WLST-17型鐵道車輛輪重儀校驗(yàn)裝置的研究

武文婷 上海鐵路局科研所

以時(shí)速350 km的滬寧、滬杭開通運(yùn)營(yíng)以及即將開通的京滬高鐵，全國(guó)鐵路建設(shè)取得重大進(jìn)展，技術(shù)裝備水平實(shí)現(xiàn)重大跨越，對(duì)鐵路運(yùn)輸安全也提出了更高的要求。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，輪重儀作為一種測(cè)量鐵道車輛超載、偏載重量的主要設(shè)備，近些年來(lái)在測(cè)量結(jié)構(gòu)和原理上也發(fā)生了很大變化。新式輪重儀朝向諸如液壓做動(dòng)力、傳感器和集成電路作為測(cè)量單元的趨勢(shì)發(fā)展。同時(shí)，相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和鐵路檢定規(guī)程對(duì)輪重儀校驗(yàn)裝置的測(cè)量精度提出了更高的要求。上述這些原因都使得以往用于檢測(cè)輪重儀的校驗(yàn)裝置變得不再適用。研究一種既能檢測(cè)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的輪重儀，又能用于新式輪重儀校驗(yàn)等特點(diǎn)的新型輪重儀校驗(yàn)裝置非常重要。

1 測(cè)量原理和主要功能

WLST-17型鐵道車輛輪重儀校驗(yàn)裝置采用圓弧半徑、受力部位材料與實(shí)際車輪一致的弓形體結(jié)構(gòu)模擬貨車車輪，將輪重儀用手動(dòng)或電動(dòng)的方式加壓舉升至測(cè)定值，然后將輪重儀測(cè)定值與高精度測(cè)力傳感器示值比對(duì)，從而對(duì)輪重儀進(jìn)行標(biāo)定和測(cè)量。

WLST-17型鐵道車輛輪重儀校驗(yàn)裝置的顯示裝置是數(shù)字顯示屏，無(wú)判讀誤差。有兩種加載方式：輪重儀自身舉升加載和校驗(yàn)裝置手壓油泵加載。當(dāng)校驗(yàn)電動(dòng)輪重儀時(shí)，可用手壓油泵加載來(lái)精確控制加載值。

（1）采用高精度標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀測(cè)定輪重儀的舉升力，為減小偏載誤差，測(cè)力傳感器位于對(duì)稱中心線上，并附有球頭球座機(jī)構(gòu)。

（2）采用弓形體來(lái)模擬貨車車輪，弓形體下表面為圓柱面，圓弧半徑等于貨車車輪的半徑。弓形體既能等效于車輪的受力，又盡量縮小了尺寸和重量。弓形體的強(qiáng)度和剛度經(jīng)力學(xué)計(jì)算得以保證，弓形體下表面受力點(diǎn)附近的硬度與貨車車輪相當(dāng)。

（3）弓形體的上下運(yùn)動(dòng)由滾珠導(dǎo)柱導(dǎo)向，確保不歪斜。弓形體歪斜將引起測(cè)力儀器測(cè)力誤差增大。采用單導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)，既有利于減小摩擦阻力，又降低了成本。

（4）為確保輪重儀的舉重支點(diǎn)在前后方向與測(cè)力傳感器軸線平齊，下橫梁上裝有兩個(gè)擋條，分別擋住輪重儀的左、右兩個(gè)起重架。

（5）下橫梁活塞丈承點(diǎn)附近的硬度高于活塞底面的硬度，長(zhǎng)期使用不會(huì)磨損。

（6）采用便于拆裝的組合式梁柱式框架結(jié)構(gòu)，由4個(gè)大螺母緊固在一起。松開螺母即可拆解成零件，可裝入轎車行李箱運(yùn)運(yùn)輸，拆裝容易、省時(shí)。

（7）根據(jù)受力情況，按照等強(qiáng)度原則設(shè)計(jì)上橫梁和下橫梁，并采用工字梁斷面形狀，使上、下橫梁在達(dá)到強(qiáng)度、剛度要求的前題下，重量達(dá)最輕。

（8）上橫梁設(shè)計(jì)成倒弓形，數(shù)字顯示屏安裝在倒弓形正面中央，既美觀，又便于判讀。

（9）下橫梁中部裝有托架，可托住輪重儀，便于操作，減少誤差。

（10）校驗(yàn)裝置裝有兩個(gè)長(zhǎng)條形支腿，形成四個(gè)距離較大的支點(diǎn)，使校驗(yàn)裝置放在地面或桌面上都非常穩(wěn)固，操作時(shí)也不晃動(dòng)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)的確定

