車共計(jì)有26臺(tái)，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(yuǎn)超其他國家。高速鋼軌探傷車具有速度快，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，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(jié)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(xì)致，但是他由于技術(shù)的限制導(dǎo)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(yīng)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(zhǔn)度、造價(jià)等方面都處在較合理水平，成熟的技術(shù)使得他們?cè)缫汛媪诵⌒褪滞剖教絺?，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(yīng)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(jìn)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(shè)備主要通過國外引進(jìn)，每年的檢測行程可達(dá)2000-3000km，作業(yè)方式為停頓式作業(yè)。
1.5. 課題所研究的內(nèi)容
本課題旨在開發(fā)一款無損檢測平臺(tái)，根據(jù)功能要求和課題研究目標(biāo)，該檢測平臺(tái)應(yīng)具備如下特性：
（1）輕量化，本課題的研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)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(shí)間的快速上下線進(jìn)行軌道探傷。
（2）模塊化，探傷車為了滿足實(shí)際使用需求，減少上下軌，工作人員拆卸安裝車體的時(shí)間、制造工藝、外觀等因素，必須以模塊化思想為核心設(shè)計(jì)檢測平臺(tái)，使得產(chǎn)品更便于實(shí)際使用。
（3）平穩(wěn)性，首先運(yùn)行平穩(wěn)是對(duì)工作人員的安全保證，其次也是提高檢測質(zhì)量的核心要素。
（4）成本低，提高性價(jià)比，向著量產(chǎn)化發(fā)展是無損檢測平臺(tái)的目標(biāo)，所以成本是必須考慮在內(nèi)的重要因素。
（5）探測準(zhǔn)確性，鐵軌探傷車在軌道運(yùn)行時(shí)，存在軌頭接口處或過彎時(shí)，車體會(huì)發(fā)生偏移，影響探頭方向、角度或距離，導(dǎo)致探頭無法完全檢測到全部缺陷，影響檢測質(zhì)量，所以必須具備相應(yīng)措施來解決此核心問題。
根據(jù)以下要求，擬定從以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：
（1）結(jié)合輕量化、模塊化、穩(wěn)定性等特點(diǎn)進(jìn)行探傷小車的三維建模，完成本文無損檢測平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
（2）為了保證探傷準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，必須設(shè)計(jì)探輪隨動(dòng)裝置，保證探輪在
X,Y,Z三個(gè)平面內(nèi)可以根據(jù)軌型，運(yùn)行情況等能夠與軌面保持對(duì)中狀態(tài)。
研究路線如下：
(1)查閱資料，確定小車總體方案設(shè)計(jì)，結(jié)合探傷小車所要匹配的一些性能，以檢測設(shè)備高效化、輕量化、模塊化等為指標(biāo)，結(jié)合實(shí)際鐵軌檢測使用情況，平臺(tái)必須具有高效、方便搬運(yùn)，方便拆卸等特點(diǎn)。最后結(jié)合目前市面上所使用的探傷設(shè)備及鐵路維護(hù)部要求進(jìn)行電機(jī)校核計(jì)算、選型。
(2)向車體設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富的老師請(qǐng)教，咨詢一下車體運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題和解決方案，同時(shí)向?qū)熣髑笞约禾岢龅脑囼?yàn)方案的合理性和可行性。
(3)考慮承重、運(yùn)行平穩(wěn)，防震等特點(diǎn)結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)合理設(shè)計(jì)車體物理結(jié)構(gòu)，注意產(chǎn)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(jì)算小車探傷速度，并合理設(shè)計(jì)探傷系統(tǒng)。
(5)考慮在過彎道時(shí)因隨動(dòng)機(jī)構(gòu)缺少相應(yīng)自由度導(dǎo)致與軌道動(dòng)態(tài)貼合狀態(tài)不良好，出現(xiàn)彎道檢測不穩(wěn)定等情況,考慮三個(gè)方向設(shè)計(jì)探頭隨動(dòng)裝置，保證探頭與軌面在對(duì)中良好,準(zhǔn)確檢測缺陷
(6)通過CAD進(jìn)行建模
42
2. 無損檢測平臺(tái)整體方案設(shè)計(jì)
2.1. 無損檢測平臺(tái)參數(shù)要求
表 2 1無損檢測平臺(tái)參數(shù)要求
無損檢測平臺(tái)參數(shù)要求
人員配置
