彈條扣壓力測試裝置研制

裴煜鵬，宋月超，許光輝

（1. 廣州計量檢測技術(shù)研究院，廣州 510663；2. 廣東生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院，廣州 510520）

1 前言

地鐵正日益成為我國城市主要的公共交通工具，地鐵交通的發(fā)展在我國經(jīng)濟(jì)中起到了舉足輕重的作用。隨著列車速度和軸重的不斷增加，列車行駛安全越來越受到重視。軌道扣件是用以聯(lián)結(jié)鋼軌和軌枕（或其他類型軌下基礎(chǔ)）的零件，主要作用是將鋼軌固定在軌道上，為列車車輪提供平整穩(wěn)固的行車條件?？奂到y(tǒng)的扣壓力對軌道彈性和幾何尺寸起著重要作用，直接影響著高速列車運(yùn)行的安全性和舒適性[1]。最常用的為彈條式扣件，包括螺紋道釘、螺母、平墊圈、彈條、軌距擋板、擋板座和橡膠墊板等零件。其中，彈條是實現(xiàn)扣件系統(tǒng)功能的重要組成部分。若彈條的扣壓力太小，無法保證鋼軌在軌枕上的穩(wěn)定，則會極大危及列車行車安全；若扣壓力過大，彈條結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的殘余變形，長時間服役會導(dǎo)致彈條應(yīng)力松弛現(xiàn)象，使得軌道結(jié)構(gòu)承受較大的沖擊荷載，極大加重車軌關(guān)鍵部件的疲勞斷裂問題[2]。因此彈條扣壓力必須保持在合理區(qū)間范圍內(nèi)，并具有良好的一致性。

現(xiàn)階段扣壓力測試方法主要分為實驗室條件下檢測和工程現(xiàn)場檢測兩種。其中實驗室檢測是針對扣件的整體檢測，對于扣件自身的檢測比較準(zhǔn)確，但只停留在理想環(huán)境下，不能反映扣件在實際工作中的狀態(tài)[1]。由于地鐵工務(wù)人員的工作環(huán)境艱苦，工作時間主要在列車停止運(yùn)行的天窗期間，提高工務(wù)人員工作效率和降低勞動強(qiáng)度勢在必行，因此開發(fā)一套能夠在工程現(xiàn)場使用，在線檢測扣件彈條扣壓力的測試裝置，具有更重要的現(xiàn)實意義。本文中彈條扣壓力檢測裝置主要目的就是針對軌道交通檢修工務(wù)人員在線的快速檢測。

目前國內(nèi)主要有兩種型式的扣壓力測試裝置：一類是液壓傳動式，另一類是機(jī)械杠桿傳動式[3]。STCK-Ⅲ型扣件扣壓力測試裝置屬于液壓傳動式，主要由夾持部分、加載傳動系統(tǒng)、力值測量系統(tǒng)三部分組成，如圖1 所示。其測試原理是通過傳動裝置加載使四連桿夾具自動夾緊，并由拉力傳感器將力值信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換和運(yùn)算處理后由數(shù)字式儀表進(jìn)行顯示。[4]該套測試裝置可實現(xiàn)扣壓力的工程現(xiàn)場檢測，專用夾具作用于Ⅲ型扣件，可以直接檢測出扣壓力。但該測試裝置沒有定位功能，在檢測時可能發(fā)生力的偏轉(zhuǎn)，使得測力傳感器與彈條不能處于鉛錘線上，以致影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 液壓傳動式測量裝置

杠桿傳動式彈條扣壓力測試裝置是一種機(jī)械式測量裝置（如圖2 所示），由夾緊裝置1、傳動桿2、電子測力器3（含數(shù)字顯示屏5）、杠桿4、鉸接式平行四邊形6 和絲桿7 構(gòu)成。傳動桿鉸接在夾緊裝置與杠桿之間，電子測力器設(shè)置在傳動桿中，平行四邊形的一角鉸接在杠桿的一端，絲桿的螺紋端與平行四邊形的一角螺紋連接，另一端與四邊形的螺紋連接角的對角鉸接。利用絲桿驅(qū)動鉸接式平行四邊形，帶動傳動桿使彈性扣件8 抬起至要求的測量高度，所測得的扣壓力由電子測力器示出。[5]該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便易控，但平行四邊形裝置不穩(wěn)定，且鉸鏈無法承受較大的作用力。

