多軌距軌道車輛均衡試驗機構(gòu)研制

李豐，魯寨軍，魏京利，李田，孫篤玲，法子利

(1.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中南大學(xué) 交通運輸學(xué)院，湖南 長沙 410075)

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多軌距軌道車輛均衡試驗機構(gòu)研制

李豐1，魯寨軍2，魏京利1，李田2，孫篤玲1，法子利1

(1.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中南大學(xué) 交通運輸學(xué)院，湖南 長沙 410075)

摘要:現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)軌距均衡試驗平臺無法滿足1 000～1 676 mm多種軌距制式均衡試驗的要求。采用多級導(dǎo)向限位下垂向頂升的方式，設(shè)計出便攜式多級起升機構(gòu)，分布于每個車輪下方，可隨軌距調(diào)整，直接對輪緣位置稱重，實現(xiàn)多種軌距車輛均衡試驗。詳述了工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，對結(jié)構(gòu)強度進行有限元分析，研制了樣機進行試驗驗證。試驗結(jié)果表明：在有限空間內(nèi)實現(xiàn)了抬升150 mm，同步測試抬升量和各輪重的功能，抬升動作穩(wěn)定可靠，滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：多軌距；均衡試驗；抬車稱重；有限元分析

隨著我國鐵路裝備的跨越式發(fā)展，來自海外的訂單越來越多，企業(yè)生產(chǎn)的軌道車輛已經(jīng)涵蓋了1 000～1 676 mm多種軌距制式?，F(xiàn)有的鐵道車輛抬車稱重方案有劉順華等[1]提出的將車輛走行線和秤臺位移線分開, 使車輪的輪緣在輪緣軌的軌槽中走行, 而秤臺的載荷線仍然是車輪踏面的滾動圓，從而實現(xiàn)秤臺任意位置的調(diào)整；張紅等[2]提出基于輪掃描工作方式，采用軸計量方法，采用傳感器和鋼軌一體化設(shè)計，傳感軌與鐵路軌用魚尾板連接；聶翔等[3]總結(jié)的國外在軌道外側(cè)安裝移動式架車機和德國ICE高速列車采用地坑式架車機等方式進行稱重調(diào)載，邢曉東等[4-6]介紹了國內(nèi)使用的各種架車機。

但是，目前已有的機車車輛標(biāo)準(zhǔn)軌距均衡試驗平臺無法滿足多種軌距車輛進行均衡試驗[7]和柔度系數(shù)試驗的要求，只能在臨時臺位采用液壓千斤頂起升后加墊測量的方式，無防側(cè)滑及車輛移動措施，安全隱患大，且施工人員勞動強度大，作業(yè)效率低。

針對這一實際需求，研發(fā)了一套能夠滿足不同軌距車輛進行上述試驗的結(jié)構(gòu)便攜、操作簡單、安全可靠的多軌距均衡試驗機構(gòu)。

1多軌距均衡試驗條件和試驗工裝要求

目前，多軌距車輛的均衡試驗及柔度系數(shù)試驗是在如圖1所示的可調(diào)軌距試驗臺位上進行。軌道內(nèi)側(cè)地面離軌頂面高度140 mm，軌道外側(cè)為與軌頂面平齊的硬化地面。為適應(yīng)試驗車輛軌距在1 000～1 676 mm變化的要求，該臺位單側(cè)鋼軌可向內(nèi)側(cè)調(diào)整到所需軌距。

圖1　均衡試驗臺位示意圖Fig.1 Schematic of balancing test stand

進行均衡試驗時，將車輛單側(cè)輪對同時起升到規(guī)定高度計算輪重減載率，或?qū)蝹€車輪起升到規(guī)定高度計算輪重減載率[8]，因此，需要在輪對起升后對各個車輪的輪重進行測量。