每臺(tái)雙軌探傷儀上道作業(yè)需配備人員4名（作業(yè)負(fù)責(zé)人1名，探傷檢測員1名，機(jī)械操作員1名，現(xiàn)場防護(hù)員1名）；
平臺(tái)重量
整體重量小于240kg
走行要求
無損檢測平臺(tái)為操控自走式
最高檢測速度
最大運(yùn)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(yùn)行時(shí)間不少于4小時(shí)；
承重要求
無損檢測平臺(tái)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(tái)處于175mm超高情況下，靜態(tài)減載率≤0.65；
車體強(qiáng)度
強(qiáng)度符合承載要求，撓跨比≤1/150；
車輪參數(shù)
無損檢測平臺(tái)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(shí)間的運(yùn)行不會(huì)對(duì)車輪造成太大損傷，材料性能應(yīng)滿足各項(xiàng)檢驗(yàn)要求，車輪為絕緣結(jié)構(gòu)且絕緣阻值>1MΩ；
耦合水量
耦合水箱總?cè)萘俊?00L，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 2 2無損檢測平臺(tái)探輪系統(tǒng)整體要求
無損檢測平臺(tái)探輪系統(tǒng)整體要求
數(shù)據(jù)處理能力
具備A型、B型掃查探傷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、顯示、標(biāo)記、存儲(chǔ)、回放功能。具備閘門內(nèi)A型掃查信號(hào)數(shù)據(jù)輸出存儲(chǔ)功能；（此閘門內(nèi)信號(hào)數(shù)據(jù)可通過離線的數(shù)據(jù)回放軟件回放查看）
檢測穩(wěn)定性
運(yùn)行過程中可應(yīng)對(duì)過彎，超高，車輛蛇形運(yùn)動(dòng)等情況，能獲得較為穩(wěn)定的檢測結(jié)果
表 2 3鋼軌參數(shù)
鋼軌參數(shù)
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(tái)總體方案設(shè)計(jì)
基于上述的無損檢測軌道探傷平臺(tái)的參數(shù)要求，課題需要對(duì)無損檢測進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，整體效果圖見圖2-1
圖 2 1無損檢測平臺(tái)效果圖
表 2 4無損檢測平臺(tái)部件及功能表
部件
功能
1
工控機(jī)
探傷界面顯示和數(shù)據(jù)處理
2
控制臺(tái)
控制小車行進(jìn)與探傷
3
水箱
提供潤濕水
4
檢測設(shè)備
激發(fā)探頭與接收處理回波信號(hào)
5
走行輪
提供車體運(yùn)行與平穩(wěn)
6
探輪及隨動(dòng)裝置
輪式探頭，對(duì)鋼軌進(jìn)行探傷
7
底盤
搭載發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)車橋
8
電池
為小車提供電力
擬解決關(guān)鍵參數(shù)：
(1)在天窗時(shí)間內(nèi)上下線的安裝關(guān)系到工作人員的安全，所以無損檢測平臺(tái)的設(shè)計(jì)必須輕量化，如果采用常用的碳鋼作為主材料將嚴(yán)重超重。整車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素在于靈活輕便和模塊化。
(2)探輪運(yùn)行過程中可應(yīng)對(duì)振動(dòng)，過彎，超高，車輛蛇形運(yùn)動(dòng)等情況，能獲得較為穩(wěn)定的檢測結(jié)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(shè)計(jì)思路，但是采用鋁合金，必須保證鋁合金結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和形變量，這就對(duì)焊接工藝和精度控制有著很高的要求，這個(gè)材料在進(jìn)行加工的時(shí)候，性能是非常好的，焊接特征也很不錯(cuò)，還有電鍍性也是非常好的，韌性是很高的，進(jìn)行生產(chǎn)之后不會(huì)出現(xiàn)形狀的改變，還有氧化效果很好等等。無損檢測平臺(tái)車架與底盤設(shè)計(jì)參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》。
根據(jù)表2 5，取密度ρ=2.71g/cm3、楊氏模量E=72GPa。
表2 5材料參數(shù)對(duì)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(shè)計(jì)隨動(dòng)對(duì)中的機(jī)械系統(tǒng)，目前國內(nèi)無損檢測平臺(tái)大多額外設(shè)置伺服電路系統(tǒng)來控制探輪按照運(yùn)行情況進(jìn)行軌面對(duì)中，但是機(jī)械結(jié)構(gòu)大多使用彈簧進(jìn)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(yīng)伺服系統(tǒng)的脈沖信號(hào)，尤其是在無損檢測平臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候這個(gè)缺陷尤為明顯。
所以本課題擬設(shè)計(jì)一種靜止時(shí)可手動(dòng)或電動(dòng)調(diào)整對(duì)中，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)自行調(diào)整對(duì)中的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