根據(jù)JJG（鐵道）179-2004《鐵道車輛輪重儀檢定規(guī)程》的要求，輪重儀的最大舉升力為13 t，考慮到對(duì)過(guò)載能力的檢測(cè)以及超限測(cè)量?jī)?chǔ)備量，可測(cè)最大舉力定為20 t。同時(shí)，為了便于搬運(yùn)及送至現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定測(cè)量，要求校驗(yàn)裝置總質(zhì)量不能超過(guò)130 kg，且方便拆裝。這么輕的結(jié)構(gòu)件，要放進(jìn)整臺(tái)輪重儀，尺寸又不能太小，還要承受這么大的載荷，設(shè)計(jì)難度很大。經(jīng)過(guò)多方案對(duì)比分析和初步計(jì)算，最后確定為如圖1所示的雙梁雙立柱四螺母框架結(jié)構(gòu)，由弓形體傳力，壓力傳感器配標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀測(cè)量舉升力。

圖1 輪重儀校驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)（正面）

2.2 采用弓形體來(lái)模擬貨車車輪

輪重儀現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，兩支點(diǎn)頂在貨車車輪外圓面上。為模擬這種工況，如用半個(gè)車輪，則尺寸和質(zhì)量都太大。為此，設(shè)計(jì)了弓形體。弓形體下表面為圓柱面，圓弧半徑等于貨車車輪的半徑。弓形體既能等效于車輪的受力，又盡量縮小了尺寸和重量。弓形體的強(qiáng)度和剛度經(jīng)力學(xué)計(jì)算得以保證，弓形體下表面受力點(diǎn)附近的硬度與貨車車輪相當(dāng)。

2.3 設(shè)計(jì)成工字型截面等強(qiáng)度梁

為了盡量減輕框架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，上橫梁和下橫梁采用工字形斷面，并按等強(qiáng)度原則計(jì)算截面高度，使上橫梁和下橫梁在強(qiáng)度、剛度達(dá)到要求的前題下，質(zhì)量最輕。

2.4 高精度測(cè)力儀的選用和壓力傳感器的定位

測(cè)力傳感器和測(cè)力儀器的選用是確保0.2%精度的關(guān)鍵。根據(jù)校驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)，采用壓力傳感器比較合適，傳感器的承載能力定為200 kN。壓力傳感器主要型式有應(yīng)變片式、壓電晶體式、彈簧式、砝碼重力式等。

彈簧式測(cè)力精度低，砝碼重力式結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸重量大。壓電晶體式雖尺寸小，但絕緣要求高，不適合于測(cè)靜力，故不適用于輪重儀檢驗(yàn)裝置。

應(yīng)變片式傳感器與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀配套可獲得高的測(cè)力精度，量程可大可小，已廣泛被各計(jì)量單位采用，所以選用此種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀和傳感器。

應(yīng)變測(cè)力傳感器主要有圓柱型和Z型兩種型式，經(jīng)過(guò)試用，這兩種型式都可以。傳感器的安裝采用下底面用螺栓緊固在弓形體上平面上的方式，傳感器軸線與弓形體中心軸線重合。傳感器上端面有球頭，有球座孔的上墊板裝在傳感器與上橫梁之間。有球座孔的上墊板可在球頭上轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)，當(dāng)上橫梁下平面有輕微歪斜時(shí)，上橫梁的反作用壓力仍可通過(guò)壓力傳感器的中軸線，可減小歪斜引起的測(cè)試誤差。

2.5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

上橫梁、下橫梁、立柱、大螺母都是承力零件，設(shè)計(jì)時(shí)都按20 t載荷進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計(jì)算。上橫梁、下橫梁采用工字形截面，截面形狀和尺寸比例既考慮了總體截面模數(shù)，又考慮了局部的穩(wěn)定性和加工的方便性。立柱中部直徑較大，使兩端定位環(huán)面有足夠的面積。加工時(shí)，只要保證兩端定位環(huán)面與軸線的垂直度，就可保證裝配后上橫梁下平面與下橫梁上平面的平行度。這兩個(gè)平面的平行度是確保測(cè)力精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。采用最簡(jiǎn)單的螺紋緊固方式，一共4個(gè)大螺母，無(wú)平墊圈、彈簧墊圈、鎖緊螺母，使拆裝更快捷。對(duì)于這種只承受靜力的框架，大螺母擰緊后不會(huì)松動(dòng)。兩個(gè)拆彎的長(zhǎng)條形支腿也由大螺母固定在框架下邊。這種結(jié)構(gòu)便于加工，便于拆裝，還使校驗(yàn)裝置放置在地面或臺(tái)面上很穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)圖紙完成后，就進(jìn)行樣機(jī)試制和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀采購(gòu)。樣機(jī)經(jīng)試用，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)想的功能，能測(cè)定輪重儀舉升力，最大承載20 t。當(dāng)拿到江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院檢測(cè)時(shí)，測(cè)力儀的精度達(dá)0.2%，但研究院提出加載值需精確控制，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比和統(tǒng)計(jì)。根據(jù)此要求，在第一臺(tái)樣機(jī)基礎(chǔ)上，增設(shè)手壓油泵系統(tǒng)，通過(guò)手壓油泵加載時(shí)，可精確控制加載值。