進行柔度系數(shù)試驗時，將車輛單側(cè)輪對同時起升到指定高度(最大抬升量150 mm)，測量車體傾斜后與垂直于軌道面的垂線構(gòu)成的角度(車體與軌面或輪對的夾角)、軌道(輪對)超高與水平面形成的夾角。

試驗車輛定距在11 000～18 500 mm范圍內(nèi)、軸距在2 000～2 800 mm范圍內(nèi)、軌距在1 000～1 676 mm變化，整車重量≤60 t，單輪重≤8 t；為便于調(diào)整軌距、定距和軸距，要求均衡試驗工裝各輪的稱重裝置可分離移動，同時結(jié)構(gòu)簡單，整體重量較輕(2個工人可手工搬動)；工裝使用頻率低，一般只有在新造非標(biāo)準(zhǔn)軌距車輛出廠進行均衡試驗時使用。

為確保安全性，要求工裝在最大抬升重量8 t和最大150 mm起升高度情況下，結(jié)構(gòu)整體不會出現(xiàn)傾覆、翻轉(zhuǎn)、移位等危險情況，并滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[9-11]。

2多軌距均衡試驗機構(gòu)設(shè)計

2.1總體方案比選

由上述多軌距均衡試驗條件和要求可知，試驗機構(gòu)設(shè)計的難點在于如何解決有限空間條件與較高起升量之間的矛盾。由于淺坑只有140 mm深度，稱重單元與輪緣接觸面距地面最多只有110～115 mm的高度，在輪緣正下方或前后方安裝起升裝置不可能實現(xiàn)150 mm的抬升量，因此起升裝置必須內(nèi)移或外移，導(dǎo)致產(chǎn)生大的附加力矩需要平衡。同時根據(jù)限界要求，兩輪對內(nèi)側(cè)的設(shè)備安裝高度不能超過165 mm，而軸箱下部與軌道外側(cè)地面的最小距離也不足200 mm，必須采用多級提升方式才能實現(xiàn)150 mm的抬升量，為此必須設(shè)計強有力的多級限位導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。

綜合國內(nèi)外研究成果和多軌距車輛均衡試驗的條件，考慮從可調(diào)軌距軌道試驗臺位140 mm高淺坑內(nèi)部和外部2種不同安裝位置出發(fā)設(shè)計出圖2～4所示3種方案。

圖2所示外部抬升方案中，上下支架鉸接，在液壓缸的作用下抬起車輪，并將車輪重量傳遞給稱重單元；圖3所示內(nèi)部擠升方案中，前后滑塊在液壓缸的作用下向內(nèi)側(cè)移動擠升稱重單元沿導(dǎo)向柱垂向起升，帶動車輪抬升，直接在輪緣位置稱重；圖3所示內(nèi)部抬升方案中，液壓缸頂升帶動頂架在導(dǎo)向滑塊的導(dǎo)向與限位下垂向起升，抬升稱重單元帶動車輪起升，直接在輪緣位置稱重。3種方案的比較見表1，從表中可以看出3種方案各有利弊，考慮到試驗工裝對稱重精確度、抬升穩(wěn)定性、隨軌距變化移動、安裝空間的要求最高，選擇第3種方案進行設(shè)計。

圖2　外部抬升Fig.2 External uplift

圖3　內(nèi)部擠升Fig.3 Internal squeeze liter

圖4　內(nèi)部頂升Fig.4 Internal promotion

考慮因素方案1方案2方案3稱重精確度低(非輪緣稱重)高(輪緣稱重)高(輪緣稱重)抬升穩(wěn)定性差(依靠鉸接轉(zhuǎn)動)好(直線運動)好(直線運動)隨軌距變化移動拆裝復(fù)雜拆裝方便拆裝方便體積最大中等最小安裝空間受軸箱影響臺位寬度限制要求較低液壓缸要求多級液壓缸多級液壓缸多級液壓缸加工要求加工簡單精度、配合要求高精度、配合要求高