(3)無損檢測平臺(tái)平臺(tái)在運(yùn)行過程中受到振動(dòng)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，直接用橡膠墊防震去除高頻振動(dòng)。
2.3. 無損檢測平臺(tái)傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)
傳動(dòng)系統(tǒng)是整體機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)非常重要的部分，他是處在發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)車橋之間的配合裝置，為整個(gè)無損檢測平臺(tái)的走行提供動(dòng)力輸出，也通過聯(lián)軸器或者其他傳動(dòng)改變轉(zhuǎn)速來適應(yīng)運(yùn)行，改變扭矩適應(yīng)軸承承受能力，甚至可以改變運(yùn)動(dòng)形式，傳動(dòng)裝置不同的性能、尺寸、質(zhì)量和成本對(duì)設(shè)備的運(yùn)行有很大影響，因此應(yīng)合理地?cái)M定傳動(dòng)方案。
通常的試驗(yàn)機(jī)采用的傳動(dòng)方式有蝸桿傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)以及帶傳動(dòng)等，由于無損檢測平臺(tái)的工作有一定要求而且也受到環(huán)境的影響，所以必須進(jìn)行一定的篩選。
鏈傳動(dòng)：在兩個(gè)或者兩個(gè)以上的鏈輪之間通過鏈條連接的一種傳動(dòng)方式。這種傳動(dòng)方式同樣有穩(wěn)定的傳動(dòng)比和較大的功率以及效率。相較于齒輪傳動(dòng)，它的傳遞距離遠(yuǎn)，電機(jī)和動(dòng)載室的距離將不成問題，但是鏈傳動(dòng)同樣會(huì)受到傳動(dòng)軸的持續(xù)沖擊，也會(huì)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(guān)鍵的是，鏈條磨損后會(huì)導(dǎo)致節(jié)距擴(kuò)大，然后脫落。所以，鏈條傳動(dòng)不適宜作為無損檢測平臺(tái)的傳動(dòng)方式。
帶傳動(dòng)：通過皮帶傳動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的一種傳動(dòng)方式。這種傳動(dòng)方式整體構(gòu)造簡易，傳動(dòng)平穩(wěn)且噪聲小，但是其長時(shí)間運(yùn)行后輪帶會(huì)松弛導(dǎo)致起步走轉(zhuǎn)，因此不適合用作無損檢測平臺(tái)的傳動(dòng)。
齒輪傳動(dòng)：齒輪傳動(dòng)是很常見的傳動(dòng)方式，齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)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(dòng)效率也是傳動(dòng)方式中最高的，機(jī)械穩(wěn)定也可以保證傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，適合作為無損檢測平臺(tái)的傳動(dòng)裝置，大致運(yùn)動(dòng)簡圖如圖 2 2所示。
圖 2 2傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)簡圖
表 2 6傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)部件
序號(hào)
名稱
1
后走行輪
2
減速器
3
齒輪
4
聯(lián)軸器
5
電動(dòng)機(jī)
6
前走行輪
如表 2 6所示后走行輪為驅(qū)動(dòng)輪，帶動(dòng)無損檢測平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，減速器能改變電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速，齒輪構(gòu)成減速器來傳動(dòng)扭矩，聯(lián)軸器連擊電機(jī)和減速器，電動(dòng)機(jī)為整體系統(tǒng)提供動(dòng)力，前走形輪為從動(dòng)輪。
3. 無損檢測平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
對(duì)于無損檢測平臺(tái)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的時(shí)候，要將事先設(shè)定好的使用要求進(jìn)行滿足，還有用起來要方便，并且工作時(shí)候非常安全，可靠性要高，體積不能大，質(zhì)量小，工作效率高，產(chǎn)生的噪聲小等等，這些都是進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)所需要的。設(shè)計(jì)時(shí)候的經(jīng)濟(jì)型需求：設(shè)計(jì)的車體一定要經(jīng)濟(jì)性好，在生產(chǎn)還有使用的時(shí)候，在對(duì)車體進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮的要全面一些。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，對(duì)它的功能，還有用的時(shí)候的需要，結(jié)構(gòu)等等都要合理，符合要求。
