新型測力輪對標(biāo)定試驗臺研制

胡愛全，祖宏林，張志超，儲高峰，章 亮

（中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京100081）

測力輪對是軌道車輛動力學(xué)試驗研究中的核心傳感器件，其性能的優(yōu)劣，直接影響著被試對象的評估結(jié)果。測力輪對標(biāo)定試驗臺是標(biāo)定測力輪對輸出特性、檢驗測力輪對各項性能指標(biāo)的專用設(shè)備，測力輪對標(biāo)定是測力輪對研究及運用中的重要環(huán)節(jié)。

隨著我國鐵路快速發(fā)展，機車車輛制造技術(shù)大幅度提升，對測力輪對的性能也提出了更高的要求。以往的測力輪對標(biāo)定手段，無論是設(shè)備適應(yīng)能力，還是標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確程度以及完整性方面，都已無法滿足相關(guān)科研活動的需求。研制更加科學(xué)、先進測力輪對標(biāo)定設(shè)備已顯得日益迫切。

1 現(xiàn)有測力輪對標(biāo)定手段及其技術(shù)狀態(tài)

測力輪對標(biāo)定一般是指在靜止?fàn)顟B(tài)下對測力輪對這種特殊傳感器施加靜態(tài)載荷，并測定其輸出特性的過程。其目的就是要通過標(biāo)定得到測力輪對的輸出特性，以判定測力輪對測量相關(guān)物理參量的性能及其質(zhì)量狀態(tài)。

目前國內(nèi)外測力輪對靜態(tài)標(biāo)定設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式多種多樣。圖1是國內(nèi)的LDBD－01型測力輪對標(biāo)定臺，采用了可外翻加載龍門架主體結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，方便了測力輪對裝入與取出作業(yè)；裝卡限位采用了絲杠頂推限位機構(gòu)，增強了對不同結(jié)構(gòu)形式測力輪對進行裝卡的適應(yīng)能力；其主要不足是采用了一維測力滑臺，無法進行縱向加載，標(biāo)定項目缺失。圖2是從美國引進的TTCI測力輪對標(biāo)定試驗臺，采用了二維測力滑臺，具備了垂、橫、縱3個不同方向加載標(biāo)定測力輪對輸出特性的功能；主體結(jié)構(gòu)采用的是固定框架結(jié)構(gòu)，測力輪對裝入和取出作業(yè)時，必須拆除固定框架整個頂部組件才能進行，工作效率較低；測力輪對的裝卡定位采用了垂直導(dǎo)框限位方式，只能適用于不帶軸箱體的測力輪對標(biāo)定，設(shè)備利用率較低。

圖1 LDBD－01型測力輪對標(biāo)定臺

圖2 TTCI測力輪對標(biāo)定臺

2 新型測力輪對標(biāo)定試驗臺的設(shè)計要求與設(shè)計目標(biāo)

如何在新型測力輪對標(biāo)定試驗臺的設(shè)計中克服現(xiàn)有標(biāo)定設(shè)備存在的不足，在做到標(biāo)定數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，又具有高效快捷、操作簡便、適應(yīng)性強的特點，是新型測力輪對標(biāo)定試驗臺研制需要統(tǒng)籌規(guī)劃和必須解決的問題。經(jīng)過充分論證和優(yōu)化，提出新型測力輪對標(biāo)定臺設(shè)計要求及設(shè)計目標(biāo)如下：

（1）標(biāo)定臺應(yīng)能實現(xiàn)對測力輪對施加垂、縱、橫3個方向載荷的獨立加載，也可實現(xiàn)組合加載。為滿足未來可能出現(xiàn)的33t大軸重機車測力輪對的標(biāo)定需求，新型測力輪對標(biāo)定試驗臺垂向和縱向單側(cè)最大加載能力分別設(shè)定為200kN和50kN；橫向力最大加載能力設(shè)定為150kN。

（2）新型標(biāo)定臺應(yīng)具備寬軌距及輪徑的測力輪對標(biāo)定適用能力。既能夠適應(yīng)從米軌（1 000mm）、準(zhǔn)軌（1 435mm）到寬軌（1 524mm）等不同機車車輛測力輪對的標(biāo)定需求；同時也要滿足輪徑范圍從φ600mm～φ1 300mm的測力輪對的標(biāo)定需求。

（3）新型測力輪對標(biāo)定試驗臺應(yīng)具備輪軌接觸點橫移量調(diào)整并給出指示的能力，以實現(xiàn)以滾動圓為基準(zhǔn)的輪軌接觸點橫移量調(diào)整與設(shè)定。其調(diào)節(jié)的范圍應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)從測力輪對輪緣頂部到輪輞外側(cè)面范圍內(nèi)全程可調(diào)，即應(yīng)將輪軌接觸點位置調(diào)整范圍設(shè)置在0～±70mm范圍內(nèi)。