在試用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)輪重儀兩個(gè)活塞舉升速度不一樣。，弓形體的歪斜必然引起舉升力作用線與測(cè)力傳感器軸線不相重合，將引起較大的測(cè)定值誤差。為解決這一問(wèn)題，必須對(duì)弓形體導(dǎo)向。為此，增設(shè)了滾珠導(dǎo)柱，滾珠導(dǎo)柱經(jīng)底座用螺栓緊固在下橫梁中央，導(dǎo)套用螺栓緊固在弓形體上。考慮到弓形體和下橫梁受力時(shí)產(chǎn)生的變形，不采用雙導(dǎo)柱形式，而采用單導(dǎo)柱形式。雙導(dǎo)柱的平行度難于保證，必然引起滑移阻力增大，影響測(cè)力精度。弓體形在上升過(guò)程中不許繞導(dǎo)柱軸線旋轉(zhuǎn)，故不能采用圓柱導(dǎo)柱，而采用了具有4條導(dǎo)軌的長(zhǎng)方形導(dǎo)柱。滾珠導(dǎo)柱的承載能力也進(jìn)行了校驗(yàn)計(jì)算。增加滾珠導(dǎo)柱以后，校驗(yàn)裝置的測(cè)定精度得到明顯提高，測(cè)RWLS-13型輪重儀的重復(fù)性誤差一般在±0.06 t以內(nèi)。還對(duì)同一臺(tái)輪重儀用不同校驗(yàn)裝置對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)基本相同，證明校驗(yàn)裝置測(cè)定數(shù)據(jù)的精度已達(dá)要求。

接下來(lái)的改進(jìn)主要在外觀方面。校驗(yàn)裝置的零件都進(jìn)行鍍鉻，既好看，又防銹。測(cè)力儀的顯示屏嵌裝到上橫梁正面中部，上橫梁正面加裝面板，既美觀，又便于讀數(shù)。在弓形體下表面與輪重儀支點(diǎn)接觸處，鑲嵌硬質(zhì)鋼塊，可防止局部變形和磨損，更接近于貨車車輪表面的特性。在下橫梁上表面與輪重儀活塞接觸點(diǎn)附近，也鑲嵌硬質(zhì)鋼塊，既可防止磨損和局部變形，又使表面特性更接近于鐵軌踏面。

測(cè)試時(shí)，輪重儀的兩個(gè)支點(diǎn)支在弓形體的下圓柱面上，弓形體可能產(chǎn)生左右及前后的微量歪斜，使舉升力作用線與傳感器軸線不重合，測(cè)量誤差增大。因此采用滾珠導(dǎo)柱和滑臺(tái)的單導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，弓形體固定在滑臺(tái)上，滾珠導(dǎo)柱固定在下橫梁上，由滾珠導(dǎo)柱確保滑臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)方向，從而確保了弓形體在測(cè)量過(guò)程中不歪斜。

2.6 舉升載荷的精確控制

考慮到在檢測(cè)電動(dòng)輪重儀時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的慣性，加載值不易控制，不便于數(shù)據(jù)對(duì)比和統(tǒng)計(jì)處理。因此校驗(yàn)裝置上附裝有手壓泵，用油管連通到被測(cè)輪重儀的放氣口。手壓泵也有油箱、柱塞、進(jìn)油閥、出油閥、回油閥，與輪重儀的油箱、柱塞、進(jìn)油閥、出油閥、回油閥聯(lián)結(jié)成同一個(gè)液壓系統(tǒng)。由于液壓元件多了一倍，對(duì)各元件的密封性要求更高。使用時(shí)，用手壓動(dòng)手壓桿泵油加載，當(dāng)載荷接近預(yù)定值時(shí)可緩慢加壓，略超過(guò)預(yù)定值就停止加壓。

3 主要參數(shù)及應(yīng)用環(huán)境

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1

表1 電動(dòng)輪重儀主要技術(shù)參數(shù)

3.2 適用環(huán)境

(1)海拔高度：不大于4 000 m

(2)環(huán)境溫度：（20±5）℃

(3)空氣相對(duì)濕度：不大于80%

(4)無(wú)振動(dòng)、沖擊、電磁場(chǎng)及其他干擾源

4 應(yīng)用前景

隨著列車速度的一次次提升，以及重載運(yùn)輸?shù)拇罅Πl(fā)展，對(duì)車輛超載、偏載的檢測(cè)要求也不斷提高，在以往的校驗(yàn)裝置不能滿足新型輪重儀的檢測(cè)以及新型輪重儀的使用越來(lái)越廣泛的背景下，該校驗(yàn)裝置的推出正好滿足了輪重儀的量值溯源需要，適用于在局級(jí)計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)和各個(gè)貨場(chǎng)配置使用。