本課題所研究的是無損檢測平臺(tái)，首先必須符合鐵道部生產(chǎn)上線規(guī)定要求，在此基礎(chǔ)上以輕量化，模塊化為主要思想設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，無損檢測平臺(tái)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(tái)的構(gòu)造材料和結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)車體使用碳鋼結(jié)構(gòu)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?yàn)闊o損檢測平臺(tái)是在室外工作的，環(huán)境相對(duì)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(kuò)大鋼軌探傷儀的使用范圍，這就要求無損檢測平臺(tái)要堅(jiān)固耐用，具有穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)；再者，運(yùn)行時(shí)間必須要長，因?yàn)闊o損檢測平臺(tái)是常用檢測設(shè)備，并且在探傷時(shí)可能經(jīng)常發(fā)生碰撞和震動(dòng)，因此要保證無損檢測平臺(tái)的耐用性，提高無損檢測平臺(tái)的性價(jià)比。
根據(jù)探傷系統(tǒng)的要求，無損檢測平臺(tái)主要分為：小車車架、椅子、水箱、電池、底盤、探輪及隨動(dòng)系統(tǒng)、無損檢測裝備。
小車設(shè)計(jì)最高時(shí)速為25km/h，續(xù)航能力達(dá)60km。車輛采用模塊化設(shè)計(jì)，可承載4人，隨乘人員可對(duì)其在5分鐘內(nèi)安裝或拆解完畢。小車在天窗時(shí)間內(nèi)能同時(shí)對(duì)線路上兩股鋼軌進(jìn)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 3 1無損檢測平臺(tái)整體效果圖
3.1. 無損檢測平臺(tái)車架設(shè)計(jì)
小車車架是整個(gè)無損檢測平臺(tái)最大的部分，他負(fù)責(zé)承載無損檢測平臺(tái)大部分功能部件，同時(shí)也連接了底盤，決定了無損檢測平臺(tái)的主體形狀，構(gòu)成了無損檢測平臺(tái)的基本輪廓，是判斷小車是否靈活輕便，美觀實(shí)用的主要依據(jù)
車架的底座樣式采用板式樣式，板式樣式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，強(qiáng)度大，堅(jiān)固耐用，能夠承載較大載荷；板式結(jié)構(gòu)加工難度小，便于批量生產(chǎn)車架的上框采用空心管型結(jié)構(gòu)，管型結(jié)構(gòu)美觀大方，而且與其他形式相比，管型結(jié)構(gòu)是最節(jié)約材料的，也符合輕量化設(shè)計(jì)的核心思想。
設(shè)計(jì)主要細(xì)節(jié)
(1)無損檢測各部分要方便天窗時(shí)間內(nèi)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 3 2無損檢測平臺(tái)座椅設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)
(2)車架設(shè)置U型槽方便連接底盤時(shí)定位，兩邊各設(shè)置兩個(gè)卡口懸掛探輪系統(tǒng)，如圖3-3所示。
圖 3 3無損檢測平臺(tái)卡口設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)
3.1.1. 電機(jī)選型計(jì)算
電機(jī)作為為無損檢測平臺(tái)提供動(dòng)力的核心部件，必須對(duì)其進(jìn)行選型計(jì)算，保證電機(jī)能為無算檢測平臺(tái)提供問題的動(dòng)力，所以它的安全性要好，經(jīng)濟(jì)性要高，工作時(shí)候可靠性好；要是電機(jī)選的不對(duì)，不好的情況是會(huì)有浪費(fèi)，嚴(yán)重的話機(jī)器都被燒掉了。在選電機(jī)的時(shí)候要注意它的一些因素，比方說電壓，頻率，轉(zhuǎn)動(dòng)速度等等電機(jī)在選擇的時(shí)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(guān)鍵性的因素。
（1）電機(jī)功率
<1>計(jì)算最高車速確定的最大功率
根據(jù)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(jī)的最大功率
Vmax——表示無損檢測平臺(tái)的最大運(yùn)行速度
η——表示無損檢測平臺(tái)的傳動(dòng)效率
m——表示無損檢測平臺(tái)的質(zhì)量
g——表示重力加速度
f——表示滾動(dòng)阻力系數(shù)
Cd——表示風(fēng)阻系數(shù)
A——表示迎風(fēng)面積
因?yàn)闊o損檢測平臺(tái)最大運(yùn)行速度速不小于25Km/h，傳動(dòng)系效率為0.95，質(zhì)量為700Kg，滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.015，風(fēng)阻系數(shù)為0.315，迎風(fēng)面積為1.5㎡。
因此計(jì)算得出電機(jī)在最高車速下的驅(qū)動(dòng)功率為0.86Kw
