WLST-17型鐵道車輛輪重儀校驗裝置的研究

武文婷 上海鐵路局科研所

以時速350 km的滬寧、滬杭開通運營以及即將開通的京滬高鐵，全國鐵路建設取得重大進展，技術裝備水平實現重大跨越，對鐵路運輸安全也提出了更高的要求。隨著電子技術的發展，輪重儀作為一種測量鐵道車輛超載、偏載重量的主要設備，近些年來在測量結構和原理上也發生了很大變化。新式輪重儀朝向諸如液壓做動力、傳感器和集成電路作為測量單元的趨勢發展。同時，相關行業標準和鐵路檢定規程對輪重儀校驗裝置的測量精度提出了更高的要求。上述這些原因都使得以往用于檢測輪重儀的校驗裝置變得不再適用。研究一種既能檢測傳統結構的輪重儀，又能用于新式輪重儀校驗等特點的新型輪重儀校驗裝置非常重要。

1 測量原理和主要功能

WLST-17型鐵道車輛輪重儀校驗裝置采用圓弧半徑、受力部位材料與實際車輪一致的弓形體結構模擬貨車車輪，將輪重儀用手動或電動的方式加壓舉升至測定值，然后將輪重儀測定值與高精度測力傳感器示值比對，從而對輪重儀進行標定和測量。

WLST-17型鐵道車輛輪重儀校驗裝置的顯示裝置是數字顯示屏，無判讀誤差。有兩種加載方式：輪重儀自身舉升加載和校驗裝置手壓油泵加載。當校驗電動輪重儀時，可用手壓油泵加載來精確控制加載值。

（1）采用高精度標準測力儀測定輪重儀的舉升力，為減小偏載誤差，測力傳感器位于對稱中心線上，并附有球頭球座機構。

（2）采用弓形體來模擬貨車車輪，弓形體下表面為圓柱面，圓弧半徑等于貨車車輪的半徑。弓形體既能等效于車輪的受力，又盡量縮小了尺寸和重量。弓形體的強度和剛度經力學計算得以保證，弓形體下表面受力點附近的硬度與貨車車輪相當。

（3）弓形體的上下運動由滾珠導柱導向，確保不歪斜。弓形體歪斜將引起測力儀器測力誤差增大。采用單導柱結構，既有利于減小摩擦阻力，又降低了成本。

（4）為確保輪重儀的舉重支點在前后方向與測力傳感器軸線平齊，下橫梁上裝有兩個擋條，分別擋住輪重儀的左、右兩個起重架。

（5）下橫梁活塞丈承點附近的硬度高于活塞底面的硬度，長期使用不會磨損。

（6）采用便于拆裝的組合式梁柱式框架結構，由4個大螺母緊固在一起。松開螺母即可拆解成零件，可裝入轎車行李箱運運輸，拆裝容易、省時。

（7）根據受力情況，按照等強度原則設計上橫梁和下橫梁，并采用工字梁斷面形狀，使上、下橫梁在達到強度、剛度要求的前題下，重量達最輕。

（8）上橫梁設計成倒弓形，數字顯示屏安裝在倒弓形正面中央，既美觀，又便于判讀。

（9）下橫梁中部裝有托架，可托住輪重儀，便于操作，減少誤差。

（10）校驗裝置裝有兩個長條形支腿，形成四個距離較大的支點，使校驗裝置放在地面或桌面上都非常穩固，操作時也不晃動。

2 結構設計

2.1 總體結構的確定

根據JJG（鐵道）179-2004《鐵道車輛輪重儀檢定規程》的要求，輪重儀的最大舉升力為13 t，考慮到對過載能力的檢測以及超限測量儲備量，可測最大舉力定為20 t。同時，為了便于搬運及送至現場標定測量，要求校驗裝置總質量不能超過130 kg，且方便拆裝。這么輕的結構件，要放進整臺輪重儀，尺寸又不能太小，還要承受這么大的載荷，設計難度很大。經過多方案對比分析和初步計算，最后確定為如圖1所示的雙梁雙立柱四螺母框架結構，由弓形體傳力，壓力傳感器配標準測力儀測量舉升力。

圖1 輪重儀校驗裝置結構（正面）

2.2 采用弓形體來模擬貨車車輪

輪重儀現場使用時，兩支點頂在貨車車輪外圓面上。為模擬這種工況，如用半個車輪，則尺寸和質量都太大。為此，設計了弓形體。弓形體下表面為圓柱面，圓弧半徑等于貨車車輪的半徑。弓形體既能等效于車輪的受力，又盡量縮小了尺寸和重量。弓形體的強度和剛度經力學計算得以保證，弓形體下表面受力點附近的硬度與貨車車輪相當。

2.3 設計成工字型截面等強度梁

為了盡量減輕框架結構的質量，上橫梁和下橫梁采用工字形斷面，并按等強度原則計算截面高度，使上橫梁和下橫梁在強度、剛度達到要求的前題下，質量最輕。

2.4 高精度測力儀的選用和壓力傳感器的定位

測力傳感器和測力儀器的選用是確保0.2%精度的關鍵。根據校驗裝置的總體結構，采用壓力傳感器比較合適，傳感器的承載能力定為200 kN。壓力傳感器主要型式有應變片式、壓電晶體式、彈簧式、砝碼重力式等。

