沈正強(qiáng) 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

1 引言

道床與路基狀態(tài)直接關(guān)系著有砟線路運(yùn)行的安全性，隨著鐵路運(yùn)行速度與運(yùn)量大幅提升，有砟線路道床及路基病害問(wèn)題日益普遍，為保障線路運(yùn)行安全，需對(duì)道床與路基狀態(tài)進(jìn)行常態(tài)化的健康安全檢測(cè)。目前我國(guó)現(xiàn)有的有砟軌道檢測(cè)方法主要依靠人工巡視及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖，檢測(cè)速度慢，提供信息量少，無(wú)法滿足鐵路常態(tài)化健康安全檢測(cè)需求。

探地雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路有砟道床和路基狀態(tài)的無(wú)損檢測(cè)，具有檢測(cè)速度較快、檢測(cè)信息豐富、人力成本大大降低、內(nèi)部病害可見(jiàn)的特點(diǎn)，通過(guò)探地雷達(dá)對(duì)有砟軌道進(jìn)行巡檢，可大大提高檢測(cè)效率且可實(shí)現(xiàn)對(duì)線路道床及路基內(nèi)部檢測(cè)，有效保障鐵路常態(tài)化健康安全檢測(cè)。

因此，本文以GTC-80鋼軌探傷車為平臺(tái)，依據(jù)探地雷達(dá)檢測(cè)應(yīng)用要求及探傷車車底空間結(jié)構(gòu)，研究設(shè)計(jì)一套有砟軌道車載探地雷達(dá)檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)對(duì)有砟線路道床與路基狀態(tài)的高效檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)裝置開(kāi)展力學(xué)仿真分析，為其在線應(yīng)用安全性分析提供理論依據(jù)。

2 探地雷達(dá)概況

通過(guò)不同頻率天線檢測(cè)試驗(yàn)，選定應(yīng)用于有砟軌道檢測(cè)的探地雷達(dá)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(cè)中，采用1.5 GHz 空氣耦合天線進(jìn)行探測(cè)，在對(duì)路基基層的檢測(cè)中，采用400 MHz 空氣耦合天線進(jìn)行探測(cè)。其基本參數(shù)如表1所示。

表1 探地雷達(dá)基本參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

3.1 探地雷達(dá)安裝模塊設(shè)計(jì)

探地雷達(dá)是通過(guò)發(fā)射天線向探測(cè)體內(nèi)發(fā)射電磁波，利用接受天線接受來(lái)自目標(biāo)體界面的反射波，電磁信號(hào)易受到外界金屬物干擾，因此考慮現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工況及雷達(dá)天線應(yīng)用要求，采用將探地雷達(dá)天線置于設(shè)計(jì)的箱罩內(nèi)，同時(shí)在箱罩內(nèi)壁與探地雷達(dá)間增加一層吸波棉（底部波發(fā)射面無(wú)），雷達(dá)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(xué)穩(wěn)定性能，拉伸強(qiáng)度和剛性皆較好，同時(shí)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(dá)安裝模塊結(jié)構(gòu)圖。探地雷達(dá)箱罩上面四周一圈開(kāi)有螺栓孔，探地雷達(dá)箱罩及箱罩內(nèi)探地雷達(dá)通過(guò)螺栓各自獨(dú)立分別與鋼質(zhì)懸掛板螺栓緊固連接而組成探地雷達(dá)安裝模塊，模塊化的設(shè)計(jì)方案便于現(xiàn)場(chǎng)裝拆與后期維護(hù)。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(shè)計(jì)增加鋼平墊板，減少局部應(yīng)力集中。為了降低設(shè)備運(yùn)行應(yīng)用中脫落風(fēng)險(xiǎn)和減少對(duì)雷達(dá)檢測(cè)信號(hào)干擾，箱罩底部區(qū)域四周開(kāi)有防脫繩孔，通過(guò)選用非金屬材質(zhì)的防脫繩使箱罩與上部構(gòu)件（懸掛支架）連成一體。

圖1 1.5 GHz、400 MHz探地雷達(dá)安裝模塊

3.2 探地雷達(dá)模塊懸掛支架設(shè)計(jì)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)實(shí)測(cè)，考慮兩種型號(hào)探地雷達(dá)外形尺寸及檢測(cè)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(zhuǎn)向架處附近車底空間為1.5 GHz 與400 MHz 探地雷達(dá)檢測(cè)裝置安裝位置，分別將車頭、車中部位雷達(dá)懸掛支架焊接于GTC-80車體外側(cè)大梁、車鉤大梁上，其中車頭400 MHz天線懸掛支架通過(guò)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(dá)檢測(cè)裝置安裝位置車底外形圖

