動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺校準(zhǔn)技術(shù)研究

李連峰，張曉磊，劉 林

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

開展“全產(chǎn)業(yè)鏈、全壽命周期、全溯源鏈、前瞻性”的計量測試技術(shù)研究，提升高速列車產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵領(lǐng)域、關(guān)鍵設(shè)備的計量測試和量值傳遞技術(shù)能力，是支撐、促進(jìn)、引領(lǐng)和創(chuàng)新發(fā)展高速列車產(chǎn)業(yè)計量測試體系的關(guān)鍵。本文通過對動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺校準(zhǔn)技術(shù)的研究，形成了規(guī)范的校準(zhǔn)方案，解決了動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺的校準(zhǔn)難題。

動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺主要用于動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗，是配合動車組轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)組裝及相關(guān)尺寸檢測的試驗設(shè)備。動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺采用電液伺服加載方式模擬車體質(zhì)量，通過對輪重差、軸距、保壓以及各種功能的檢測或參數(shù)的測量，實現(xiàn)對動車組轉(zhuǎn)向架的性能檢測[1]。動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺的性能穩(wěn)定可靠至關(guān)重要，為此開展動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺校準(zhǔn)技術(shù)的研究，通過周期校準(zhǔn)保證動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺性能，以滿足生產(chǎn)需求和保障動車組的運營安全。

1 動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺的組成

動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺是具有焊接機座的框架結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上安裝了鐵軌和車輪測量單元，在結(jié)索中安裝有液壓測試汽缸，通過手輪可使其橫向移動。具體組成如圖1所示。

1.測試汽缸 1；2.測試汽缸 2；3.輔助結(jié)索；4.設(shè)備基座；5.車輪測量單元C；6.車輪測量單元D；7.車輪測量單元A；8.車輪測量單元B；9.結(jié)索。

如圖2所示，動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺配備了控制箱和工業(yè)電腦，安裝了專用測試軟件，通過觸摸屏或鍵盤控制所有設(shè)備功能及機械測試。

圖2 動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺控制箱和工業(yè)電腦

動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺配備了液壓動力裝置，通過可調(diào)節(jié)軸向柱塞泵調(diào)節(jié)設(shè)備壓力[2]。電子監(jiān)控系統(tǒng)可通過對油位和油溫進(jìn)行檢測防止油溫持續(xù)過熱；次級泄壓閥可有效防止液壓過大；內(nèi)置過濾器可防止設(shè)備污染，從而確保機器長期無故障運行。液壓動力裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺液壓動力裝置

2 校準(zhǔn)條件要求

2.1 環(huán)境要求

校準(zhǔn)環(huán)境要求如下：

(1) 校準(zhǔn)環(huán)境溫度為0～30 ℃；

(2) 校準(zhǔn)環(huán)境相對濕度≤80% RH；

(3) 校準(zhǔn)環(huán)境周圍無影響校準(zhǔn)結(jié)果的震源、電磁干擾和腐蝕性介質(zhì)；

(4) 動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺不得有影響校準(zhǔn)結(jié)果的外觀缺陷。

2.2 主要測量標(biāo)準(zhǔn)器要求

(1) 標(biāo)準(zhǔn)測力儀主要用于動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺力值的校準(zhǔn)，要求精度等級為0.3級及以上；測量范圍應(yīng)覆蓋試驗臺滿量程的要求；示值重復(fù)性相對誤差和長期穩(wěn)定度均不大于0.3%；示值進(jìn)程、回程相對誤差不大于1.5%。

(2) 激光干涉儀通過與不同的光學(xué)組件結(jié)合，可以實現(xiàn)對動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺直線度、垂直度、角度、平面度、平行度等多種幾何精度的測量，要求測量范圍不小于40 m，最大允許誤差為(0.5×10-6L) μm，線性分辨力為0.001 μm。

(3) 水準(zhǔn)儀用于測量動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺輪重單元高度差、聯(lián)軸節(jié)高度尺導(dǎo)軌高度差等，要求測微器最小分格值為0.05 mm，水準(zhǔn)管軸與視準(zhǔn)軸投影在垂直面上所形成的夾角誤差(以下簡稱i角誤差)不大于12″。

(4) 量塊用于聯(lián)軸節(jié)高度尺示值誤差的測量，精度等級為5等及以上可滿足校準(zhǔn)要求。

3 校準(zhǔn)項目

動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺校準(zhǔn)項目如表1所示。

表1 動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺校準(zhǔn)項目

4 校準(zhǔn)方法

4.1 加載和稱重測量單元的校準(zhǔn)

