新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)研制

胡愛(ài)全，祖宏林，張志超，儲(chǔ)高峰，章 亮

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081）

測(cè)力輪對(duì)是軌道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)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(duì)象的評(píng)估結(jié)果。測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)是標(biāo)定測(cè)力輪對(duì)輸出特性、檢驗(yàn)測(cè)力輪對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)的專(zhuān)用設(shè)備，測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定是測(cè)力輪對(duì)研究及運(yùn)用中的重要環(huán)節(jié)。

隨著我國(guó)鐵路快速發(fā)展，機(jī)車(chē)車(chē)輛制造技術(shù)大幅度提升，對(duì)測(cè)力輪對(duì)的性能也提出了更高的要求。以往的測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定手段，無(wú)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(wú)法滿足相關(guān)科研活動(dòng)的需求。研制更加科學(xué)、先進(jìn)測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定設(shè)備已顯得日益迫切。

1 現(xiàn)有測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定手段及其技術(shù)狀態(tài)

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

目前國(guó)內(nèi)外測(cè)力輪對(duì)靜態(tài)標(biāo)定設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式多種多樣。圖1是國(guó)內(nèi)的LDBD－01型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定臺(tái)，采用了可外翻加載龍門(mén)架主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，方便了測(cè)力輪對(duì)裝入與取出作業(yè)；裝卡限位采用了絲杠頂推限位機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)了對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式測(cè)力輪對(duì)進(jìn)行裝卡的適應(yīng)能力；其主要不足是采用了一維測(cè)力滑臺(tái)，無(wú)法進(jìn)行縱向加載，標(biāo)定項(xiàng)目缺失。圖2是從美國(guó)引進(jìn)的TTCI測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)，采用了二維測(cè)力滑臺(tái)，具備了垂、橫、縱3個(gè)不同方向加載標(biāo)定測(cè)力輪對(duì)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(cè)力輪對(duì)裝入和取出作業(yè)時(shí)，必須拆除固定框架整個(gè)頂部組件才能進(jìn)行，工作效率較低；測(cè)力輪對(duì)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(cè)力輪對(duì)標(biāo)定，設(shè)備利用率較低。

圖1 LDBD－01型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定臺(tái)

圖2 TTCI測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定臺(tái)

2 新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)目標(biāo)

如何在新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)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(jiǎn)便、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，是新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)研制需要統(tǒng)籌規(guī)劃和必須解決的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)充分論證和優(yōu)化，提出新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定臺(tái)設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

（1）標(biāo)定臺(tái)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)力輪對(duì)施加垂、縱、橫3個(gè)方向載荷的獨(dú)立加載，也可實(shí)現(xiàn)組合加載。為滿足未來(lái)可能出現(xiàn)的33t大軸重機(jī)車(chē)測(cè)力輪對(duì)的標(biāo)定需求，新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)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(tái)應(yīng)具備寬軌距及輪徑的測(cè)力輪對(duì)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(jī)車(chē)車(chē)輛測(cè)力輪對(duì)的標(biāo)定需求；同時(shí)也要滿足輪徑范圍從φ600mm～φ1 300mm的測(cè)力輪對(duì)的標(biāo)定需求。

（3）新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)具備輪軌接觸點(diǎn)橫移量調(diào)整并給出指示的能力，以實(shí)現(xiàn)以滾動(dòng)圓為基準(zhǔn)的輪軌接觸點(diǎn)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(cè)力輪對(duì)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(diǎn)位置調(diào)整范圍設(shè)置在0～±70mm范圍內(nèi)。

（4）新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)能方便的實(shí)現(xiàn)各種類(lèi)型測(cè)力輪對(duì)裝入、取出作業(yè)。避免現(xiàn)有測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)在標(biāo)定過(guò)程中必須拆除標(biāo)定臺(tái)部分組件后才能實(shí)施裝入、取出的繁瑣作業(yè)方式。