彈簧式測力精度低，砝碼重力式結構復雜且尺寸重量大。壓電晶體式雖尺寸小，但絕緣要求高，不適合于測靜力，故不適用于輪重儀檢驗裝置。

應變片式傳感器與標準測力儀配套可獲得高的測力精度，量程可大可小，已廣泛被各計量單位采用，所以選用此種標準測力儀和傳感器。

應變測力傳感器主要有圓柱型和Z型兩種型式，經過試用，這兩種型式都可以。傳感器的安裝采用下底面用螺栓緊固在弓形體上平面上的方式，傳感器軸線與弓形體中心軸線重合。傳感器上端面有球頭，有球座孔的上墊板裝在傳感器與上橫梁之間。有球座孔的上墊板可在球頭上轉動和擺動，當上橫梁下平面有輕微歪斜時，上橫梁的反作用壓力仍可通過壓力傳感器的中軸線，可減小歪斜引起的測試誤差。

2.5 結構改進

上橫梁、下橫梁、立柱、大螺母都是承力零件，設計時都按20 t載荷進行強度和剛度計算。上橫梁、下橫梁采用工字形截面，截面形狀和尺寸比例既考慮了總體截面模數，又考慮了局部的穩定性和加工的方便性。立柱中部直徑較大，使兩端定位環面有足夠的面積。加工時，只要保證兩端定位環面與軸線的垂直度，就可保證裝配后上橫梁下平面與下橫梁上平面的平行度。這兩個平面的平行度是確保測力精度的一個重要環節。采用最簡單的螺紋緊固方式，一共4個大螺母，無平墊圈、彈簧墊圈、鎖緊螺母，使拆裝更快捷。對于這種只承受靜力的框架，大螺母擰緊后不會松動。兩個拆彎的長條形支腿也由大螺母固定在框架下邊。這種結構便于加工，便于拆裝，還使校驗裝置放置在地面或臺面上很穩定。

設計圖紙完成后，就進行樣機試制和標準測力儀采購。樣機經試用，基本實現了預想的功能，能測定輪重儀舉升力，最大承載20 t。當拿到江蘇省計量科學研究院檢測時，測力儀的精度達0.2%，但研究院提出加載值需精確控制，以便進行數據的對比和統計。根據此要求，在第一臺樣機基礎上，增設手壓油泵系統，通過手壓油泵加載時，可精確控制加載值。

在試用過程中，發現輪重儀兩個活塞舉升速度不一樣。，弓形體的歪斜必然引起舉升力作用線與測力傳感器軸線不相重合，將引起較大的測定值誤差。為解決這一問題，必須對弓形體導向。為此，增設了滾珠導柱，滾珠導柱經底座用螺栓緊固在下橫梁中央，導套用螺栓緊固在弓形體上。考慮到弓形體和下橫梁受力時產生的變形，不采用雙導柱形式，而采用單導柱形式。雙導柱的平行度難于保證，必然引起滑移阻力增大，影響測力精度。弓體形在上升過程中不許繞導柱軸線旋轉，故不能采用圓柱導柱，而采用了具有4條導軌的長方形導柱。滾珠導柱的承載能力也進行了校驗計算。增加滾珠導柱以后，校驗裝置的測定精度得到明顯提高，測RWLS-13型輪重儀的重復性誤差一般在±0.06 t以內。還對同一臺輪重儀用不同校驗裝置對比試驗，測試數據基本相同，證明校驗裝置測定數據的精度已達要求。

接下來的改進主要在外觀方面。校驗裝置的零件都進行鍍鉻，既好看，又防銹。測力儀的顯示屏嵌裝到上橫梁正面中部，上橫梁正面加裝面板，既美觀，又便于讀數。在弓形體下表面與輪重儀支點接觸處，鑲嵌硬質鋼塊，可防止局部變形和磨損，更接近于貨車車輪表面的特性。在下橫梁上表面與輪重儀活塞接觸點附近，也鑲嵌硬質鋼塊，既可防止磨損和局部變形，又使表面特性更接近于鐵軌踏面。

測試時，輪重儀的兩個支點支在弓形體的下圓柱面上，弓形體可能產生左右及前后的微量歪斜，使舉升力作用線與傳感器軸線不重合，測量誤差增大。因此采用滾珠導柱和滑臺的單導柱結構設計，弓形體固定在滑臺上，滾珠導柱固定在下橫梁上，由滾珠導柱確保滑臺上下運動方向，從而確保了弓形體在測量過程中不歪斜。

2.6 舉升載荷的精確控制

考慮到在檢測電動輪重儀時，由于電動機高速運轉的慣性，加載值不易控制，不便于數據對比和統計處理。因此校驗裝置上附裝有手壓泵，用油管連通到被測輪重儀的放氣口。手壓泵也有油箱、柱塞、進油閥、出油閥、回油閥，與輪重儀的油箱、柱塞、進油閥、出油閥、回油閥聯結成同一個液壓系統。由于液壓元件多了一倍，對各元件的密封性要求更高。使用時，用手壓動手壓桿泵油加載，當載荷接近預定值時可緩慢加壓，略超過預定值就停止加壓。

3 主要參數及應用環境

3.1 主要技術參數

主要技術參數見表1

表1 電動輪重儀主要技術參數

3.2 適用環境

(1)海拔高度：不大于4 000 m

(2)環境溫度：（20±5）℃

(3)空氣相對濕度：不大于80%

(4)無振動、沖擊、電磁場及其他干擾源

4 應用前景

隨著列車速度的一次次提升，以及重載運輸的大力發展，對車輛超載、偏載的檢測要求也不斷提高，在以往的校驗裝置不能滿足新型輪重儀的檢測以及新型輪重儀的使用越來越廣泛的背景下，該校驗裝置的推出正好滿足了輪重儀的量值溯源需要，適用于在局級計量檢測機構和各個貨場配置使用。