转向架静载试验台的标定及加垫计算

单振凯

（广州市地下铁道总公司，广州510310）

0 引言

转向架静载试验台广泛应用于铁路、地铁检修基地，是批量检修转向架必备的最终质量把关设备，也可以用于转向架制造厂家。广州地铁每日客流量非常大，电客车在运营5年或75万km后陆续进入架修期就要用到该设备。依据实际需求，其主要功能包括但不限于以下几种：测量四角高和一系弹簧位移变形，计算对角线，检测空载和加载情况下各轮轮重，检测制动系统及管路的气密性，测量轴距和内侧距，计算调整加垫厚度等。

1 安装方式与组成

安装方式分为地坑式和地面式。一般为了提高工作效率且不受库内天车吊运转向架的限制，通常采用地坑式，试验台导轨两端与厂房标准轨道水平连接。在新建车辆段施工时需在库内预留安装基础坑，坑中预埋接地网和线管，远离各种振动源并有隔振措施，如在既有车辆段内新增该设备，需制定详细的施工组织方案，组织好材料、机械进退场工作，保护和迁改既有管线，保证工程施工用水、用电的需要，将对库内其他检修作业的影响降至最低。

图1 总装图

基本组成：转向架静载试验台包括：机械部分、液压系统、电气系统、气动系统、测量系统。机械部分包括龙门框架、垂向加载装置、轨道升降装置、称重装置等。液压系统包括泵站、执行机构、伺服阀、油缸、冷却机以及管路系统，油缸加载力的数据测量通过高精度力传感器实时采集，传输到计算机内采用比例-积分-微分调节确保加载力的稳定。电气系统包括传感器、电器箱、操作台、工控机、显示器等，具有自动信息处理数据输出以及检测报告自动生成功能。气动系统配备一台小型空气压缩机。总装图如图1所示。

2 基础施工与标定

1）基础施工要求。土建施工质量的好坏直接关系到设备今后的使用情况，参照建筑地基基础设计规范GB50007-2002，整个基础的承载能力不低于30 t，地基承载力特征值fak≥150 kPa，厚度由现场确定不小于100 mm。基础垫层采用C15商品砼，底板、侧壁采用P6C25商品砼。

2）水平标定。试验台在出厂前已经进行了整机装配和精度调整，各部件定位元件位置已确定。现场安装之后只需要检测和调整整机安装水平精度即可。检测分两次进行，第一次在机座和立柱、横梁安装完后进行。第二次检测在整机装配完毕后进行，保证4个称重单元的水平高度差小于0.1 mm。

图2 检定装置

3）称重单元标定。称重传感器采用国内或国际知名品牌的合格产品，传感器自身存在的误差、安装误差、系统误差等都将影响最终检测结果，因此在设备安装完毕后有必要对4个称重单元进行逐一标定。如图2，检定装置由加力架、标准传感器/显示仪表和千斤顶组成。使用时将该装置固定在称重单元的正上方，将标准传感器和千斤顶置于加力架和称重单元之间，锁紧加力架拉杆，再用千斤顶加载，加载不同的载荷，即可对称重单元进行标定，操作简便、省力。检定过程：称重单元额定量程为10 t，对传感器施加预负荷至少3次，每次额定负荷的保持时间应为30 s～1 min。每次加载至额定负荷后卸荷到零负荷，等待至少30 s。卸除最后一次预负荷之后，等待1 min，根据需要，可调整指示仪表的量程和零点，读取零点输出值。检定用标准传感器对称重单元依次加载和卸载，一般检定4个称量点，即2 t、5 t、8 t、10 t。

