移動式線路動態加載試驗車加載機構設計

暴學志，柴雪松，李家林，潘 振，司道林，楊 亮

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

線路工程作為高速鐵路運行的基礎，是保證高速鐵路安全暢通的基本條件之一，開展線路整體研究將具有非常重大的意義。在美國、日本、瑞典等軌道技術水平較高的國家，均研制了專門承擔鐵路線路試驗的移動式軌道加載試驗車，為鐵路軌道試驗研究和工程建設提供了技術支持。目前我國在進行線路整體研究過程中，多采用現場布置測試設備或實驗室內建立模型的方式進行，這種方式雖然為我國鐵路線路研究發揮了巨大的作用，但還存在很多不足。在線路實體結構上開展試驗研究可以獲取各種不同的結構、各種工況、各種環境條件等更為真實可靠的試驗數據，從而準確掌握線路工程的各項技術特征和技術參數，更深入地掌握鐵路線路工程技術。因此進行移動式線路動態加載試驗車的研究將具有非常重大的意義，而作為加載車的目的之一，模擬高速鐵路工況對軌道進行靜動態加載是加載車的關鍵功能，加載機構性能好壞將直接影響到加載車的整體性能，因此進行加載車加載機構的設計與研究也非常重要。

1 加載車總體方案設計

1.1 國外加載車加載方案

加載機構作為加載車的核心部分，其設計至關重要。美國、日本、瑞典的移動式軌道加載試驗車加載方案也各不相同。

日本的移動式軌道加載試驗車主要用于定點加載研究，可進行動態和靜態加載，負荷波形包括正弦波、矩形波和三角波，在進行垂向力及橫向力加載過程中可隨時對載荷大小及相位進行調整。

瑞典的移動式軌道加載試驗車是通過作動器對車上的質量塊進行激振來產生垂向動荷載實現移動過程中對軌道施加動荷載，如圖1所示。該方案結構簡單，但不足之處是加載精度差，且只能實現垂向加載。

圖1 瑞典加載車加載方案

美國的移動式軌道加載試驗車加載功能與日本及瑞典加載車相比要先進許多，可實現移動施加恒定荷載和定點施加低頻動荷載，其加載方案如圖2所示，反力架與車體相連接，依靠車體自重提供反力。兩個垂向作動器一端連接至反力架上，另一端通過加載架將垂向荷載施加至軌道上。兩個橫向作動器的一端同樣連接至反力架上，另一端通過轉動塊、加力桿以及加載架將橫向荷載施加至軌道上。

1.2 中國加載車加載方案

在充分了解美國、日本和瑞典的移動式軌道加載試驗車加載方式之后，結合我國高速鐵路及重載鐵路軌道測試試驗需求，將我國移動式線路動態加載試驗車的加載方式設定為移動施加恒定荷載及定點施加高頻動荷載兩種，加載性能與國外加載車加載性能對比如表1所示。

圖2 美國加載車加載方案

表1 國內外加載車加載性能對比

為實現移動加載，移動加載架設計時在滿足強度要求基礎上還必須設置移動裝置——輪對，這樣移動加載架的質量至少為3 t。定點加載時，如果作動器通過移動加載架給軌道施加荷載，作動器將附帶3 t質量塊動作，通過建立模型進行仿真計算［3］，作動器附帶3 t質量塊對軌道施加高頻荷載時的加載能力很難滿足測試試驗的要求，而如果把附帶質量塊的質量降低至0.5 t，作動器的加載能力將大大提高，可以滿足測試試驗的要求，另外，附帶質量塊的質量越小，作動器通過質量塊對軌道施加高頻荷載時能量損失越少，加載能力也就越高，因此，定點加載時必須使用另外一套質量小于0.5 t的定點加載架。

2 加載系統結構設計

根據我國加載車的加載方式及總體方案，加載系統結構設計如圖3所示，加載系統結構包括反力架、移動加載架、定點加載架及夾持裝置等部分。

2.1 反力架

圖3 我國加載車加載方案

根據加載車的設計，車體總質量為90 t，其中包括反力架質量和車體內設備及配重鐵的質量。加載車通過作動器對軌道加載時，以車體自重為反力，作動器一端與反力架連接，另一端與移動加載架或定點加載架相連接。反力架以中心距為14 200 mm的兩轉向架為支反力點，90 t車體自重沿反力架縱向均勻分布，同時，反力架中間受到一個與作動器對軌道施加的荷載大小相等、方向相反的反力。反力架結構如圖4所示，由車體框架、加載立柱及加載橫梁組成。

