法蘭型支柱受力橫臥式綜合檢測方法

王 兵，崔 瑩，徐偉超

0 引言

為保證產品結構性能，需對法蘭型支柱結構的抗裂、撓度和承載力等性能進行試驗。當前，按照TB/T 2286—2020 的規定，法蘭型支柱結構性能檢驗采取立式試驗方法[1-2]，埋入式支柱采取臥式懸臂試驗方法[3]。法蘭型支柱立式試驗方法是將支柱通過法蘭與水平基礎螺栓進行連接，使支柱處于垂直向上的方向，測量則是通過受力轉換支柱給柱頂施加拉力，讀取拉力值，并通過經緯儀觀測柱頂水平尺的度數，讀取并記錄支柱的彎矩值及撓度值。對法蘭型支柱采用立式試驗方法時，支柱法蘭與底座基礎采用螺栓固定，但是需要一個配套的轉換受力支柱，試驗支柱組立前需更換配套的法蘭底板，用較長的鋼絲繩綁扎在支柱頂部，并利用吊車吊立支柱，需通過地面的經緯儀讀取支柱頂部固定的水平標尺數據，存在數據讀取不方便且讀取精度易受人為干擾，支柱受力過程中是否存在變形等情況不易觀測，支柱上部受力部分出現安全隱患不易控制等問題。

國務院印發的《質量強國建設綱要》指出，要加快質量技術創新應用，鼓勵企業加強質量技術創新中心建設，推進質量設計、試驗檢測、可靠性工程等先進質量技術的研發應用。為此，為工業配套的傳統試驗方法也需要得到改進提升，有必要采用先進的試驗檢測技術代替傳統的試驗方法，使檢測更精準、便捷、高效、安全。

1 橫臥式綜合測試系統初步設想

當前，埋入式支柱主要采取橫臥式懸臂試驗方法，該方法主要是通過水平夾具方式將支柱夾住，并通過水平彈性滾動臺使支柱可以水平滾動。借助埋入式支柱懸臂試驗方法，法蘭支柱的固定是否可由垂直方向固定轉為水平方向固定。通過分析研究，認為設計研發固定法蘭支柱的方案可行。為便于平臺的通用性，考慮各種型號法蘭支柱的試驗，可將支柱的法蘭固定方式由傳統的螺栓連接固定轉換為液壓夾抱方式，彈性滾動平臺座改為高度可調節的可360移動的彈性旋轉座。為適應數字化控制與采集，測量可采取電腦程序控制，通過程序后臺操作控制拉力計，并自動采集彎矩值、撓度值輸送至電腦端同步顯示與儲存。同時為便于數據匯集管理，程序可自動將采集生成的數據列表通過網絡http協議傳輸至服務器，便于試驗報告的統一生成，以及綜合檢測數據庫的建立、數據維護及后期數據的綜合應用。

2 綜合測試支柱固定裝置

2.1 為通用型而適用的支柱類型

當前鐵路所采用的法蘭型支柱類型主要包括截面積及容量較大的軟橫跨或供電線格構式支柱、接觸網腕臂安裝的格構式橋鋼柱、硬橫梁支柱、H形鋼柱、法蘭混凝土支柱等。這些支柱的底座尺寸及固定位置尺寸見表1。

表1 常用支柱底盤尺寸

針對表1 中的結構尺寸，固定夾具按照最大界面尺寸進行選擇，其他尺寸采取上下方向結構固定、左右方向可調節的方式。為確保不同支柱的不同類型翼緣的適應性，夾具采取具有適應各種翼緣厚度、間距和高度的格柵設計，可水平移動調節抱壓端范圍為300～1 500 mm。夾持裝置如圖1 所示。

圖1 測試方法系統示意圖

2.2 夾持裝置強度受力分析

為確保夾持裝置使用安全，采用L 型構造夾持結構型式。通過數字模擬軟件對夾持裝置的受力狀態進行分析，模擬夾持裝置在常用支柱容量100～1 500 kN·m 范圍內不同受力情況下的剛度，其受力情況如圖2 所示。

圖2 夾持裝置受力

經分析，夾持裝置材質采用45#鋼，L 型結構能滿足試驗時支柱底部抗彎性能要求，配套機械鎖緊扣，在夾持裝置意外斷電情況下仍能保證支柱不從夾持裝置中脫出。

3 綜合數據采集控制系統

3.1 傳感器選擇

該綜合測試系統需測量支柱頂部受到的張力、頂部變形撓度產生的位移，其中張力測量范圍在0～60 kN，位移在0～1 000 mm。結合當前各類型成熟的傳感器，考慮性價比及精度，選取S 型應變傳感器+激光位移傳感器的組合方式。為便于自動化數據采集、數據傳輸與控制系統集成，采取485串口通信，具備WIFI、藍牙等通信擴展能力。