動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺加載和稱重測量單元校準(zhǔn)時，選取校準(zhǔn)點不得少于5個，一般按測量范圍的20%、40%、60%、80%、100%均勻分布選取。采用液壓式加載，校準(zhǔn)時將標(biāo)準(zhǔn)測力儀和試驗臺的示值調(diào)至零點，沿標(biāo)準(zhǔn)測力儀受力軸線逐點遞增施加試驗力值，至校準(zhǔn)點保持穩(wěn)定后讀取進(jìn)程示值，校準(zhǔn)過程連續(xù)重復(fù)進(jìn)行3次，其校準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)計算方法如下：

示值相對誤差q按式(1)計算：

(1)

F——與力標(biāo)準(zhǔn)器示值對應(yīng)的試驗力。

示值重復(fù)性相對誤差b按式(2)計算：

(2)

式中：Fimax、Fimin——分別為試驗臺第i校準(zhǔn)點3次進(jìn)程示值的最大值和最小值；

4.2 輪重單元高度差的校準(zhǔn)

動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺輪重單元高度差校準(zhǔn)時，校準(zhǔn)點應(yīng)在輪重單元使用范圍內(nèi)均勻選取不少于2個點。校準(zhǔn)時將平尺和靶標(biāo)放置在稱重單元支撐輪上，分別測量每個輪重單元高度，測量的最大值和最小值之差即為輪重單元高度差。

4.3 聯(lián)軸節(jié)高度尺導(dǎo)軌高度差的校準(zhǔn)

動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺聯(lián)軸節(jié)高度尺導(dǎo)軌高度差校準(zhǔn)時，校準(zhǔn)點應(yīng)在輪對軸距方向使用范圍內(nèi)均勻選取不少于3個點，校準(zhǔn)時將水準(zhǔn)儀固定安裝，并調(diào)試至水平，將靶標(biāo)放置在被測軌道使用點上，通過水準(zhǔn)儀讀取數(shù)值并記錄，測量的最大值和最小值之差即為聯(lián)軸節(jié)高度尺導(dǎo)軌高度差。

4.4 輪重單元線性位移的校準(zhǔn)

動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺輪重單元線性位移校準(zhǔn)時，校準(zhǔn)點應(yīng)在其使用量程范圍內(nèi)均勻選取不少于4個點，校準(zhǔn)時將輪重單元在導(dǎo)軌上移動，將移動的距離與激光干涉儀顯示距離進(jìn)行比較，其差值即為輪重單元線性位移示值誤差。

4.5 加載油缸線性位移(垂直)的校準(zhǔn)

動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺加載油缸線性位移(垂直)校準(zhǔn)時，校準(zhǔn)點應(yīng)在其使用范圍內(nèi)均勻選取不少于3個點，校準(zhǔn)時將橫梁由上向下移動，將移動的距離與激光干涉儀顯示距離進(jìn)行比較，其差值即為加載油缸線性位移(垂直)示值誤差。

4.6 聯(lián)軸節(jié)高度尺示值誤差的校準(zhǔn)

動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺聯(lián)軸節(jié)高度尺示值誤差校準(zhǔn)時，校準(zhǔn)點應(yīng)在其測量范圍內(nèi)均勻選取不少于3個點，校準(zhǔn)時使用5級及以上量塊，在每個選取的測量點讀取尺身讀數(shù)并記錄，其測量值與量塊標(biāo)稱值之差即為聯(lián)軸節(jié)高度尺示值誤差。

由上圖6可見，方法1其色譜圖的分離程度不高，方法2色譜圖的峰形較好，因此選擇第二種方法進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

5 測量不確定度評定

校準(zhǔn)測量結(jié)果是否準(zhǔn)確，通常根據(jù)被測量和測量值的誤差來描述，然而被測量的真值不是已知的，所以準(zhǔn)確定量的難度很大。測量不確定度是與測量結(jié)果關(guān)聯(lián)的一個參數(shù)，用于表征合理賦予被測量值的分散性，是對測量結(jié)果質(zhì)量和水平的科學(xué)表達(dá)，可以評價校準(zhǔn)方法的合理性。動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺的校準(zhǔn)同樣需要給出測量不確定度的評價[3]。

5.1 動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺線性位移定位精度測量結(jié)果的不確定度評定