圖3 雷達(dá)懸掛支架焊接安裝圖

現(xiàn)場(chǎng)裝拆時(shí)，線下先組裝好1.5 GHz、400 MHz 探地雷達(dá)安裝模塊，通過(guò)雷達(dá)懸掛板分別將其依次掛裝在雷達(dá)懸掛支架下側(cè)平掛板上，再擰緊兩側(cè)的螺栓，即可實(shí)現(xiàn)裝置快速拆裝。同時(shí)為了降低雷達(dá)懸掛支架運(yùn)行中脫落風(fēng)險(xiǎn)，懸掛支架通過(guò)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(dá)檢測(cè)裝置安裝圖。

圖4 雷達(dá)檢測(cè)裝置安裝圖

3.3 探地雷達(dá)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)限界核驗(yàn)

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

圖5 雷達(dá)檢測(cè)裝置限界模擬示意圖

4 探地雷達(dá)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全性分析

因軌道運(yùn)行環(huán)境的影響，車上的設(shè)備將承受沖擊與振動(dòng)，為了確保設(shè)備的運(yùn)行安全，在裝車前應(yīng)模擬設(shè)備使用環(huán)境條件對(duì)其進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)分析?；诖?，本文依據(jù)GB/T 21563-2018《軌道交通·機(jī)車車輛設(shè)備·沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展檢測(cè)裝置沖擊和振動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)仿真分析。

為了減少有限元模型計(jì)算量，考慮對(duì)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，仿真分析時(shí)不考慮探地雷達(dá)天線、吸波棉及螺栓緊固件對(duì)結(jié)果的影響。探地雷達(dá)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(shù)。圖6 為探地雷達(dá)檢測(cè)裝置力學(xué)仿真分析模型圖。

表2 PP聚合物及Q235-B材料性能參數(shù)

圖6 探地雷達(dá)檢測(cè)裝置力學(xué)仿真分析模型圖

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定雷達(dá)檢測(cè)裝置振動(dòng)沖擊試驗(yàn)半正弦脈沖激勵(lì)如圖7所示，據(jù)此脈沖激勵(lì)信號(hào)，仿真分析時(shí)對(duì)檢測(cè)裝置在橫向、垂向及縱向三個(gè)方向上分別施加一次正反向的雙向沖擊。雷達(dá)檢測(cè)裝置振動(dòng)沖擊試驗(yàn)仿真分析結(jié)果如圖8 所示，具體分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖7 雷達(dá)檢測(cè)裝置沖擊試驗(yàn)半正弦脈沖激勵(lì)圖

圖8 車頭、車中部位雷達(dá)檢測(cè)裝置沖擊試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

由圖8及表3結(jié)果分析可知：

表3 雷達(dá)檢測(cè)裝置沖擊試驗(yàn)仿真分析結(jié)果

（1）車頭部位雷達(dá)檢測(cè)裝置最大沖擊應(yīng)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(dá)檢測(cè)裝置最大沖擊應(yīng)力分別為橫向35.946 MPa、垂向21.125 MPa 及縱向87.324 MPa，均發(fā)生在雷達(dá)懸掛板或懸掛支架母材處，其各向最大沖擊應(yīng)力均未超過(guò)選用材料的疲勞極限（235 MPa），且有一定余量，由此可知兩個(gè)裝置均滿足標(biāo)準(zhǔn)中振動(dòng)沖擊強(qiáng)度要求；

（2）兩處檢測(cè)裝置最大沖擊應(yīng)變均發(fā)生在雷達(dá)箱罩處且值較小，并且由于裝置所受沖擊是由車體振動(dòng)從上至下傳遞而來(lái)，因探地雷達(dá)懸掛支架及懸掛板產(chǎn)生的變形會(huì)疊加到雷達(dá)箱罩上，因此實(shí)際應(yīng)用中雷達(dá)箱罩不會(huì)發(fā)生較大變形；

（3）仿真分析模型中未考慮箱內(nèi)吸波棉層等對(duì)結(jié)構(gòu)的緩沖保護(hù)作用，因此實(shí)際結(jié)構(gòu)的沖擊強(qiáng)度及雷達(dá)箱罩的自身相對(duì)變形量更小。

5 結(jié)束語(yǔ)

以GTC-80 鋼軌探傷車為平臺(tái)，依據(jù)探地雷達(dá)檢測(cè)應(yīng)用要求及探傷車車底空間結(jié)構(gòu)，研究設(shè)計(jì)一套有砟軌道車載探地雷達(dá)檢測(cè)裝置，并對(duì)其開(kāi)展力學(xué)試驗(yàn)仿真分析。該檢測(cè)裝置已完成現(xiàn)場(chǎng)安裝，并在京滬線等線路上試用運(yùn)行，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且數(shù)據(jù)采集正常，表明該方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠。同時(shí)本文開(kāi)展的軌道車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)分析方法可為同類設(shè)備在線應(yīng)用運(yùn)行安全性分析提供理論依據(jù)。