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜合上述思路，設(shè)計了如圖5所示結(jié)構(gòu)。整套裝置由底架、頂架、導(dǎo)向滑塊、稱重傳感器、勻力板、多級液壓缸、位移傳感器、撐桿構(gòu)成。

五是水土保持生態(tài)建設(shè)邁上新臺階。全年共治理水土流失面積800km2。國家級水土保持生態(tài)文明工程創(chuàng)建工作，無論在數(shù)量上還是在種類上，均居全國第一。國家水土保持科技示范園創(chuàng)建活動取得新成績，截至目前，河南省已有11家國家級水土保持科技示范園，3家國家中小學(xué)水土保持教育社會實踐基地。

圖5　三維模型Fig.5 Three-dimensional model

底架(1)放置在軌道內(nèi)側(cè)淺坑內(nèi)，一端抵住軌道內(nèi)側(cè)面，另一端安裝撐桿(9)與對側(cè)底架連接固定。多級液壓缸外缸下端與底架底板用螺栓固連起來，液壓缸頂部與頂架頂板球面連接。頂架兩側(cè)各有2個與頂架側(cè)板固連于一體的導(dǎo)向柱(3)，導(dǎo)向柱嵌入導(dǎo)向滑塊(4)的導(dǎo)向滑槽(10)內(nèi)，再將頂架與導(dǎo)向滑塊一起放置到底架內(nèi)，導(dǎo)向滑塊與底架的導(dǎo)向卡槽(11)配合。頂架靠鋼軌側(cè)伸出稱重傳感器(7)安裝平臺，勻力板(6)通過銷孔安裝在稱重傳感器上，輪緣直接落在勻力板上，將輪重傳給稱重單元，頂架起升過程中帶動稱重單元及車輪起升。起升高度測量采用拉線式位移傳感器(8)，一端與勻力板固定，一端與底架側(cè)板固定，系統(tǒng)實時采集抬升高度與輪重。

液壓缸采用2級抬升，初始狀態(tài)高145 mm，一級活塞直徑100 mm，可抬升95 mm，二級活塞桿直徑70 mm，可抬升60 mm，總抬升高度為155 mm(考慮因加工精度及結(jié)構(gòu)受力變形造成的誤差，對最大抬升量留5 mm余量)。最大抬升載荷為12 t(考慮液壓缸頂升力需克服各部件間摩擦力的作用，輪重乘以1.5倍的放大系數(shù))的情況下，1級和2級抬升的最大壓力為31.2 MPa。

單個工裝整體尺寸：高165 mm，寬260 mm，長273.25 mm，包括液壓缸和傳感器總重60 kg，滿足車下安裝空間的限制和隨軌距變化方便移動的要求。

2.3機構(gòu)抬升過程

如圖6所示，導(dǎo)向柱高60 mm，導(dǎo)向滑塊總高145 mm，導(dǎo)向槽高135 mm，限位止擋高5 mm，限位止擋滑槽高85 mm。液壓缸動作時，直接頂升頂架，根據(jù)頂架導(dǎo)向柱與導(dǎo)向滑塊之間、導(dǎo)向滑塊與底架之間摩擦力大小的不同，在起升高度小于80 mm時，導(dǎo)向滑塊可能不動，也可能與頂架一起上升，但是受限位止擋限制，導(dǎo)向滑塊最多上升80 mm后不再上升；頂架導(dǎo)柱可相對導(dǎo)向滑塊上升最高75 mm。當(dāng)頂架相對底架最大抬升量155 mm時，導(dǎo)向滑塊與底架導(dǎo)向面有65 mm高貼靠，頂架導(dǎo)向柱與導(dǎo)向滑塊有60 mm高貼靠，頂架與底架前后接觸面(E和F點處)考慮圓角過度后各有6 mm高貼靠，從而實現(xiàn)整個機構(gòu)垂向、縱向、橫向的限位和導(dǎo)向。

