李連峰，張曉磊，劉 林

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

開展“全產業(yè)鏈、全壽命周期、全溯源鏈、前瞻性”的計量測試技術研究，提升高速列車產業(yè)關鍵領域、關鍵設備的計量測試和量值傳遞技術能力，是支撐、促進、引領和創(chuàng)新發(fā)展高速列車產業(yè)計量測試體系的關鍵。本文通過對動車組轉向架靜載試驗臺校準技術的研究，形成了規(guī)范的校準方案，解決了動車組轉向架靜載試驗臺的校準難題。

動車組轉向架靜載試驗臺主要用于動車組轉向架靜載試驗，是配合動車組轉向架生產組裝及相關尺寸檢測的試驗設備。動車組轉向架靜載試驗臺采用電液伺服加載方式模擬車體質量，通過對輪重差、軸距、保壓以及各種功能的檢測或參數的測量，實現對動車組轉向架的性能檢測[1]。動車組轉向架靜載試驗臺的性能穩(wěn)定可靠至關重要，為此開展動車組轉向架靜載試驗臺校準技術的研究，通過周期校準保證動車組轉向架靜載試驗臺性能，以滿足生產需求和保障動車組的運營安全。

1 動車組轉向架靜載試驗臺的組成

動車組轉向架靜載試驗臺是具有焊接機座的框架結構，在此基礎上安裝了鐵軌和車輪測量單元，在結索中安裝有液壓測試汽缸，通過手輪可使其橫向移動。具體組成如圖1所示。

1.測試汽缸 1；2.測試汽缸 2；3.輔助結索；4.設備基座；5.車輪測量單元C；6.車輪測量單元D；7.車輪測量單元A；8.車輪測量單元B；9.結索。

如圖2所示，動車組轉向架靜載試驗臺配備了控制箱和工業(yè)電腦，安裝了專用測試軟件，通過觸摸屏或鍵盤控制所有設備功能及機械測試。

圖2 動車組轉向架靜載試驗臺控制箱和工業(yè)電腦

動車組轉向架靜載試驗臺配備了液壓動力裝置，通過可調節(jié)軸向柱塞泵調節(jié)設備壓力[2]。電子監(jiān)控系統(tǒng)可通過對油位和油溫進行檢測防止油溫持續(xù)過熱；次級泄壓閥可有效防止液壓過大；內置過濾器可防止設備污染，從而確保機器長期無故障運行。液壓動力裝置結構如圖3所示。

圖3 動車組轉向架靜載試驗臺液壓動力裝置

2 校準條件要求

2.1 環(huán)境要求

校準環(huán)境要求如下：

(1) 校準環(huán)境溫度為0～30 ℃；

(2) 校準環(huán)境相對濕度≤80% RH；

(3) 校準環(huán)境周圍無影響校準結果的震源、電磁干擾和腐蝕性介質；

(4) 動車組轉向架靜載試驗臺不得有影響校準結果的外觀缺陷。

2.2 主要測量標準器要求

(1) 標準測力儀主要用于動車組轉向架靜載試驗臺力值的校準，要求精度等級為0.3級及以上；測量范圍應覆蓋試驗臺滿量程的要求；示值重復性相對誤差和長期穩(wěn)定度均不大于0.3%；示值進程、回程相對誤差不大于1.5%。

(2) 激光干涉儀通過與不同的光學組件結合，可以實現對動車組轉向架靜載試驗臺直線度、垂直度、角度、平面度、平行度等多種幾何精度的測量，要求測量范圍不小于40 m，最大允許誤差為(0.5×10-6L) μm，線性分辨力為0.001 μm。

(3) 水準儀用于測量動車組轉向架靜載試驗臺輪重單元高度差、聯軸節(jié)高度尺導軌高度差等，要求測微器最小分格值為0.05 mm，水準管軸與視準軸投影在垂直面上所形成的夾角誤差(以下簡稱i角誤差)不大于12″。