圖4 反力架結構

作動器對軌道施加荷載時，同樣給反力架一個反力作用，由于作動器的最大動程為±3 mm，所以反力架在受到作動器最大垂向反力50 t及最大橫向反力20 t同時作用時，其本身最大變形不得超過2 mm。利用有限元軟件對反力架受力時的變形進行分析如圖5所示，最大處的變形1.537 mm，符合最大變形不超過2 mm的設計要求。

圖5 反力架整體變形

2.2 移動加載架

移動加載架由測力輪對、加載框架、夾持軸、剛度檢測連接座、牽引端座、橫向加力座、垂向加力座等組成，用于加載車移動過程中對軌道施加恒定載荷，如圖6所示。

圖6 移動加載架

移動加載架是加載車對軌道施加移動恒定荷載過程中的重要裝置，其設計的好壞與否將直接影響到測試過程中的安全性及穩定性。移動加載架中的夾持軸用于加載車聯掛狀態時移動加載架的夾持固定，以保證行車安全。牽引端座用于連接牽引桿以提供牽引力。剛度檢測連接座用于懸掛剛度檢測架實現加載過程中的同步位移測量。加載框架將移動加載架連接成一個整體，增加移動加載架的穩定性。橫向加力座及垂向加力座分別用于連接垂向作動器端座及橫向作動器加力桿端座，是垂向力及橫向力加力點。測力輪對是移動加載架的重要組成部分，由于垂向力及橫向力均施加于移動加載架上，作動器端頭傳感器測量出的力值實際為施加于加載架上的力值，而對軌道進行測試時需要明確的是通過移動加載架后施加于軌道上的力，這兩個力由于移動加載架在運行過程中的振動及慣性作用往往存在一定差異，因此，必須通過測力輪對將施加于軌道上的力測量出來，使試驗結構更加真實、可靠。

2.3 定點加載架

定點加載架用于加載車停在線路上的某一特定位置對軌道施加高頻疲勞荷載及靜荷載試驗，因此定點加載架不需要在加載過程中移動。前面已經提到作動器在對軌道施加高頻疲勞荷載時，作動器頭部連接的加載架質量不能過大，否則將使作動器的加載能力及加載于軌道上的荷載有所降低，因此定點加載架在設計時應在保證強度及安裝要求的前提下盡量輕便，如圖7所示。三角形結構可以提高定點加載架加載過程中的穩定性，可拆卸的螺栓連接形式有利于定點加載架的搬運及安裝，更換一個垂向加力端座后通過作動器還可實現軌道的上提試驗。測力傳感器可以更直接地把作動器施加于鋼軌上的橫向力測量出來，提高試驗結果的可信度。

圖7 定點加載架

2.4 夾持裝置

移動式線路動態加載試驗車在聯掛狀態時，最高時速為160 km/h，為安全起見，利用作動器將移動加載架提起后用夾持裝置將其機械固定，如圖8所示。未夾持狀態時，用汽缸將夾持裝置的吊鉤拉起，避免阻礙移動加載架加載動作。加載完成后，用作動器將移動加載架提起，然后再用汽缸將吊鉤推出，使移動加載架上的夾持軸處于夾持裝置吊鉤的鉤內，然后將作動器液壓卸載，再將夾持裝置吊鉤與移動加載架機械鎖死，此時作動器處于自由狀態，移動加載架完全依靠夾持裝置固定，保證了加載車聯掛狀態的行駛安全。

圖8 夾持裝置

3 結語

通過綜合分析研究國外相關移動加載設備的特點，結合仿真分析，最終提出了加載車加載結構具體設計方案。為加載車加載功能的實現提供了重要保障。

［1］SATYA P．Bridge Tests by Using the Track Loading Vehicle［R］．Chicago:Assoiation of American Railroads，1993．

［2］LI Dingqing，WILLIAM S．Investigation of Lateral Track Strength and Track Panel Shift Using AAR＇S Track Loading Vehicle［R］．Pueblo:Transportation Technology Center，1997．

［3］中國鐵道科學研究院．高速鐵路線路動態加載技術及試驗裝備研制階段報告［R］．北京:中國鐵道科學研究院，2010．