（5）新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)具備在標(biāo)定過(guò)程中，方便的對(duì)測(cè)力輪對(duì)實(shí)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(jī)構(gòu)）應(yīng)能適應(yīng)輪對(duì)標(biāo)定過(guò)程中頻繁起升和降落操作的特點(diǎn)。即限位裝置與承載鞍或輪對(duì)軸箱體接觸的部分，應(yīng)具有與測(cè)力輪對(duì)垂向升降動(dòng)作保持隨動(dòng)的能力。縱向限位裝置（機(jī)構(gòu)）應(yīng)能較好的適應(yīng)不同輪徑測(cè)力輪對(duì)對(duì)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(lèi)型測(cè)力輪對(duì)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(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)采用組合承載鞍做為對(duì)被標(biāo)定測(cè)力輪對(duì)實(shí)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(lèi)型輪對(duì)軸承外徑尺寸對(duì)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(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)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(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。

表1 新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)

3 新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)給出的新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)要求，我們可以確定新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)該包括以下幾個(gè)組成部分（如圖3）。

圖3 新型標(biāo)定臺(tái)結(jié)構(gòu)組成框圖

（1）主體結(jié)構(gòu)部分

根據(jù)新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)目標(biāo)，可將新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)（圖4）劃分為以下幾個(gè)具體的功能單元：加載龍門(mén)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(dòng)機(jī)構(gòu)。

加載龍門(mén)架采用可移動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式；承載底座采用T字形?？梢苿?dòng)加載龍門(mén)架分為左右兩個(gè)，分別設(shè)置在承載底座的左右兩側(cè)；龍門(mén)架立柱下端設(shè)移動(dòng)滑車(chē)；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(mén)架立柱下端移動(dòng)滑車(chē)相匹配。在加載龍門(mén)架立柱下端與T字形承載底座側(cè)面下方設(shè)置龍門(mén)架移動(dòng)電驅(qū)動(dòng)絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

從圖4可以直觀地看到，加載龍門(mén)架可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)向內(nèi)和向外的開(kāi)、合運(yùn)動(dòng)，一方面滿足了不同軌距測(cè)力輪對(duì)加載位置需做調(diào)整的需求，另一方面也為測(cè)力輪對(duì)的裝入和取出作業(yè)提供了方便。該設(shè)計(jì)解決了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定設(shè)備所存在的測(cè)力輪對(duì)裝入、取出作業(yè)困難的問(wèn)題。

圖4 新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)

橫向限位與縱向限位裝置是在標(biāo)定過(guò)程中對(duì)測(cè)力輪對(duì)實(shí)施橫向和縱向位置限定的機(jī)構(gòu)。橫向限位裝置共兩套，分別設(shè)置在承載底座臺(tái)面的左右兩側(cè)端部?？v向限位裝置共有4套，設(shè)置在加載龍門(mén)架每個(gè)立柱的中部，可通過(guò)電動(dòng)或手動(dòng)的方式實(shí)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(cè)力輪對(duì)在標(biāo)定過(guò)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(duì)垂向加載而設(shè)計(jì)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(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)、裝卸簡(jiǎn)便。不僅可以做到與所有不同類(lèi)型的機(jī)車(chē)車(chē)輛測(cè)力輪對(duì)的軸承外徑尺寸相匹配，而且拆裝極為方便，只要旋動(dòng)4條緊固螺栓即可方便的實(shí)現(xiàn)拆裝操作。

（2）測(cè)力滑臺(tái)及輪軌接觸點(diǎn)橫移量調(diào)整機(jī)構(gòu)

測(cè)力滑臺(tái)及輪軌接觸點(diǎn)橫移量調(diào)整裝置是測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)最核心的組件，它的結(jié)構(gòu)形式是影響標(biāo)定臺(tái)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(shí)現(xiàn)橫向、縱向兩個(gè)方向的水平運(yùn)動(dòng)，以適應(yīng)標(biāo)定過(guò)程中輪對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力對(duì)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(jiàn)圖7。

