單振凱

（廣州市地下鐵道總公司，廣州510310）

0 引言

轉(zhuǎn)向架靜載試驗(yàn)臺(tái)廣泛應(yīng)用于鐵路、地鐵檢修基地，是批量檢修轉(zhuǎn)向架必備的最終質(zhì)量把關(guān)設(shè)備，也可以用于轉(zhuǎn)向架制造廠家。廣州地鐵每日客流量非常大，電客車(chē)在運(yùn)營(yíng)5年或75萬(wàn)km后陸續(xù)進(jìn)入架修期就要用到該設(shè)備。依據(jù)實(shí)際需求，其主要功能包括但不限于以下幾種：測(cè)量四角高和一系彈簧位移變形，計(jì)算對(duì)角線(xiàn)，檢測(cè)空載和加載情況下各輪輪重，檢測(cè)制動(dòng)系統(tǒng)及管路的氣密性，測(cè)量軸距和內(nèi)側(cè)距，計(jì)算調(diào)整加墊厚度等。

1 安裝方式與組成

安裝方式分為地坑式和地面式。一般為了提高工作效率且不受庫(kù)內(nèi)天車(chē)吊運(yùn)轉(zhuǎn)向架的限制，通常采用地坑式，試驗(yàn)臺(tái)導(dǎo)軌兩端與廠房標(biāo)準(zhǔn)軌道水平連接。在新建車(chē)輛段施工時(shí)需在庫(kù)內(nèi)預(yù)留安裝基礎(chǔ)坑，坑中預(yù)埋接地網(wǎng)和線(xiàn)管，遠(yuǎn)離各種振動(dòng)源并有隔振措施，如在既有車(chē)輛段內(nèi)新增該設(shè)備，需制定詳細(xì)的施工組織方案，組織好材料、機(jī)械進(jìn)退場(chǎng)工作，保護(hù)和遷改既有管線(xiàn)，保證工程施工用水、用電的需要，將對(duì)庫(kù)內(nèi)其他檢修作業(yè)的影響降至最低。

圖1 總裝圖

基本組成：轉(zhuǎn)向架靜載試驗(yàn)臺(tái)包括：機(jī)械部分、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)。機(jī)械部分包括龍門(mén)框架、垂向加載裝置、軌道升降裝置、稱(chēng)重裝置等。液壓系統(tǒng)包括泵站、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、伺服閥、油缸、冷卻機(jī)以及管路系統(tǒng)，油缸加載力的數(shù)據(jù)測(cè)量通過(guò)高精度力傳感器實(shí)時(shí)采集，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)采用比例-積分-微分調(diào)節(jié)確保加載力的穩(wěn)定。電氣系統(tǒng)包括傳感器、電器箱、操作臺(tái)、工控機(jī)、顯示器等，具有自動(dòng)信息處理數(shù)據(jù)輸出以及檢測(cè)報(bào)告自動(dòng)生成功能。氣動(dòng)系統(tǒng)配備一臺(tái)小型空氣壓縮機(jī)?？傃b圖如圖1所示。

2 基礎(chǔ)施工與標(biāo)定

1）基礎(chǔ)施工要求。土建施工質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到設(shè)備今后的使用情況，參照建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50007-2002，整個(gè)基礎(chǔ)的承載能力不低于30 t，地基承載力特征值fak≥150 kPa，厚度由現(xiàn)場(chǎng)確定不小于100 mm?；A(chǔ)墊層采用C15商品砼，底板、側(cè)壁采用P6C25商品砼。

2）水平標(biāo)定。試驗(yàn)臺(tái)在出廠前已經(jīng)進(jìn)行了整機(jī)裝配和精度調(diào)整，各部件定位元件位置已確定?，F(xiàn)場(chǎng)安裝之后只需要檢測(cè)和調(diào)整整機(jī)安裝水平精度即可。檢測(cè)分兩次進(jìn)行，第一次在機(jī)座和立柱、橫梁安裝完后進(jìn)行。第二次檢測(cè)在整機(jī)裝配完畢后進(jìn)行，保證4個(gè)稱(chēng)重單元的水平高度差小于0.1 mm。