(4) 量塊用于聯軸節(jié)高度尺示值誤差的測量，精度等級為5等及以上可滿足校準要求。

3 校準項目

動車組轉向架靜載試驗臺校準項目如表1所示。

表1 動車組轉向架靜載試驗臺校準項目

4 校準方法

4.1 加載和稱重測量單元的校準

動車組轉向架靜載試驗臺加載和稱重測量單元校準時，選取校準點不得少于5個，一般按測量范圍的20%、40%、60%、80%、100%均勻分布選取。采用液壓式加載，校準時將標準測力儀和試驗臺的示值調至零點，沿標準測力儀受力軸線逐點遞增施加試驗力值，至校準點保持穩(wěn)定后讀取進程示值，校準過程連續(xù)重復進行3次，其校準技術指標計算方法如下：

示值相對誤差q按式(1)計算：

(1)

F——與力標準器示值對應的試驗力。

示值重復性相對誤差b按式(2)計算：

(2)

式中：Fimax、Fimin——分別為試驗臺第i校準點3次進程示值的最大值和最小值；

4.2 輪重單元高度差的校準

動車組轉向架靜載試驗臺輪重單元高度差校準時，校準點應在輪重單元使用范圍內均勻選取不少于2個點。校準時將平尺和靶標放置在稱重單元支撐輪上，分別測量每個輪重單元高度，測量的最大值和最小值之差即為輪重單元高度差。

4.3 聯軸節(jié)高度尺導軌高度差的校準

動車組轉向架靜載試驗臺聯軸節(jié)高度尺導軌高度差校準時，校準點應在輪對軸距方向使用范圍內均勻選取不少于3個點，校準時將水準儀固定安裝，并調試至水平，將靶標放置在被測軌道使用點上，通過水準儀讀取數值并記錄，測量的最大值和最小值之差即為聯軸節(jié)高度尺導軌高度差。

4.4 輪重單元線性位移的校準

動車組轉向架靜載試驗臺輪重單元線性位移校準時，校準點應在其使用量程范圍內均勻選取不少于4個點，校準時將輪重單元在導軌上移動，將移動的距離與激光干涉儀顯示距離進行比較，其差值即為輪重單元線性位移示值誤差。

4.5 加載油缸線性位移(垂直)的校準

動車組轉向架靜載試驗臺加載油缸線性位移(垂直)校準時，校準點應在其使用范圍內均勻選取不少于3個點，校準時將橫梁由上向下移動，將移動的距離與激光干涉儀顯示距離進行比較，其差值即為加載油缸線性位移(垂直)示值誤差。

4.6 聯軸節(jié)高度尺示值誤差的校準

動車組轉向架靜載試驗臺聯軸節(jié)高度尺示值誤差校準時，校準點應在其測量范圍內均勻選取不少于3個點，校準時使用5級及以上量塊，在每個選取的測量點讀取尺身讀數并記錄，其測量值與量塊標稱值之差即為聯軸節(jié)高度尺示值誤差。

由上圖6可見，方法1其色譜圖的分離程度不高，方法2色譜圖的峰形較好，因此選擇第二種方法進行進一步的優(yōu)化。

5 測量不確定度評定

校準測量結果是否準確，通常根據被測量和測量值的誤差來描述，然而被測量的真值不是已知的，所以準確定量的難度很大。測量不確定度是與測量結果關聯的一個參數，用于表征合理賦予被測量值的分散性，是對測量結果質量和水平的科學表達，可以評價校準方法的合理性。動車組轉向架靜載試驗臺的校準同樣需要給出測量不確定度的評價[3]。

5.1 動車組轉向架靜載試驗臺線性位移定位精度測量結果的不確定度評定

5.1.1 評定方法

在環(huán)境溫度在10～35 ℃、相對濕度不大于80%的條件下，將激光干涉儀(最大允許誤差為±(0.5×10-6L) μm)反光鏡固定在導軌桁架上，激光發(fā)射方向與導軌運行方向相同。零位同時清零后，每運行50 mm，導軌系統(tǒng)與激光干涉儀分別記錄一次數據，導軌系統(tǒng)記錄的數據減去激光干涉儀的數據即為該位置的定位精度，建立數學模型如式(3)所示：