（4）新型測力輪對標(biāo)定試驗臺應(yīng)能方便的實現(xiàn)各種類型測力輪對裝入、取出作業(yè)。避免現(xiàn)有測力輪對標(biāo)定試驗臺在標(biāo)定過程中必須拆除標(biāo)定臺部分組件后才能實施裝入、取出的繁瑣作業(yè)方式。

（5）新型測力輪對標(biāo)定試驗臺應(yīng)具備在標(biāo)定過程中，方便的對測力輪對實施橫向（軸向）及縱向（牽引方向）限位、定位的功能。橫向限位、定位裝置（機構(gòu)）應(yīng)能適應(yīng)輪對標(biāo)定過程中頻繁起升和降落操作的特點。即限位裝置與承載鞍或輪對軸箱體接觸的部分，應(yīng)具有與測力輪對垂向升降動作保持隨動的能力。縱向限位裝置（機構(gòu)）應(yīng)能較好的適應(yīng)不同輪徑測力輪對對其位置高度提出的可調(diào)整要求。即縱向限位裝置應(yīng)具有垂向位置寬范圍可調(diào)的能力。綜合各種類型測力輪對輪徑大小的不同，將其調(diào)整范圍設(shè)定在1 000mm以內(nèi)。

（6）新型測力輪對標(biāo)定試驗臺應(yīng)采用組合承載鞍做為對被標(biāo)定測力輪對實施限位及垂向加載、橫向及縱向限位的中間體。該組合承載鞍應(yīng)能滿足各種不同類型輪對軸承外徑尺寸對其提出的適應(yīng)性要求，且應(yīng)具有方便裝卡的特性。

（7）新型測力輪對標(biāo)定試驗臺應(yīng)采用液壓加載的方式，提供垂向、橫向、縱向等所需的靜態(tài)載荷。

表1匯總了新型測力輪對標(biāo)定試驗臺應(yīng)達到的技術(shù)指標(biāo)。

表1 新型測力輪對標(biāo)定試驗臺的技術(shù)指標(biāo)

3 新型測力輪對標(biāo)定試驗臺組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)給出的新型測力輪對標(biāo)定試驗臺設(shè)計要求，我們可以確定新型測力輪對標(biāo)定試驗臺應(yīng)該包括以下幾個組成部分（如圖3）。

圖3 新型標(biāo)定臺結(jié)構(gòu)組成框圖

（1）主體結(jié)構(gòu)部分

根據(jù)新型測力輪對標(biāo)定試驗臺的設(shè)計要求及設(shè)計目標(biāo)，可將新型測力輪對標(biāo)定試驗臺的主體結(jié)構(gòu)（圖4）劃分為以下幾個具體的功能單元：加載龍門架、承載底座、橫向限位裝置、縱向限位裝置、組合承載鞍、電氣控制及驅(qū)動機構(gòu)。

加載龍門架采用可移動的結(jié)構(gòu)形式；承載底座采用T字形。可移動加載龍門架分為左右兩個，分別設(shè)置在承載底座的左右兩側(cè)；龍門架立柱下端設(shè)移動滑車；承載底座前后兩側(cè)上端面接近邊緣的部位設(shè)置滑軌與龍門架立柱下端移動滑車相匹配。在加載龍門架立柱下端與T字形承載底座側(cè)面下方設(shè)置龍門架移動電驅(qū)動絲杠傳動機構(gòu)。

從圖4可以直觀地看到，加載龍門架可以在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)向內(nèi)和向外的開、合運動，一方面滿足了不同軌距測力輪對加載位置需做調(diào)整的需求，另一方面也為測力輪對的裝入和取出作業(yè)提供了方便。該設(shè)計解決了國內(nèi)外現(xiàn)有測力輪對標(biāo)定設(shè)備所存在的測力輪對裝入、取出作業(yè)困難的問題。

圖4 新型測力輪對標(biāo)定試驗臺主體結(jié)構(gòu)

橫向限位與縱向限位裝置是在標(biāo)定過程中對測力輪對實施橫向和縱向位置限定的機構(gòu)。橫向限位裝置共兩套，分別設(shè)置在承載底座臺面的左右兩側(cè)端部。縱向限位裝置共有4套，設(shè)置在加載龍門架每個立柱的中部，可通過電動或手動的方式實現(xiàn)垂直和水平方向的位置調(diào)整，以滿足不同輪徑、不同結(jié)構(gòu)形式軸箱體測力輪對在標(biāo)定過程中的縱向限位，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 縱向限位裝置

組合式承載鞍是為適應(yīng)不同軸承外徑輪對垂向加載而設(shè)計的，由上承載鞍、下承載鞍及4條緊固螺栓組成，如圖6所示。

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是適應(yīng)性強、裝卸簡便。不僅可以做到與所有不同類型的機車車輛測力輪對的軸承外徑尺寸相匹配，而且拆裝極為方便，只要旋動4條緊固螺栓即可方便的實現(xiàn)拆裝操作。

（2）測力滑臺及輪軌接觸點橫移量調(diào)整機構(gòu)