圖2 檢定裝置

3）稱(chēng)重單元標(biāo)定。稱(chēng)重傳感器采用國(guó)內(nèi)或國(guó)際知名品牌的合格產(chǎn)品，傳感器自身存在的誤差、安裝誤差、系統(tǒng)誤差等都將影響最終檢測(cè)結(jié)果，因此在設(shè)備安裝完畢后有必要對(duì)4個(gè)稱(chēng)重單元進(jìn)行逐一標(biāo)定。如圖2，檢定裝置由加力架、標(biāo)準(zhǔn)傳感器/顯示儀表和千斤頂組成。使用時(shí)將該裝置固定在稱(chēng)重單元的正上方，將標(biāo)準(zhǔn)傳感器和千斤頂置于加力架和稱(chēng)重單元之間，鎖緊加力架拉桿，再用千斤頂加載，加載不同的載荷，即可對(duì)稱(chēng)重單元進(jìn)行標(biāo)定，操作簡(jiǎn)便、省力。檢定過(guò)程：稱(chēng)重單元額定量程為10 t，對(duì)傳感器施加預(yù)負(fù)荷至少3次，每次額定負(fù)荷的保持時(shí)間應(yīng)為30 s～1 min。每次加載至額定負(fù)荷后卸荷到零負(fù)荷，等待至少30 s。卸除最后一次預(yù)負(fù)荷之后，等待1 min，根據(jù)需要，可調(diào)整指示儀表的量程和零點(diǎn)，讀取零點(diǎn)輸出值。檢定用標(biāo)準(zhǔn)傳感器對(duì)稱(chēng)重單元依次加載和卸載，一般檢定4個(gè)稱(chēng)量點(diǎn)，即2 t、5 t、8 t、10 t。

稱(chēng)重單元的實(shí)際分度值d=5 kg，檢定分度值e=10 kg。

最大誤差應(yīng)符合表1所示的允差規(guī)定。

表1 最大允許誤差

4）力傳感器標(biāo)定。力傳感器的檢定與稱(chēng)重傳感器的檢定使用同一套加力架，只是在2個(gè)拉桿的下面再增加1個(gè)加載橫梁，形成封閉的加載框架。檢定前必須按照正確的接線(xiàn)方法將力傳感器與儀表相連，并通電預(yù)熱0.5 h以上。檢查加力架與傳感器接觸面的質(zhì)量，不得有銹蝕、擦傷及雜物。力傳感器在加力架上的安裝應(yīng)保證力傳感器的主軸線(xiàn)和加載軸相重合，使傾斜負(fù)荷和偏心負(fù)荷的影響減到最小。對(duì)力傳感器施加預(yù)負(fù)荷至少3次，每次額定負(fù)荷的保持時(shí)間應(yīng)為30 s～1 min。每次加至額定負(fù)荷后卸荷到零負(fù)荷，等待至少30 s。卸除最后一次預(yù)負(fù)荷之后，等待1 min，根據(jù)需要，可調(diào)整指示儀表的量程和零點(diǎn)，讀取零點(diǎn)輸出值。檢定的初級(jí)負(fù)荷一般為額定負(fù)荷的10%～20%，檢定點(diǎn)應(yīng)盡量均勻分布，一般不少于5點(diǎn)（不包括零負(fù)荷），推薦為8點(diǎn)（分別為額定負(fù)荷的10%、20%、30%、40%、50%、60%、80%、100%）。逐級(jí)施加遞增負(fù)荷，直到額定負(fù)荷。在每一級(jí)負(fù)荷加到后，保持一定時(shí)間，再讀取輸出值。達(dá)到額定負(fù)荷后，逐級(jí)施加遞減負(fù)荷。在每一級(jí)負(fù)荷退回后，保持一定時(shí)間，再讀取輸出值。退回到零負(fù)荷，保持1 min，讀取零點(diǎn)輸出值。需要時(shí)，重新調(diào)整指示儀表的零點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)的數(shù)值減去力傳感器數(shù)值，不超過(guò)±0.5 kN為合格。

3 加墊計(jì)算

輪重均衡達(dá)到IEC61133標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)標(biāo)GB7928-2003的規(guī)定，試驗(yàn)臺(tái)4個(gè)稱(chēng)重單元上都裝有稱(chēng)重傳感器，檢測(cè)4個(gè)車(chē)輪的空載輪重和加載輪重；同時(shí)試驗(yàn)臺(tái)相對(duì)于4個(gè)車(chē)輪處裝有4個(gè)拉線(xiàn)編碼器長(zhǎng)度計(jì)，其拉線(xiàn)前端用磁鐵吸附在轉(zhuǎn)向架一系彈簧上支座上，通過(guò)此長(zhǎng)度計(jì)測(cè)得一系彈簧加載時(shí)的變形量。計(jì)算機(jī)利用檢測(cè)出的轉(zhuǎn)向架空載輪重、總加載力、加載輪重、一系彈簧壓縮量，即可計(jì)算出各彈簧的剛度系數(shù)，并進(jìn)一步計(jì)算出應(yīng)加的彈簧墊厚度。一系彈簧支承點(diǎn)載荷分布不均是造成輪重、軸重分配偏差的直接根源。通過(guò)增減彈簧的靜壓縮量（調(diào)整彈簧墊片厚度），來(lái)改善一系支承載荷的分配是常規(guī)做法。由于一系支承結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型是空間多元超靜定形式，無(wú)法用常規(guī)方法求解，只能采用搜索尋優(yōu)的方法求得數(shù)值解，采用SUMT法（即懲罰函數(shù)法，常用于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題）求解，該算法轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)程序，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行。其調(diào)簧數(shù)學(xué)模型如下：