<2>根據(jù)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(tái)爬坡速度為15Km/h，傳動(dòng)系效率為0.95，，滾動(dòng)阻力系數(shù)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(jì)算得出電機(jī)在以15Km/h，3.3%爬坡時(shí)的驅(qū)動(dòng)功率為1.45Kw
<3>根據(jù)加速時(shí)間確定的最大功率
無損檢測平臺(tái)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(shù)，一般取0.5左右
Tm——表示起步加速過程的時(shí)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(shí)刻，動(dòng)力源輸出最大功率，此時(shí)速度為25Km/h，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)為1.1，加速時(shí)間為10S，，擬合系數(shù)x取0.5。
綜上所訴，電機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)功率應(yīng)滿足：
Pmax≥max?(Pmax1，Pmax2，Pmax3) （3-5）
則有：最大功率為1.4Kw，取過載系數(shù)為1.2，因此額定功率為1.16Kw。輸入1.45wk
(2)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速
車輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩公式如下：
n=v?i0.377?r (rpm) （3-5）
n=25*1/0.377/0.15=300rpm
電機(jī)轉(zhuǎn)速公式如下：
N=n*i （3-6）
無損檢測平臺(tái)最高運(yùn)行速度為25Km/h，走行輪的運(yùn)動(dòng)半徑為0.18m。
(3)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩
T=9550Pn(Nm) （3-7）
T=9550*1.500/300=47.8Nm
(4)電機(jī)的基數(shù)、額定轉(zhuǎn)矩
電機(jī)符合基速以下恒轉(zhuǎn)矩，基速以上恒功率，所以在基速時(shí)，電機(jī)處在最大功率和最大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)。根據(jù)以下公式：
n0=9550PmaxTmax （3-8）
T0=9550P額n額 （3-9）
經(jīng)過計(jì)算，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為500pm，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為32.8Nm。
綜合考慮以上計(jì)算結(jié)果，確定無損檢測平臺(tái)正常運(yùn)行所需求的電機(jī)參數(shù)（經(jīng)減速器后）如所示：
表 3 1無損檢測平臺(tái)發(fā)電機(jī)參數(shù)
額定電壓
額定功率
額定轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)速
最高轉(zhuǎn)速
暫定60V
1.500kw
47.8Nm
320Nm
4000rpm
4500rpm（空載）
3.1.2. 動(dòng)力電池選型計(jì)算
根據(jù)本課題無損檢測平臺(tái)的工作要求需要，無損檢測平臺(tái)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)必須滿足：
（1）.無損檢測平臺(tái)最高速度≤20Km/h；
（2）.無損檢測平臺(tái)最大爬坡度≤33‰；
（3）.無損檢測平臺(tái)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(shí)；
無損檢測平臺(tái)依靠電池實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵軌的無損檢測和無損檢測平臺(tái)的運(yùn)行，所以整體無損檢測平臺(tái)能夠運(yùn)行的時(shí)間的里程完全取決于電池的性能，一般電機(jī)所需的電壓為60V，以此計(jì)算電池容量：
1500w*4h/60v/0.8=125AH
考慮到電機(jī)不是一直以最大功率工作，故電池選120AH
表 3 2無損檢測平臺(tái)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(tái)參數(shù)校核
無損檢測平臺(tái)能夠平穩(wěn)的運(yùn)行，首先是必須滿足各種情況下打的參數(shù)要求，所以本節(jié)對(duì)無損檢測平臺(tái)進(jìn)行總體的參數(shù)校核，保證各部分能夠滿足運(yùn)行的基本需求，保證運(yùn)行的安全性。
3.2.1. 底盤校核計(jì)算
小車底盤為鋁合金矩形管骨架結(jié)構(gòu)，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(jì)算強(qiáng)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(jì)算得：
P1=600N
耦合水總重100KG，水箱忽略不計(jì)，計(jì)算得：
P2=980N
電池總重60KG，計(jì)算得
P3=588N
假定工作人員人均重量加上工作工具為90KG，計(jì)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(jì)算校核底盤彎矩