測力滑臺及輪軌接觸點橫移量調(diào)整裝置是測力輪對標(biāo)定試驗臺最核心的組件，它的結(jié)構(gòu)形式是影響標(biāo)定臺標(biāo)定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確程度及完整程度的關(guān)鍵因素。這里采用了一種3層二維形式的結(jié)構(gòu)，可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)橫向、縱向兩個方向的水平運動，以適應(yīng)標(biāo)定過程中輪對承受不同方向的載荷后產(chǎn)生彈性變形的需要。為最大限度的減小層與層之間相對運動的摩擦阻力對標(biāo)定數(shù)據(jù)的影響，在每層之間設(shè)置直線滾針軸承，以期將摩擦阻力的影響降到最低限度，其結(jié)構(gòu)見圖7。

圖6 組合承載鞍

圖7 3層二維測力滑臺

（3）橫向加載標(biāo)定裝置

橫向力加載標(biāo)定裝置（圖8）包括橫向力測量傳感器、橫向力撐桿、橫向力加載液壓缸、左右支架、滑臺及直線滑軌等組成。支架的作用主要是作為橫向力測量傳感器、橫向力撐桿、橫向力加載液壓缸等部件組合體的支撐。滑臺及直線滑軌的作用主要是實現(xiàn)橫向標(biāo)定裝置的前后位置調(diào)整與移動，以方便標(biāo)定中橫向標(biāo)定裝置的位置調(diào)整。

圖8 橫向加載標(biāo)定裝置

（4）液壓加載系統(tǒng)

標(biāo)定臺液壓加載系統(tǒng)是垂向、橫向、縱向加載的動力源，也是實現(xiàn)便捷操作的重要環(huán)節(jié)，需要在總體設(shè)計中重點考慮。

設(shè)計要求液壓系統(tǒng)既可實現(xiàn)垂向加減載、橫向加減載、縱向加減載、輪對升降等單項獨立控制，也可多項同時操作，彼此互不影響。為此，新型測力輪對標(biāo)定試驗臺液壓系統(tǒng)（圖9）組成包括2個單出桿雙向作用垂向加減載液壓缸；2個縱向加減載液壓缸；1個橫向加減載液壓缸；2個輪對升降液壓缸；液壓系統(tǒng)操作主控臺1套；液壓系統(tǒng)操作分控箱2個；液壓站及閥控單元各1套。液壓系統(tǒng)的操控方式采用了集中與分散相結(jié)合的控制模式，液壓系統(tǒng)各液壓缸的動作即可由主控臺操作控制，也可由分控箱進行控制，方便了標(biāo)定作業(yè)。

圖9 液壓系統(tǒng)組成框圖

（5）信號采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

信號采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括模擬信號采集儀器、數(shù)據(jù)處理計算機、顯示器、測力傳感器等。其組成見圖10。

圖10 信號采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)框圖

4 運用效果

標(biāo)定臺（圖11）安裝調(diào)試完成后，于2011年4月投入運行。先后對HXN3（帶電機和軸箱體，輪徑φ1 050 mm）、HXN5（不帶軸箱和電機，輪徑φ1 050mm）、HXD2（帶軸箱體，輪徑φ1 250mm）、E軸貨車輪對（輪徑φ840mm）、380B高速檢測列車（輪徑φ915mm）、DF21型米軌機車等6類10余條測力輪對進行了標(biāo)定，全面考核了TK－LDBD型測力輪對標(biāo)定試驗臺的所有技術(shù)指標(biāo)及其功能實現(xiàn)情況，取得了令人滿意的運用效果。

圖11 TK－LDBD型測力輪對標(biāo)定試驗臺

圖12 貨車E軸連續(xù)測量測力輪對實際標(biāo)定情況

圖13 貨車E軸測力輪對垂向標(biāo)定輸出特性

圖14 貨車E軸測力輪對橫向標(biāo)定輸出特性

圖15 貨車E軸測力輪對縱向標(biāo)定輸出特性

如貨車E軸連續(xù)測量測力輪對在新型測力輪對標(biāo)定試驗臺上的標(biāo)定（圖12）。得到的垂向、橫向和縱向輸出特性曲線如圖13～圖15所示。可以看到，被標(biāo)定的貨車E軸測力輪對在垂、橫、縱向力的作用下，所得輸出特性比較理想，符合設(shè)計要求。這也從另一個角度說明了新型測力輪對標(biāo)定試驗臺是一種性能優(yōu)良的測力輪對標(biāo)定設(shè)備。

5 結(jié)束語

TK－LDBD型測力輪對標(biāo)定試驗臺有效實現(xiàn)了測力輪對垂、橫、縱3個方向獨立及聯(lián)合加載，達到了標(biāo)定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、完整的要求。

新型測力輪對標(biāo)定試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、適應(yīng)能力強、功能配置齊全、使用維護方便，具備較高的電控化程度和較高的標(biāo)定效率。

它的研制成功，使我國測力輪對標(biāo)定設(shè)備的技術(shù)水平跨上了一個新的臺階，為高性能、高精度連續(xù)測量測力輪對的深入研究及運用提供了重要的保障。