称重单元的实际分度值d=5 kg，检定分度值e=10 kg。

最大误差应符合表1所示的允差规定。

表1 最大允许误差

4）力传感器标定。力传感器的检定与称重传感器的检定使用同一套加力架，只是在2个拉杆的下面再增加1个加载横梁，形成封闭的加载框架。检定前必须按照正确的接线方法将力传感器与仪表相连，并通电预热0.5 h以上。检查加力架与传感器接触面的质量，不得有锈蚀、擦伤及杂物。力传感器在加力架上的安装应保证力传感器的主轴线和加载轴相重合，使倾斜负荷和偏心负荷的影响减到最小。对力传感器施加预负荷至少3次，每次额定负荷的保持时间应为30 s～1 min。每次加至额定负荷后卸荷到零负荷，等待至少30 s。卸除最后一次预负荷之后，等待1 min，根据需要，可调整指示仪表的量程和零点，读取零点输出值。检定的初级负荷一般为额定负荷的10%～20%，检定点应尽量均匀分布，一般不少于5点（不包括零负荷），推荐为8点（分别为额定负荷的10%、20%、30%、40%、50%、60%、80%、100%）。逐级施加递增负荷，直到额定负荷。在每一级负荷加到后，保持一定时间，再读取输出值。达到额定负荷后，逐级施加递减负荷。在每一级负荷退回后，保持一定时间，再读取输出值。退回到零负荷，保持1 min，读取零点输出值。需要时，重新调整指示仪表的零点。标准称的数值减去力传感器数值，不超过±0.5 kN为合格。

3 加垫计算

轮重均衡达到IEC61133标准和国标GB7928-2003的规定，试验台4个称重单元上都装有称重传感器，检测4个车轮的空载轮重和加载轮重；同时试验台相对于4个车轮处装有4个拉线编码器长度计，其拉线前端用磁铁吸附在转向架一系弹簧上支座上，通过此长度计测得一系弹簧加载时的变形量。计算机利用检测出的转向架空载轮重、总加载力、加载轮重、一系弹簧压缩量，即可计算出各弹簧的刚度系数，并进一步计算出应加的弹簧垫厚度。一系弹簧支承点载荷分布不均是造成轮重、轴重分配偏差的直接根源。通过增减弹簧的静压缩量（调整弹簧垫片厚度），来改善一系支承载荷的分配是常规做法。由于一系支承结构的力学模型是空间多元超静定形式，无法用常规方法求解，只能采用搜索寻优的方法求得数值解，采用SUMT法（即惩罚函数法，常用于多目标优化设计问题）求解，该算法转化为计算机程序，由计算机自动执行。其调簧数学模型如下：

图3 五号线和三号线的静载试验台结构

为了实现兼容不同轴距的转向架，试验台的4个称重单元和2个压力加载缸的位置是可以进行自动调整的，既可以在中心销加载又可以在空簧位置加载，满足轴距从1 800～2 500 mm动、拖车转向架的试验需要,单个称重单元量限为100 kN。

目前广州地铁一号线、三号线、五号线各有1台国产静载试验台，工作原理、功能基本相同，设计思路略有差异。以五号线转向架静载试验台为例，其在轮缘轨的设计思路上有别于国内其他制造厂参照瑞士Nencki的做法，在转向架通过式进入后，称重单元通过举升而不是轮缘轨下降的方式使轮对落入称重单元的2个托轮之间进行测量，如图3。

转向架的4个轮饼落入称重单元的托轮后，模拟空载、定员、超载3种工况下对空簧及制动系统气密性、轮重进行测量，如果轮重偏差超出±2%，系统自动判断转向架弹簧的加垫位置和加垫的厚度。每个制造厂家的计算方法存在较大差异，以某型转向架静载试验台为例：为使

根据静力平衡、力矩平衡、胡克定律及弹簧变形条件，可以简化力学模型列出n个方程组（n=4，为一系支承个数）。经过对该n个方程推导计算后，可得出在1～n支承点加垫量Δhi，与引起的第j点处一系支承反力ΔFj变化量的关系为：

由于在转向架静载试验台上，调簧前的一系支承载荷可以精确检测，所以在简化力学模型下，一系弹簧加垫后各一系支承载荷可由下式计算：

式（2）即为由转向架二系弹簧简化力学模型推导出的调簧公式，它反映了在一系弹簧处加垫调整时二系支承载荷的分配规律。静载试验台的各个作动器只要按照这个规律来模拟加垫，就可以逐渐逼近重力分配的最优结果。

4 结语

转向架静载试验台在转向架制造厂家及运营单位的转向架大修作业中起到了关键性作用,国产设备价格只有进口同类产品的1/3甚至1/4。由于研发生产的企业、高校众多，竞争激烈，使转向架静载试验台的技术水平日益提高，但仍存在重复测量精度不够稳定和液压元件质量不过关引起的泄漏问题，需要科研人员继续努力解决。

［参考文献］

［1］中华人民共和国铁道部.铁路客车轮对和滚动轴承轴箱组装及检修规则［S］.北京：中国铁道出版社，2008.

［2］刘盛勋，赵邦华.车辆设计参考手册-转向架［M］.北京：中国铁道出版社，1998.