頂架在抬升150 mm高度時的情況如圖6所示，起升過程中，頂架有繞液壓缸球面與頂架接觸的O點轉(zhuǎn)動的趨勢，F(xiàn)輪重繞O點形成的力矩主要靠導(dǎo)向柱與導(dǎo)向滑塊、導(dǎo)向滑塊與底架以及底架與頂架接觸部分抵消。

圖6　抬升150 mm狀態(tài)結(jié)構(gòu)受力分析圖Fig.6 Structural stress analysis diagram when lifting 150 mm

對于頂架，導(dǎo)向柱根部A，B，C和D點的受力較大，起升過程中頂架與底架始終有部分貼靠，起到限位和導(dǎo)向作用，因此E和F點受力較大；對于導(dǎo)向滑塊，連接頂架與底架，對應(yīng)的力F1～F8作用位置受力較大；對于底架，頂架傾覆力矩，一部分通過導(dǎo)向柱傳遞給導(dǎo)向滑塊，再由導(dǎo)向滑塊傳遞給底架(F5～F8)，另一部分通過頂架與底架接觸部分傳給底架，A′，B′，C′，D′，E和F處受力較大。

3多軌距均衡試驗機構(gòu)結(jié)構(gòu)強度分析

由于機構(gòu)采用多級起升，且底架高度受限，起升到一定高度后由導(dǎo)向滑塊承擔(dān)了很大一部分限制頂架橫向、縱向翻轉(zhuǎn)和傾覆的作用，因此機構(gòu)在起升到最高高度時應(yīng)力分布最為惡劣，著重分析這一工況下的應(yīng)力情況。考慮到車輛停放的惡劣情況，沿軌道橫向取一側(cè)車輪踏面貼靠軌道狀態(tài)(輪重作用在距離稱重傳感器橫向邊緣15 mm處)進行分析；沿軌道縱向取輪重作用在稱重單元縱向中心位置偏移10 mm處進行分析。

利用Ansys12.0中的Workbench平臺對結(jié)構(gòu)進行有限元分析，設(shè)置軌道與底架、液壓缸與頂架、底架與頂架、頂架與導(dǎo)向滑塊、底架與導(dǎo)向滑塊為摩擦接觸，在勻力板上模擬輪緣位置加載8 t的垂向載荷和0.8 t的橫向載荷(考慮兩車輪間距隨一側(cè)車輪起升不變帶來的摩擦力)，在底座背部模擬撐桿位置加載10 kN的橫向力。

計算得到的應(yīng)力云圖和垂向變形見圖7～8所示。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力628 MPa，最大垂向變形1.2 mm。

圖7　起升150 mm工況應(yīng)力云圖Fig.7 Stress cloud when lifting 150 mm

圖8　起升150 mm工況垂向變形Fig.8 Vertical deformation when lifting 150 mm

從圖9所示關(guān)鍵部件計算結(jié)果可以看到，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力位于底架導(dǎo)向卡槽與導(dǎo)向滑塊連接處，即上文分析中的B′點；頂架導(dǎo)向柱與導(dǎo)向滑塊連接處最大應(yīng)力為555 MPa，即上文分析中的C點；頂架與底架接觸處兩側(cè)應(yīng)力分布不同，輪重作用在稱重單元縱向中心位置偏移10 mm的一側(cè)最大為395 MPa，另一側(cè)最大為377 MPa，即上文分析中的E點，頂架其余部位應(yīng)力均小于200 MPa；導(dǎo)向滑塊最大應(yīng)力為427 MPa，位于導(dǎo)向滑塊與頂架導(dǎo)向柱接觸處。

針對這一情況，選擇40Cr材料(熱處理后屈服極限達到900 MPa以上)，在工裝加工工藝上，頂架和底架采用鍛件組焊后退火，線切割后精加工，結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大的關(guān)鍵部位整體加工，確保滿足強度和剛度要求。

(a) 頂架應(yīng)力云圖;(b) 底架應(yīng)力云圖;(c) 導(dǎo)向滑塊應(yīng)力云圖圖9　關(guān)鍵部件應(yīng)力云圖Fig.9 Stress cloud of key components

