轉向架靜載試驗臺的標定及加墊計算

單振凱

（廣州市地下鐵道總公司，廣州510310）

0 引言

轉向架靜載試驗臺廣泛應用于鐵路、地鐵檢修基地，是批量檢修轉向架必備的最終質量把關設備，也可以用于轉向架制造廠家。廣州地鐵每日客流量非常大，電客車在運營5年或75萬km后陸續進入架修期就要用到該設備。依據實際需求，其主要功能包括但不限于以下幾種：測量四角高和一系彈簧位移變形，計算對角線，檢測空載和加載情況下各輪輪重，檢測制動系統及管路的氣密性，測量軸距和內側距，計算調整加墊厚度等。

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內天車吊運轉向架的限制，通常采用地坑式，試驗臺導軌兩端與廠房標準軌道水平連接。在新建車輛段施工時需在庫內預留安裝基礎坑，坑中預埋接地網和線管，遠離各種振動源并有隔振措施，如在既有車輛段內新增該設備，需制定詳細的施工組織方案，組織好材料、機械進退場工作，保護和遷改既有管線，保證工程施工用水、用電的需要，將對庫內其他檢修作業的影響降至最低。

圖1 總裝圖

基本組成：轉向架靜載試驗臺包括：機械部分、液壓系統、電氣系統、氣動系統、測量系統。機械部分包括龍門框架、垂向加載裝置、軌道升降裝置、稱重裝置等。液壓系統包括泵站、執行機構、伺服閥、油缸、冷卻機以及管路系統，油缸加載力的數據測量通過高精度力傳感器實時采集，傳輸到計算機內采用比例-積分-微分調節確保加載力的穩定。電氣系統包括傳感器、電器箱、操作臺、工控機、顯示器等，具有自動信息處理數據輸出以及檢測報告自動生成功能。氣動系統配備一臺小型空氣壓縮機。總裝圖如圖1所示。

2 基礎施工與標定

1）基礎施工要求。土建施工質量的好壞直接關系到設備今后的使用情況，參照建筑地基基礎設計規范GB50007-2002，整個基礎的承載能力不低于30 t，地基承載力特征值fak≥150 kPa，厚度由現場確定不小于100 mm。基礎墊層采用C15商品砼，底板、側壁采用P6C25商品砼。

2）水平標定。試驗臺在出廠前已經進行了整機裝配和精度調整，各部件定位元件位置已確定。現場安裝之后只需要檢測和調整整機安裝水平精度即可。檢測分兩次進行，第一次在機座和立柱、橫梁安裝完后進行。第二次檢測在整機裝配完畢后進行，保證4個稱重單元的水平高度差小于0.1 mm。

圖2 檢定裝置

3）稱重單元標定。稱重傳感器采用國內或國際知名品牌的合格產品，傳感器自身存在的誤差、安裝誤差、系統誤差等都將影響最終檢測結果，因此在設備安裝完畢后有必要對4個稱重單元進行逐一標定。如圖2，檢定裝置由加力架、標準傳感器/顯示儀表和千斤頂組成。使用時將該裝置固定在稱重單元的正上方，將標準傳感器和千斤頂置于加力架和稱重單元之間，鎖緊加力架拉桿，再用千斤頂加載，加載不同的載荷，即可對稱重單元進行標定，操作簡便、省力。檢定過程：稱重單元額定量程為10 t，對傳感器施加預負荷至少3次，每次額定負荷的保持時間應為30 s～1 min。每次加載至額定負荷后卸荷到零負荷，等待至少30 s。卸除最后一次預負荷之后，等待1 min，根據需要，可調整指示儀表的量程和零點，讀取零點輸出值。檢定用標準傳感器對稱重單元依次加載和卸載，一般檢定4個稱量點，即2 t、5 t、8 t、10 t。