ΔL=L-L0

(3)

式中：ΔL——導軌定位精度；

L——被測位置導軌系統(tǒng)讀數；

L0——被測位置激光干涉儀讀數。

5.1.2.1測量重復性引入的標準不確定度μ1的評定

在重復性條件下對400 mm尺寸連續(xù)測量10次，測量值分別為400.07 mm、400.05 mm、400.07 mm、400.07 mm、400.04 mm、400.08 mm、400.05 mm、400.07 mm、400.09 mm、400.11 mm。單次試驗標準偏差s為：

式中：Li——第i次被測位置導軌系統(tǒng)讀數；

n——連續(xù)測量次數，n=10。

則μ1=s=0.020 5 mm。

5.1.2.2激光干涉儀示值誤差引入的標準不確定度μ2的評定

激光干涉儀本身精度受環(huán)境的影響變化可以忽略不計，還可根據被檢導軌的環(huán)境變化進行數據的修正，因此不考慮溫度對測量結果的影響。

5.1.3 合成不確定度評定

5.1.3.1主要測量標準不確定度分量

線性位移定位精度主要測量標準不確定度分量如表2所示。

表2 線性位移定位精度主要測量標準不確定度分量

5.1.3.2合成標準不確定度μc

以上各項標準不確定度分量相互獨立不相關，則：

5.1.3.3擴展不確定度U

取置信因子k=2(置信概率為95%)，當L=400 mm時，U=0.02×2=0.04 mm。

5.2 動車組轉向架靜載試驗臺測力示值誤差測量結果的不確定度評定

5.2.1 評定方法

在規(guī)定環(huán)境條件下，用0.1級標準測力儀對動車組轉向架靜載試驗臺進行直接測量，可得到與標準值相對應的試驗臺負荷示值。該過程連續(xù)進行3次，3次示值的算術平均值與標準測力儀示值之差，即得到該測量點的示值誤差，建立數學模型如式(4)所示：

(4)

式中：Δ——測量單元的示值誤差。

5.2.2 輸入量的標準不確定度評定

5.2.2.1測量重復性引入的標準不確定度μ1

對轉向架綜合試驗臺100 kN點進行測量，在重復條件下連續(xù)測量10次，測量結果分別為100.30 kN、100.26 kN、100.27 kN、100.27 kN、100.28 kN、100.24 kN、100.29 kN、100.23 kN、100.24 kN、100.29 kN。

通過計算得到標準偏差為0.024 kN，3次平均值的標準偏差為0.014 kN，則測量重復性帶來的標準不確定度分量μ1=0.014 kN。

標準偏差s(x)為：

則測量重復性帶來的標準不確定度分量μ1=0.014 kN。

5.2.2.2標準測力儀示值誤差引入的標準不確定度μ2

5.2.3 合成不確定度評定

5.2.3.1主要測量標準不確定度分量

測力示值誤差主要測量標準不確定度分量如表3所示。

表3 測力示值誤差主要測量標準不確定度分量

5.2.3.2合成標準不確定度μc

由于以上各量彼此獨立，互不相關，則：

5.2.3.3擴展不確定度U

6 結束語

經過實踐證明，上述動車組轉向架靜載試驗臺校準的方法切實可行，檢測及校準精度滿足預期使用的要求，滿足設備現場校準、校準設備安裝攜帶方便、測量準確度高、檢測數據處理簡單快捷等技術要求和特點，適合在軌道交通領域廣泛應用。該項校準技術研究，也填補了高速列車產業(yè)校準技術領域的空白，有力支撐了高速列車產業(yè)計量的創(chuàng)新發(fā)展。