圖2 杠桿式傳動式測量裝置

南昌大學(xué)的高玉和、朱洪濤等針對鋼軌扣件扣壓力測試裝置進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計，其主要是在機(jī)械式測試原理的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了夾具結(jié)構(gòu)，對定位裝置進(jìn)行了設(shè)計，同時采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行加載。[3,6]余喆琦等還探討了激光測量在高速鐵路扣件扣壓力檢測的適用性，彌補(bǔ)人工檢測的精度低、效率低的不足。[1]南昌大學(xué)的研究者雖然對測試裝置進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，但未見其在工程中的實際使用情況。

綜合分析前人研究成果，現(xiàn)有的扣件彈條扣壓力在線測試裝置仍存在如下問題：

（1）現(xiàn)有檢測裝置多采用間接測試法，測試過程復(fù)雜，精度較低；

（2）現(xiàn)有測試裝置夾具容易發(fā)生損壞；

（3）現(xiàn)有夾具種類較少，不能滿足多種類型檢測裝置要求；

（4）扣壓力檢測過程中，最大扣壓力形成位置判斷條件不容易獲得，測試精度較低；

（5）加載系統(tǒng)穩(wěn)定性欠佳，且加載速度不均勻，不能在最大力時保持加載，測試重復(fù)性較差。

為了解決上述問題，本文將研發(fā)一套扣件彈條扣壓力在線測試裝置，該測試裝置將通過傳感器直接測試扣件彈條的扣壓力，減少力轉(zhuǎn)移過程中的測量誤差，確保測試精度要求。并根據(jù)現(xiàn)有彈條類型及其檢測、應(yīng)用情況，設(shè)計典型的夾具，滿足更廣泛的應(yīng)用。還將設(shè)計螺旋絲桿加載系統(tǒng)，在滿足較大加載壓力同時保證穩(wěn)定加載的要求。

2 扣壓力測量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 研究步驟

本文采用仿真設(shè)計和實驗相結(jié)合的方式，針對扣件彈條扣壓力在線測試裝置存在的問題，在拉升組件、夾具組件、測力裝置、檢測方法及彈條扣壓力影響因素等幾方面展開，既解決現(xiàn)有測試裝置精度較低、讀數(shù)精度不高等問題，又兼顧彈條扣壓力影響因素的研究，充分利用較高精度測試數(shù)據(jù)為彈條設(shè)計、使用機(jī)構(gòu)提供支撐。具體研究步驟如圖3 所示。

圖3 研究步驟示意圖

2.2 測試裝置的結(jié)構(gòu)與特點

彈條扣壓力測試裝置主要由固定支架、驅(qū)動裝置、絲桿、測力傳感器、加力鉗等部件組成。整套設(shè)備示意圖如圖4 所示。

圖4 彈條扣壓力測試裝置示意圖

圖中：固定支架10、驅(qū)動裝置20、絲桿30、測力傳感器40、加力鉗50。

（1）絲桿與固定支架豎直滑動連接，絲桿的下端通過測力傳感器與加力鉗連接，驅(qū)動裝置與絲桿驅(qū)動連接。

（2）加力鉗包括提拉桿、第一鉗臂和第二鉗臂。第一鉗臂、第二鉗臂的上端與提拉桿的下端鉸接，提拉桿的上端與測力傳感器連接。鉗臂采用鉸接式雙S 型夾具，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。

（3）固定支架包括第一支撐臂11、第二支撐臂12 和支撐橫梁13。

支撐橫梁的一端與第一支撐臂固定連接，支撐橫梁的另一端與第二支撐臂滑動連接，絲桿與支撐橫梁的中部豎直滑動連接。

第一支撐臂包括固定鋼柱和支撐底板。固定鋼柱的下端與支撐底板的頂板面連接，固定鋼柱的上端與支撐橫梁的一端連接。

第二支撐臂包括螺桿、調(diào)節(jié)螺母和定位U 槽。支撐橫梁的另一端設(shè)有第一通孔，螺桿的下端與定位U 槽連接，定位U 槽的凹口朝下，螺桿的上端穿過第一通孔與調(diào)節(jié)螺母相匹配連接。