由彎矩計(jì)算公式:
M=Px2=P14 （3-10）
得
M單=1.23858kN.m/4=0.309kN.m
根據(jù)彎矩公式計(jì)算每根鋁合金管的剪切強(qiáng)度
=0.309×106/540.8=565.75N/mm2=56.6kN/CM2
所以每根鋁合金管的剪切強(qiáng)度小于55.2MPa=552kN/CM2,符合使用需求。
(3)計(jì)算底盤撓度
首先考慮底盤的載荷分布狀態(tài)，當(dāng)載荷作用于底盤中間時(shí)，底盤的撓度最大。
根據(jù)撓度計(jì)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(yuǎn)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(jì)算
無損檢測平臺(tái)的座椅由鋁合金管組成，所以本小節(jié)對(duì)座椅的強(qiáng)度和撓度進(jìn)行校核計(jì)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(jì)，所以：
P1=0N
假定工作人員人均重量加上工作工具為90KG，計(jì)算得
P2=1764N
(2)計(jì)算座椅彎矩
根據(jù)彎矩計(jì)算公式:
Mmax=n2-124nPl （3-12）
計(jì)算得：
M=15*220*1.075/24/4=37N·m
計(jì)算拉應(yīng)力為：
=0.037×106/207.24=178.54N/mm2=17.85km/cm2
因此座椅的彎矩強(qiáng)度小于55.2MPa=552 km/cm2，，符合使用需求
(3)計(jì)算座椅撓度
首先考慮底盤的載荷分布狀態(tài)，當(dāng)載荷作用于底盤中間時(shí)，底盤的撓度最大。
根據(jù)撓度計(jì)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(jì)算無損檢測平臺(tái)偏載
無損檢測平臺(tái)在運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)遇到超高與上下坡的情況，所以必須對(duì)無損檢測平臺(tái)進(jìn)行偏載及靜態(tài)減載率的計(jì)算防止車體側(cè)翻。
(1)分析水平狀態(tài)載荷分布
根據(jù)3.2.1得：
P1=510N
耦合水量為100KG，計(jì)算得：
P2=100*9.8=980N
電池組重量為300KG，計(jì)算得：
P3=300*9.8=294N
P4=300*9.8=294N
根據(jù)前方座椅和后方座椅的質(zhì)量，計(jì)算得
P5=8.4*9.8=82.3N
P6=50.5N
根據(jù)操縱臺(tái)和檢測電路質(zhì)量，計(jì)算得：
P7=71.5N
P8=68.6N
無損檢測平臺(tái)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(tái)和備電，及檢測電池受力點(diǎn)，d為后座、電池、檢測儀器受力點(diǎn)
圖 3 4小車底盤框架前后向受力簡支梁模型
在水箱空載時(shí)，根據(jù)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(shù)據(jù)，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(jù)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(shí)，根據(jù)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(shù)據(jù)，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(jù)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(shí)，根據(jù)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(shù)據(jù)，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(jù)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(shí)，根據(jù)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(shù)據(jù)，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(jù)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(shí)，根據(jù)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(shù)據(jù)，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(jù)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(shè)計(jì)符合靜態(tài)減載設(shè)計(jì)要求。
3.2.4. 聯(lián)軸器剪切強(qiáng)度校核結(jié)算
圖 3 5無損檢測平臺(tái)聯(lián)軸器示意圖
按照剪切強(qiáng)度來算銷釘?shù)闹睆剑?
d=8KTπDmZτ （3-17）
銷釘?shù)脑牧嫌玫氖?5號(hào)鋼，查看碳素鋼的有關(guān)材料，對(duì)它進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，銷釘?shù)闹睆揭∮趦砂俸撩住?
