摘 要

近些年来，随着我国轨道交通行业快速发展，高铁，地铁里程数逐年增加。然而，随着轨道交通的蓬勃发展，轨道的磨损现象也日趋严重，为了保证轨道交通的安全，轨道的磨损问题我们需要尽早解决。其中，轨道磨损的一种主要形式为钢轨的波浪型磨损。钢轨波浪型磨损是指轨道因摩擦及其他原因而在钢轨的顶面产生的沿纵向分布类似于波浪形的磨损现象，简称波磨。钢轨波磨是轨道产生振动与噪声的主要原因之一，其还会降低铁轨使用寿命并可能造成安全隐患。为了防治钢轨波磨，我们需要专门的钢轨波磨检测设备来更高效的检测和更及时的分析波磨。因此本文旨在设计一种能够自动测量钢轨波磨的轨检小车，实现对波磨进行高效地、自动化地检测。

论文主要介绍了自动化波磨检测小车的总体设计过程，包括小车的机械部分，定位部分及控制部分。利用SolidWorks建模软件完成了小车机械结构的设计，利用里程计完成了小车定位部分的设计，利用C语言和单片机完成了小车控制部分的设计。使小车能够搭载摄像机等测量设备在轨道上自动行驶来对波磨进行测量。

关键词：钢轨波磨；自动测量；轨检小车；里程计定位

Abstract

In recent years, with the rapid development of my country's rail transportation industry, high-speed rail and subway mileage have increased year by year. However, with the rapid development of rail transit, the phenomenon of rail wear is becoming more and more serious. In order to ensure the safety of rail transit, the problem of rail wear needs to be resolved as soon as possible. Among them, one of the main forms of rail wear is the wavy wear of steel rails. The wave-shaped wear of the rail refers to the phenomenon that the track is distributed on the top surface of the rail due to friction and other reasons, and is similar to the wave-shaped wear phenomenon along the longitudinal direction. Rail corrugation is one of the main causes of vibration and noise in rails. It also reduces the service life of rails and may cause hidden safety hazards. In order to prevent and control rail corrugation, we need special rail corrugation testing equipment for more efficient detection and more timely analysis of corrugation. Therefore, this article aims to design a rail inspection trolley that can automatically measure the corrugation of the rail, so as to realize the efficient and automatic detection of the corrugation.

The paper mainly introduces the overall design process of the automatic wave grinding inspection car, including the mechanical part, positioning part and control part of the car. Using SolidWorks modeling software to complete the design of the car's mechanical structure, using the odometer to complete the design of the car's positioning part, using C language and micro controller to complete the design of the car's control part. The car can be equipped with camera and other measuring equipment to automatically travel on the track to measure the wave mill.

Key words: rail corrugation; automatic measurement; rail inspection trolley; odometer positioning

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.3本文主要研究内容 3

1.4小车设计基本要求 4

第二章 钢轨波磨测量小车结构设计方案 5

2.1小车机械结构设计 5

2.1.1小车车架设计 5

2.1.2驱动轮对与从动轮对设计 6

2.1.3驱动方式设计 8

2.2关键零部件的ANSYS静力学分析 9

2.2.1有限元基本理论和ANSYS软件简介 9

2.2.2小车承重轴静力学分析 10

2.3本章小结 10

第三章 钢轨波磨小车定位方案设计 12

3.1定位方案实现目标 12

3.2里程计定位 12

3.2.1里程计定位原理 12

3.3里程计误差分析 13

3.4里程计数据对比 15

3.5本章小结 15

第四章 钢轨波磨小车控制方案设计 16

4.1小车控制方案实现目标 16

4.2小车控制方案实现方法 16

4.2.1小车过弯识别方法 17

4.2.2单片机控制直流电机方法 17

4.3小车控制方案方案硬件设计 18

4.3.1主控芯片 18

4.3.2 MPU6050芯片 18

4.4本章小结 19

第五章 总结与展望 20

参考文献 21

致谢 22

附录 23

1. 绪论

1.1研究背景及意义

长期以来，高速铁路运输作为国民经济建设的命脉，在国民经济建设中具有举足轻重的地位，是国家重要的基础设施之一[1]。所以，世界各国都在积极发展高速铁路和城市快速轨道交通，尤其是欧洲、日本、加拿大、美国等经济发达国家，特别重视铁路相关技术问题的研究和开发[2]。自从1825年英国修建了世界上首条铁路开始，世界各国都开始着手建立自己的铁路系统。到目前，世界铁路的发展已有166年，全世界已有117个国家和地区修建了铁路，总里程为130多万公里[3]。由于技术条件原因我国的铁路建设起步较晚，到了1881年我国才开始了本国第一条铁路的建设，然而近些年来我国铁路建设发展迅速。截止到2020年，我国全国铁路网基本建成，营业里程将达到10万公里以上，客运专线、高速铁路达到10000公里，城市轨道交通达到4000公里左右[4]。由此观之，我国的铁路建设正处于一个蓬勃发展的阶段。

然而，随着钢轨使用时长的增加，在钢轨上行驶的火车速度的提高及其载重的加大，对钢轨所造成的损伤及破坏问题变得越来越严重。我国每年用于更换和维修损伤轨道的经费达80多亿人民币，因铁轨突发性破坏而导致列车脱轨而造成的损失，就更无法统计[5]。在钢轨的一系列磨损问题中，钢轨波浪型磨损是人们需要面对的一大难题。钢轨波浪形磨耗是指线路在投入运营后，轨道因摩擦及其他原因而在钢轨的顶面产生的沿纵向分布类似于波浪形的磨损现象，其目前己经成为钢轨损伤的一种主要形式，人们称其为“波磨”[6]。如图1.1所示。