稱重單元的實際分度值d=5 kg，檢定分度值e=10 kg。

最大誤差應符合表1所示的允差規定。

表1 最大允許誤差

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

3 加墊計算

輪重均衡達到IEC61133標準和國標GB7928-2003的規定，試驗臺4個稱重單元上都裝有稱重傳感器，檢測4個車輪的空載輪重和加載輪重；同時試驗臺相對于4個車輪處裝有4個拉線編碼器長度計，其拉線前端用磁鐵吸附在轉向架一系彈簧上支座上，通過此長度計測得一系彈簧加載時的變形量。計算機利用檢測出的轉向架空載輪重、總加載力、加載輪重、一系彈簧壓縮量，即可計算出各彈簧的剛度系數，并進一步計算出應加的彈簧墊厚度。一系彈簧支承點載荷分布不均是造成輪重、軸重分配偏差的直接根源。通過增減彈簧的靜壓縮量（調整彈簧墊片厚度），來改善一系支承載荷的分配是常規做法。由于一系支承結構的力學模型是空間多元超靜定形式，無法用常規方法求解，只能采用搜索尋優的方法求得數值解，采用SUMT法（即懲罰函數法，常用于多目標優化設計問題）求解，該算法轉化為計算機程序，由計算機自動執行。其調簧數學模型如下：

圖3 五號線和三號線的靜載試驗臺結構

為了實現兼容不同軸距的轉向架，試驗臺的4個稱重單元和2個壓力加載缸的位置是可以進行自動調整的，既可以在中心銷加載又可以在空簧位置加載，滿足軸距從1 800～2 500 mm動、拖車轉向架的試驗需要,單個稱重單元量限為100 kN。

目前廣州地鐵一號線、三號線、五號線各有1臺國產靜載試驗臺，工作原理、功能基本相同，設計思路略有差異。以五號線轉向架靜載試驗臺為例，其在輪緣軌的設計思路上有別于國內其他制造廠參照瑞士Nencki的做法，在轉向架通過式進入后，稱重單元通過舉升而不是輪緣軌下降的方式使輪對落入稱重單元的2個托輪之間進行測量，如圖3。

轉向架的4個輪餅落入稱重單元的托輪后，模擬空載、定員、超載3種工況下對空簧及制動系統氣密性、輪重進行測量，如果輪重偏差超出±2%，系統自動判斷轉向架彈簧的加墊位置和加墊的厚度。每個制造廠家的計算方法存在較大差異，以某型轉向架靜載試驗臺為例：為使

根據靜力平衡、力矩平衡、胡克定律及彈簧變形條件，可以簡化力學模型列出n個方程組（n=4，為一系支承個數）。經過對該n個方程推導計算后，可得出在1～n支承點加墊量Δhi，與引起的第j點處一系支承反力ΔFj變化量的關系為：

由于在轉向架靜載試驗臺上，調簧前的一系支承載荷可以精確檢測，所以在簡化力學模型下，一系彈簧加墊后各一系支承載荷可由下式計算：

式（2）即為由轉向架二系彈簧簡化力學模型推導出的調簧公式，它反映了在一系彈簧處加墊調整時二系支承載荷的分配規律。靜載試驗臺的各個作動器只要按照這個規律來模擬加墊，就可以逐漸逼近重力分配的最優結果。

4 結語

轉向架靜載試驗臺在轉向架制造廠家及運營單位的轉向架大修作業中起到了關鍵性作用,國產設備價格只有進口同類產品的1/3甚至1/4。由于研發生產的企業、高校眾多，競爭激烈，使轉向架靜載試驗臺的技術水平日益提高，但仍存在重復測量精度不夠穩定和液壓元件質量不過關引起的泄漏問題，需要科研人員繼續努力解決。

［參考文獻］

［1］中華人民共和國鐵道部.鐵路客車輪對和滾動軸承軸箱組裝及檢修規則［S］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［2］劉盛勛，趙邦華.車輛設計參考手冊-轉向架［M］.北京：中國鐵道出版社，1998.