4多軌距均衡試驗樣機試驗

為保證設(shè)計的工裝在結(jié)構(gòu)強度和功能上滿足要求，研制了樣機進行現(xiàn)場試驗。試驗車輛為實車碰撞試驗用臺車，總重約20 t，無彈簧減振裝置，故抬起單個輪對時，同側(cè)輪對亦抬起，重量向另一側(cè)傾斜，所測輪重實際是一側(cè)車體重量，遠遠大于單輪輪重。

試驗結(jié)果見表2，起升5 mm狀態(tài)輪重9.7 t，液壓13.5 MPa換算液壓力10.6 t；單個車輪最高起升150 mm，輪重8.4 t，液壓28.6 MPa換算液壓力11.0 t，結(jié)構(gòu)沿軌道橫向前后垂向高度差2.5 mm。經(jīng)過多次試驗，試件結(jié)構(gòu)均能順利實現(xiàn)起升和下降功能，且試件本身未出現(xiàn)任何損傷、變形。

表2　試驗結(jié)果

通過試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著抬升高度升高，輪重有明顯下降，但是由于結(jié)構(gòu)各部件之間摩擦力的影響，隨著高度升高，液壓力不降反升。在單輪重量大于設(shè)計要求的8 t輪重的情況下，液壓最大為28.6 MPa，低于設(shè)計時考慮的最大油壓；液壓力與輪重比最大為1.31，小于設(shè)計時考慮的1.5倍放大系數(shù)；抬升150 mm高度，工裝前后高度差為2.5 mm，低于設(shè)計時留出的5 mm余量。

5結(jié)論

1)結(jié)合均衡試驗要求和試驗臺位條件，設(shè)計的試驗工裝克服了不同軌距制式下進行抬車稱重、安裝和工作空間受限兩大難點，且在輪緣位置稱重，工裝整體尺寸小、重量輕，便于可調(diào)軌距臺位安裝與移動，滿足了多種軌距車輛均衡試驗的要求。

2)設(shè)計的多級液壓缸提升和多級導(dǎo)向限位裝置實現(xiàn)了本體高度不超過165 mm的前提下頂升150 mm的目標(biāo)，設(shè)計方案較為獨特，且抬升平穩(wěn)可靠。

3)分析了工裝結(jié)構(gòu)的受力特點，利用有限元軟件校核了惡劣工況下工裝的結(jié)構(gòu)強度與剛度。

4)采用合理加工工藝制造出樣機進行的現(xiàn)場試驗，驗證了工裝抬升的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的可靠性。

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Development of multi-gauge rolling stock for the equalizing test mechanismLI Feng1, LU Zhaijun2, WEI Jingli1, LI Tian2, SUN Duling1, FA Zili1

(1. CSR Qingdao Sifang Locomotive Co. Ltd., Qingdao 266111, China；2. School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract:The existing standard gauge balancing test platform can not meet the various requirements of 1 000 ～ 1 676 mm gauge standard balance testing. Due to this reason, the mechanism took multistage guide limit and vertical promotion way, designed portable multi-stage lift structure, located in the bottom of each wheel, could be adjusted according to the variation of gauge for the test, achieved equalizing test for the multi-gauge rolling stock. This article described the design process, the finite element analysis of structural strength, and the development of a testing prototype. The results show that: in a limited space the mechanism realizes uplift 150 mm, simultaneous testing of each wheel weight lifting capacity and functionality, lifting action is stable and reliable, which meets the design requirements.

Key words:multi-gauge; equalizing test; lifting and weighing; finite element analysis

中圖分類號：U270.7

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)04-0754-06

通訊作者：魯寨軍(1975-)，男，湖南醴陵人，副教授，從事車輛結(jié)構(gòu)強度與車輛系統(tǒng)動力學(xué)方面的研究；E-mail：qlzjzd@csu.edu.cn

收稿日期：2015-11-03