3.2 控制器系統

支柱受力測試需要一個較大的外力，此外力可采用液壓頂推、電動葫蘆鏈條拉拔等方式，并采用三相動力電源。為滿足采集控制系統具備手、自斷電功能，可控制380 V 三相動力電源的開合，在默認狀態下，電源不輸出，且三相控制電源具備換向功能，以滿足電動葫蘆或液壓動力裝置的拉、放。張力傳感器與電源控制還需處于聯動狀態，考慮系統操作的安全性及可靠性，采取弱電啟動開關+三組繼電器聯鎖+三相繼電器換向設計。繼電器的控制也采取串口通信方式，通過串口集成輸入到USB串口端，實現電腦端數據自動采集、自動分析及自動控制。該自動化控制系統如圖3 所示。

圖3 自動化控制系統

3.3 程序研究

為便于設備操作及對設備的控制，程序選用Windows 平臺下的可視化桌面程序。為實現設備自動控制、數據采集與處理、圖形生成、數據存儲、后臺預留管理權限，工作程序處理流程如圖4 所示。

圖4 自動化程序處理流程

（1）參數設置與選取。主要包括支柱參數、測量過程的判斷標準參數、存儲模板參數、通信協議參數及系統參數等。

（2）初始化傳感器參數。在測量不同類型的被測物情況下，為確保測量精度，需要消除外力影響，如支撐小車的摩擦阻力等。在張力數據達到一定數據量后，因外界影響而需要抵消的部分數據，如位移傳感器與被測物之間的初始距離不同，需要考慮初始的不同數據，以便測試過程中采集數據的動態處理，確保測量數據準確。

（3）測量過程。測量過程包括對被測量支柱加力或卸力，按照設定的頻率采集張力數據和對應張力下的位移數據，繪制張力位移曲線；對數據進行自動判斷，確定是否需要暫停；測量完成后存儲相關數據。

4 綜合測試應用結果數據驗證

為驗證研究的綜合橫臥式懸臂試驗方法與立式試驗方法是否存在差異，選取目前鐵路鋼支柱應用最廣泛的兩種支柱類型：格構式支柱和H 形支柱，并在生產加工廠內從近一年內生產的合格產品中隨機抽取樣品。

為確保兩種測量數據的精準性，立式試驗采用經緯儀+張力傳感器的測量方法，綜合橫臥式懸臂試驗采用激光位移傳感器+張力傳感器的測量方法，采用的儀器儀表均經過有資質的第三方單位校核，其中兩種試驗方法采用了相同的張力傳感器，經緯儀與激光位移傳感器在地面進行了位移測量數據的對比，可保證測量數據的一致性。

格構式支柱試驗程序按照GB/T 25020.1—2010《電氣化鐵路接觸網鋼支柱 第1 部分：格構式支柱》第6.4 節結構性能檢驗中的加荷程序和相關測量要求進行；H 形支柱試驗程序按照GB/T 25020.4—2016《電氣化鐵路接觸網鋼支柱 第4 部分：H 形支柱》附錄B 中的加荷程序和相關測量要求進行。

格構式支柱共抽取3個規格5 根不同支柱按照兩種試驗方法進行試驗，H 形支柱共抽取4 個規格4 根支柱按照兩種試驗方法進行試驗。試驗結果如圖5 所示。

圖5 兩種試驗方法結果對比

從圖5 中可以看出，同一根支柱兩種試驗方法，試驗結果對比差異很小，整體較為接近，且差異數據有一定的規律。通過分析，差異的出現主要受底座的形變、螺栓的緊固力矩、支撐小車的摩擦阻力等因素的影響。選擇同類型的支柱，同時采取相同試驗方法，分析底座的形變、螺栓的緊固力矩對支柱撓度影響的大小，測量結果存在10 mm 以內的誤差，支撐小車的阻力對試驗結果不產生影響。

5 結論

通過對支柱進行橫臥式試驗，及導高處撓度、標準檢驗彎矩撓度數據分析，支柱在進行橫臥式試驗時，其結構性能數據與立式試驗數據一致，與數值模擬的結果一致；液壓可調夾持裝置對支柱夾持穩固，可以代替螺栓對支柱進行固定；綜合測試系統為自動化測試系統，解決了人工讀取數據滯后及偏差較大的問題。地面橫臥式平臺及自動化測試系統的采用，降低了安全風險、提高了測量效率及測量精度。因此確定法蘭型支柱水平測試方法有效，其結果可真實反映支柱結構性能，具有一定的推廣應用價值。