σb=637MPa，σs=353MPa，δs=17%，Ψ=35%
硬度可以達(dá)到217～255HBS
將銷釘?shù)脑S用切應(yīng)力算出來：
τ=(0.7-0.8)
σB=0.75*637=477.75MPa
載限制系數(shù)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(duì)于剪切強(qiáng)度的需要是能夠滿足需要的。
4. 無損檢測平臺(tái)探傷系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1. 無損檢測平臺(tái)探頭選擇
探輪結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)。輪式探頭上安裝有柔性透聲外膜，外膜充當(dāng)超聲傳感器和試件之間的耦合介質(zhì)，如圖4-1所示。
圖 4 1探輪結(jié)構(gòu)圖
4.2. 探輪隨動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
目前國內(nèi)超聲波探傷車主要采用伺服電路來控制探輪，實(shí)現(xiàn)探輪的三維運(yùn)動(dòng)以保證探頭能與軌面保持對(duì)中，確保檢測的準(zhǔn)確度，而機(jī)械設(shè)計(jì)中最常用的連接方式為彈簧，在探測車處在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電路信號(hào)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(shí)反饋電路信號(hào)，導(dǎo)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(jī)械隨動(dòng)裝置，通過彈簧和導(dǎo)軌，使探輪可以在探傷過程中可以自動(dòng)調(diào)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?fàn)顟B(tài)時(shí)也可以通過手動(dòng)調(diào)節(jié)。
(1)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)分析
a) 探輪隨動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)探輪相對(duì)鋼軌位置進(jìn)行調(diào)整。在靜態(tài)條件下，應(yīng)能夠手動(dòng)或電動(dòng)調(diào)整對(duì)中，在無損檢測平臺(tái)運(yùn)行時(shí)必須能自行調(diào)整角度與偏移。
b) 在檢測作業(yè)時(shí)，要求探頭與鋼軌保持對(duì)中，對(duì)中偏移量不大于4mm。
c) 在小車低速行經(jīng)道岔時(shí)，要求對(duì)中機(jī)構(gòu)能夠安全通過尖軌及有害空間。
d) 小車經(jīng)過鋼軌交接處時(shí)若存在高度差要可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，保持探頭到軌面距離
(2)解決方案
a) 不同型號(hào)鋼軌的各尺寸參數(shù)有所不同，在每次進(jìn)行探傷檢測作業(yè)之前，要針對(duì)鋼軌進(jìn)行對(duì)中調(diào)整。對(duì)此，擬采用滑動(dòng)副配合螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)形式實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。在需要進(jìn)行對(duì)中調(diào)節(jié)時(shí)，松開滑動(dòng)副側(cè)面的緊定螺釘，旋出一側(cè)的定位螺釘，再旋進(jìn)另一側(cè)的定位螺釘，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)中位置調(diào)節(jié)。
b) 若在小車行進(jìn)中要保證探輪隨動(dòng)對(duì)中，則需要有裝置時(shí)刻貼緊鋼軌側(cè)面，以帶動(dòng)探輪隨動(dòng)。對(duì)此，擬采用導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)此功能。導(dǎo)輪輪緣內(nèi)側(cè)裝有耐磨片，在導(dǎo)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，耐磨片在壓緊彈簧的作用下時(shí)刻貼緊鋼軌內(nèi)側(cè)。耐磨片拆卸方便，可定期更換。
c) 為防止小車經(jīng)過道岔時(shí)內(nèi)側(cè)對(duì)中機(jī)構(gòu)導(dǎo)輪卡入鋼軌有害空間，擬設(shè)計(jì)具有絕緣材料摩擦塊的前后伸出的導(dǎo)向輔助機(jī)構(gòu)，在導(dǎo)輪經(jīng)過有害空間時(shí)，導(dǎo)向輔助機(jī)構(gòu)能有效地抵住鋼軌內(nèi)側(cè)，從而給導(dǎo)輪提供向內(nèi)的支撐力使之不至受彈簧壓力落入有害空間。
(3)探輪隨動(dòng)系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)
a) 探輪隨動(dòng)結(jié)構(gòu)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(gè)彈簧連接，上圖藍(lán)色部分即為彈簧，橫版帶動(dòng)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(tái)運(yùn)行過彎時(shí)，使探輪系統(tǒng)可以在平行于軌面平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，如圖4-2所示；
圖 4 2T型板與橫版設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)
b) 橫版與兩滑動(dòng)副外殼通過彈簧連接，滑動(dòng)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(tái)運(yùn)行中遭遇高度差時(shí)，使探輪系統(tǒng)可以在豎直方向內(nèi)運(yùn)動(dòng)；
圖 4 3探輪系統(tǒng)效果圖
c) 滑動(dòng)副外殼與探輪導(dǎo)向裝置通過滑動(dòng)副連接，可以根據(jù)軌型不同在靜態(tài)時(shí)調(diào)整距離，若使用彈簧，在運(yùn)行過程中會(huì)導(dǎo)致左右位移量不統(tǒng)一；
d) 導(dǎo)向輔助機(jī)構(gòu)通過最外層白色導(dǎo)向探頭，運(yùn)行時(shí)貼近軌面內(nèi)面，與導(dǎo)向輪配合，可以實(shí)時(shí)調(diào)整探輪位置，而導(dǎo)向輪外側(cè)的刷子可以及時(shí)清理軌面狀態(tài)，防止異物損壞探輪。
5. 電路控制部分的設(shè)計(jì)
5.1. 設(shè)計(jì)控制電路應(yīng)遵循的原則
1.設(shè)計(jì)控制電路的時(shí)候要注意以下幾點(diǎn)：
（1）對(duì)于控制電路的要求，還有保護(hù)時(shí)候的要求盡量滿足
（2）首先要對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行滿足，設(shè)計(jì)的這個(gè)線路不能復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性要好，適合量產(chǎn)
（3）確?？刂频臅r(shí)候非常安全，非?？煽?