該設(shè)計一方面用支撐底板支承固定鋼柱以增加第一支撐臂下端的支撐面積，另一方面用定位U槽的凹口與鐵路鋼軌的頂面相配合支撐連接以保持第二支撐臂的穩(wěn)固。使用時，通過調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)螺桿的高度，將測力傳感器、加力鉗與被測彈條置于一條鉛錘線上，從而使驅(qū)動裝置驅(qū)動提升絲桿時，支撐更為穩(wěn)定，受力更為均勻，測量結(jié)果更為準(zhǔn)確。

（4）驅(qū)動裝置包括傳動機(jī)構(gòu)21 和加力機(jī)構(gòu)22。

傳動機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)桿、主動輪、從動輪和傳動帶。支撐橫梁靠近第一支撐臂一端設(shè)有第二通孔，支撐橫梁的中部設(shè)有第三通孔，加力機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)桿的下端驅(qū)動連接，旋轉(zhuǎn)桿的上端穿過第二通孔與主動輪連接。從動輪具有第一螺孔，絲桿的下端與測力傳感器連接，絲桿的上端穿過第三通孔與第一螺孔相匹配連接，傳動帶的兩端纏繞在主動輪、傳動輪上。

加力機(jī)構(gòu)包括加力手柄、箱體、第一轉(zhuǎn)向齒輪和第二轉(zhuǎn)向齒輪。箱體的側(cè)面上設(shè)有第四通孔，箱體的頂部上設(shè)有第五通孔，加力手柄穿過第四通孔與第一轉(zhuǎn)向齒輪連接，旋轉(zhuǎn)桿的下端穿過第五通孔與第二轉(zhuǎn)向齒輪連接，第一轉(zhuǎn)向齒輪與第二轉(zhuǎn)向齒輪齒合連接。

驅(qū)動裝置的加力機(jī)構(gòu)采用手柄、軸承、齒輪等，確保加載的順暢省力、過程穩(wěn)定、速度可控、轉(zhuǎn)向傳動；傳動機(jī)構(gòu)則通過旋轉(zhuǎn)桿、動輪、傳動帶等，保證了絲桿沿豎直方向滑動，使提升力方向與彈條受力方向在一條直線上。兩者聯(lián)動，通過直接測試提升拉力來獲得彈條扣壓力，從而提高測試精度。

2.3 測試裝置的使用方法

本彈條扣壓力測試裝置實現(xiàn)了對彈條扣壓力的現(xiàn)場在線檢測，可以直接檢測出彈條的扣壓力，并且方便攜帶。使用時，先安裝固定支架10，將固定支架10 支撐在軌道基礎(chǔ)60 和鋼軌70 上，確保整個裝置穩(wěn)固；調(diào)節(jié)固定支架10 的支撐高度，使絲桿30 在固定支架10 上豎直滑動，測力傳感器40、加力鉗50 與被測彈條80 處于一條鉛錘線上；將加力鉗50 緊緊夾住被測彈條80 的壓趾部分；然后用驅(qū)動裝置20 驅(qū)動提升絲桿30，從而提升測力傳感器40 和加力鉗50；當(dāng)加力鉗50 夾持住被測彈條80 向上抬升時，直至彈條80 壓趾部分與鋼軌70 出現(xiàn)縫隙（剛好能插入0.1mm 的塞尺），穩(wěn)定住驅(qū)動裝置20；讀取測力傳感器40 的讀數(shù)值，該讀數(shù)值即為彈條80 扣壓力值。

3 試驗驗證

在軌道線路上選取被測彈條，采用彈條扣壓力在線測試裝置對Ⅲ型彈條和PR 型彈條進(jìn)行測試，結(jié)果如表1 所示：

表1 彈條扣壓力測試結(jié)果

從測試結(jié)果分析，Ⅲ型彈條和PR 型彈條扣壓力均處于合理區(qū)間范圍之內(nèi)，且測試結(jié)果具有良好的一致性。

4 結(jié)論

本文研究開發(fā)了一種彈條扣壓力在線測試裝置，并確定了扣壓力測試方法。該裝置實現(xiàn)了對彈條扣壓力的現(xiàn)場在線檢測，可以直接檢測出彈條的扣壓力，并且方便攜帶。測試準(zhǔn)確度能夠滿足工程需要，測試結(jié)果具有良好的一致性。