圖6 組合承載鞍

圖7 3層二維測(cè)力滑臺(tái)

（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(cè)量傳感器、橫向力撐桿、橫向力加載液壓缸、左右支架、滑臺(tái)及直線滑軌等組成。支架的作用主要是作為橫向力測(cè)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?；_(tái)及直線滑軌的作用主要是實(shí)現(xiàn)橫向標(biāo)定裝置的前后位置調(diào)整與移動(dòng)，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(tái)液壓加載系統(tǒng)是垂向、橫向、縱向加載的動(dòng)力源，也是實(shí)現(xiàn)便捷操作的重要環(huán)節(jié)，需要在總體設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮。

設(shè)計(jì)要求液壓系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)垂向加減載、橫向加減載、縱向加減載、輪對(duì)升降等單項(xiàng)獨(dú)立控制，也可多項(xiàng)同時(shí)操作，彼此互不影響。為此，新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)（圖9）組成包括2個(gè)單出桿雙向作用垂向加減載液壓缸；2個(gè)縱向加減載液壓缸；1個(gè)橫向加減載液壓缸；2個(gè)輪對(duì)升降液壓缸；液壓系統(tǒng)操作主控臺(tái)1套；液壓系統(tǒng)操作分控箱2個(gè)；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(dòng)作即可由主控臺(tái)操作控制，也可由分控箱進(jìn)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(hào)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括模擬信號(hào)采集儀器、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、顯示器、測(cè)力傳感器等。其組成見(jiàn)圖10。

圖10 信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)框圖

4 運(yùn)用效果

標(biāo)定臺(tái)（圖11）安裝調(diào)試完成后，于2011年4月投入運(yùn)行。先后對(duì)HXN3（帶電機(jī)和軸箱體，輪徑φ1 050 mm）、HXN5（不帶軸箱和電機(jī)，輪徑φ1 050mm）、HXD2（帶軸箱體，輪徑φ1 250mm）、E軸貨車(chē)輪對(duì)（輪徑φ840mm）、380B高速檢測(cè)列車(chē)（輪徑φ915mm）、DF21型米軌機(jī)車(chē)等6類(lèi)10余條測(cè)力輪對(duì)進(jìn)行了標(biāo)定，全面考核了TK－LDBD型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)的所有技術(shù)指標(biāo)及其功能實(shí)現(xiàn)情況，取得了令人滿意的運(yùn)用效果。

圖11 TK－LDBD型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)

圖12 貨車(chē)E軸連續(xù)測(cè)量測(cè)力輪對(duì)實(shí)際標(biāo)定情況

圖13 貨車(chē)E軸測(cè)力輪對(duì)垂向標(biāo)定輸出特性

圖14 貨車(chē)E軸測(cè)力輪對(duì)橫向標(biāo)定輸出特性

圖15 貨車(chē)E軸測(cè)力輪對(duì)縱向標(biāo)定輸出特性

如貨車(chē)E軸連續(xù)測(cè)量測(cè)力輪對(duì)在新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)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?？梢钥吹剑粯?biāo)定的貨車(chē)E軸測(cè)力輪對(duì)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(jì)要求。這也從另一個(gè)角度說(shuō)明了新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)是一種性能優(yōu)良的測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定設(shè)備。

5 結(jié)束語(yǔ)

TK－LDBD型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)有效實(shí)現(xiàn)了測(cè)力輪對(duì)垂、橫、縱3個(gè)方向獨(dú)立及聯(lián)合加載，達(dá)到了標(biāo)定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、完整的要求。

新型測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、適應(yīng)能力強(qiáng)、功能配置齊全、使用維護(hù)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(guó)測(cè)力輪對(duì)標(biāo)定設(shè)備的技術(shù)水平跨上了一個(gè)新的臺(tái)階，為高性能、高精度連續(xù)測(cè)量測(cè)力輪對(duì)的深入研究及運(yùn)用提供了重要的保障。