（4）使用和檢修的時(shí)候非常方便
2.設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)要遵循的原則：
（1）設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)τ诳刂埔蠛褪褂靡笠M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(shè)計(jì)要盡可能的簡單便捷，經(jīng)濟(jì)性好，安全性好，可靠性好
（3）在確定電氣零件的時(shí)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(shè)計(jì)步驟
1、按照需要將設(shè)計(jì)任務(wù)制定下來。
2、在對(duì)電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，按照拖動(dòng)要求來進(jìn)行：
（1）不管是對(duì)哪一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行控制，按照它容量的大小，還有拖動(dòng)時(shí)候的載荷來進(jìn)行，選用合適的啟動(dòng)線路。
（2）將轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制的辦法確定下來。
（3）按照電動(dòng)機(jī)的工作，確定是不是要設(shè)置過載保護(hù)裝置。
（4）按照拖動(dòng)載荷，還有工藝需要，確定是不是需要進(jìn)行制動(dòng)，控制怎么樣進(jìn)行。
（5）在電路里面設(shè)置一個(gè)短路保護(hù)裝置。
3、設(shè)計(jì)控制回路的時(shí)候按照主電路的控制要求來進(jìn)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(hù)裝置設(shè)計(jì)出來。
（4）按照拖動(dòng)的需要，有特別需要的將控制部分設(shè)計(jì)出來。
（5）進(jìn)行檢查，修改，完善的工作。
4、設(shè)計(jì)工藝的過程：
（1）按照電氣裝置的總結(jié)構(gòu)，還有電氣零件的布局，還有用的時(shí)候按照需要將電氣零件進(jìn)行分類，將電氣控制系統(tǒng)的圖紙都畫出來。
圖 Error! No text of specified style in document. Error! Main Document Only.電路圖
（2）按照電氣零件的型號(hào)，外部形狀，大小，安裝時(shí)候的大小，將每一組的零件布局圖紙畫出來。
工作時(shí)候的原理是這樣的：
1、將電源連接起來，將空氣開關(guān)QF關(guān)起來；
2、將SB1按下去，KM1就有電了，KM1這個(gè)地方就關(guān)起來了，并且行程開關(guān)SQ1就有電了。這個(gè)時(shí)候就可以向前進(jìn)了；
3、向后退的動(dòng)作結(jié)束之后，將SB2按下去，KM2就有電了，KM2常開觸頭就關(guān)起來了，這個(gè)時(shí)候就可以向后退了
4、在需要實(shí)現(xiàn)停止的動(dòng)作的時(shí)候，將SB3按下去，這樣控制電路就沒電了，這個(gè)時(shí)候小車的動(dòng)作就停下來了。
6. 總結(jié)
本篇論文的研究內(nèi)容是鐵軌無損檢測檢測平臺(tái)。課題設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用了很多專業(yè)知識(shí)，有機(jī)械設(shè)計(jì)的具體流程，識(shí)圖制圖的能力，校核計(jì)算等等。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，一開始要深入了解無損檢測小車的功能，對(duì)它的這些功能了解清楚之后，分析它的動(dòng)作過程，還有它的機(jī)械構(gòu)造，對(duì)他的構(gòu)造進(jìn)行改良，對(duì)車體進(jìn)行整體的計(jì)算校核，設(shè)