5.1.1 評定方法

在環(huán)境溫度在10～35 ℃、相對濕度不大于80%的條件下，將激光干涉儀(最大允許誤差為±(0.5×10-6L) μm)反光鏡固定在導(dǎo)軌桁架上，激光發(fā)射方向與導(dǎo)軌運行方向相同。零位同時清零后，每運行50 mm，導(dǎo)軌系統(tǒng)與激光干涉儀分別記錄一次數(shù)據(jù)，導(dǎo)軌系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)減去激光干涉儀的數(shù)據(jù)即為該位置的定位精度，建立數(shù)學(xué)模型如式(3)所示：

ΔL=L-L0

(3)

式中：ΔL——導(dǎo)軌定位精度；

L——被測位置導(dǎo)軌系統(tǒng)讀數(shù)；

L0——被測位置激光干涉儀讀數(shù)。

5.1.2.1測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度μ1的評定

在重復(fù)性條件下對400 mm尺寸連續(xù)測量10次，測量值分別為400.07 mm、400.05 mm、400.07 mm、400.07 mm、400.04 mm、400.08 mm、400.05 mm、400.07 mm、400.09 mm、400.11 mm。單次試驗標(biāo)準(zhǔn)偏差s為：

式中：Li——第i次被測位置導(dǎo)軌系統(tǒng)讀數(shù)；

n——連續(xù)測量次數(shù)，n=10。

則μ1=s=0.020 5 mm。

5.1.2.2激光干涉儀示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度μ2的評定

激光干涉儀本身精度受環(huán)境的影響變化可以忽略不計，還可根據(jù)被檢導(dǎo)軌的環(huán)境變化進(jìn)行數(shù)據(jù)的修正，因此不考慮溫度對測量結(jié)果的影響。

5.1.3 合成不確定度評定

5.1.3.1主要測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

線性位移定位精度主要測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量如表2所示。

表2 線性位移定位精度主要測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

5.1.3.2合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度μc

以上各項標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量相互獨立不相關(guān)，則：

5.1.3.3擴展不確定度U

取置信因子k=2(置信概率為95%)，當(dāng)L=400 mm時，U=0.02×2=0.04 mm。

5.2 動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺測力示值誤差測量結(jié)果的不確定度評定

5.2.1 評定方法

在規(guī)定環(huán)境條件下，用0.1級標(biāo)準(zhǔn)測力儀對動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺進(jìn)行直接測量，可得到與標(biāo)準(zhǔn)值相對應(yīng)的試驗臺負(fù)荷示值。該過程連續(xù)進(jìn)行3次，3次示值的算術(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)測力儀示值之差，即得到該測量點的示值誤差，建立數(shù)學(xué)模型如式(4)所示：

(4)

式中：Δ——測量單元的示值誤差。

5.2.2 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

5.2.2.1測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度μ1

對轉(zhuǎn)向架綜合試驗臺100 kN點進(jìn)行測量，在重復(fù)條件下連續(xù)測量10次，測量結(jié)果分別為100.30 kN、100.26 kN、100.27 kN、100.27 kN、100.28 kN、100.24 kN、100.29 kN、100.23 kN、100.24 kN、100.29 kN。

通過計算得到標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.024 kN，3次平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.014 kN，則測量重復(fù)性帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量μ1=0.014 kN。

標(biāo)準(zhǔn)偏差s(x)為：

則測量重復(fù)性帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量μ1=0.014 kN。

5.2.2.2標(biāo)準(zhǔn)測力儀示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度μ2

5.2.3 合成不確定度評定

5.2.3.1主要測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

測力示值誤差主要測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量如表3所示。

表3 測力示值誤差主要測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

5.2.3.2合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度μc

由于以上各量彼此獨立，互不相關(guān)，則：

5.2.3.3擴展不確定度U

6 結(jié)束語

經(jīng)過實踐證明，上述動車組轉(zhuǎn)向架靜載試驗臺校準(zhǔn)的方法切實可行，檢測及校準(zhǔn)精度滿足預(yù)期使用的要求，滿足設(shè)備現(xiàn)場校準(zhǔn)、校準(zhǔn)設(shè)備安裝攜帶方便、測量準(zhǔn)確度高、檢測數(shù)據(jù)處理簡單快捷等技術(shù)要求和特點，適合在軌道交通領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。該項校準(zhǔn)技術(shù)研究，也填補了高速列車產(chǎn)業(yè)校準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域的空白，有力支撐了高速列車產(chǎn)業(yè)計量的創(chuàng)新發(fā)展。