圖3 五號(hào)線(xiàn)和三號(hào)線(xiàn)的靜載試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)兼容不同軸距的轉(zhuǎn)向架，試驗(yàn)臺(tái)的4個(gè)稱(chēng)重單元和2個(gè)壓力加載缸的位置是可以進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整的，既可以在中心銷(xiāo)加載又可以在空簧位置加載，滿(mǎn)足軸距從1 800～2 500 mm動(dòng)、拖車(chē)轉(zhuǎn)向架的試驗(yàn)需要,單個(gè)稱(chēng)重單元量限為100 kN。

目前廣州地鐵一號(hào)線(xiàn)、三號(hào)線(xiàn)、五號(hào)線(xiàn)各有1臺(tái)國(guó)產(chǎn)靜載試驗(yàn)臺(tái)，工作原理、功能基本相同，設(shè)計(jì)思路略有差異。以五號(hào)線(xiàn)轉(zhuǎn)向架靜載試驗(yàn)臺(tái)為例，其在輪緣軌的設(shè)計(jì)思路上有別于國(guó)內(nèi)其他制造廠參照瑞士Nencki的做法，在轉(zhuǎn)向架通過(guò)式進(jìn)入后，稱(chēng)重單元通過(guò)舉升而不是輪緣軌下降的方式使輪對(duì)落入稱(chēng)重單元的2個(gè)托輪之間進(jìn)行測(cè)量，如圖3。

轉(zhuǎn)向架的4個(gè)輪餅落入稱(chēng)重單元的托輪后，模擬空載、定員、超載3種工況下對(duì)空簧及制動(dòng)系統(tǒng)氣密性、輪重進(jìn)行測(cè)量，如果輪重偏差超出±2%，系統(tǒng)自動(dòng)判斷轉(zhuǎn)向架彈簧的加墊位置和加墊的厚度。每個(gè)制造廠家的計(jì)算方法存在較大差異，以某型轉(zhuǎn)向架靜載試驗(yàn)臺(tái)為例：為使

根據(jù)靜力平衡、力矩平衡、胡克定律及彈簧變形條件，可以簡(jiǎn)化力學(xué)模型列出n個(gè)方程組（n=4，為一系支承個(gè)數(shù)）。經(jīng)過(guò)對(duì)該n個(gè)方程推導(dǎo)計(jì)算后，可得出在1～n支承點(diǎn)加墊量Δhi，與引起的第j點(diǎn)處一系支承反力ΔFj變化量的關(guān)系為：

由于在轉(zhuǎn)向架靜載試驗(yàn)臺(tái)上，調(diào)簧前的一系支承載荷可以精確檢測(cè)，所以在簡(jiǎn)化力學(xué)模型下，一系彈簧加墊后各一系支承載荷可由下式計(jì)算：

式（2）即為由轉(zhuǎn)向架二系彈簧簡(jiǎn)化力學(xué)模型推導(dǎo)出的調(diào)簧公式，它反映了在一系彈簧處加墊調(diào)整時(shí)二系支承載荷的分配規(guī)律。靜載試驗(yàn)臺(tái)的各個(gè)作動(dòng)器只要按照這個(gè)規(guī)律來(lái)模擬加墊，就可以逐漸逼近重力分配的最優(yōu)結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)向架靜載試驗(yàn)臺(tái)在轉(zhuǎn)向架制造廠家及運(yùn)營(yíng)單位的轉(zhuǎn)向架大修作業(yè)中起到了關(guān)鍵性作用,國(guó)產(chǎn)設(shè)備價(jià)格只有進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品的1/3甚至1/4。由于研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)、高校眾多，競(jìng)爭(zhēng)激烈，使轉(zhuǎn)向架靜載試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)水平日益提高，但仍存在重復(fù)測(cè)量精度不夠穩(wěn)定和液壓元件質(zhì)量不過(guò)關(guān)引起的泄漏問(wèn)題，需要科研人員繼續(xù)努力解決。

［參考文獻(xiàn)］

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路客車(chē)輪對(duì)和滾動(dòng)軸承軸箱組裝及檢修規(guī)則［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

［2］劉盛勛，趙邦華.車(chē)輛設(shè)計(jì)參考手冊(cè)-轉(zhuǎn)向架［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1998.