大機測量小車懸掛點對測量精度的影響分析

姬常杰 JI Chang-jie

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，昆明 650215）

0 引言

搗固車是大型養路機械的主力車型，主要用于鐵路線路的新線建設、舊線大修和線路維護作業。通過搗固車上的測量系統對線路實際的矢距、超高和縱平進行檢測，并經過車載計算機運算對比后，指導搗固車抄平、起撥道搗固作業。因此，測量系統的檢測精度將對作業質量產生至關重要的影響。

1 作業質量因素分析

影響搗固車作業精度的因素主要有三個方面：①線路狀態，包括：道床板結、翻漿冒泥、線路缺砟、區間道口板護軌未拆除、扣件松動等；②機械設備，包括：電氣傳感器偏差、調試偏差、弦線張緊力偏差及維保不到位產生的偏差；③算法系統偏差和機械結構設計偏差。本文將針對機械結構設計偏差中的測量小車在轉向架上懸掛點位置導致的掛弦點矢距、超高和縱平的偏差產生原因及理論計算做進一步說明。而此項研究在目前資料中尚未有可見的成果。

2 懸掛點位置偏差原因分析

在絕大多數的搗固車中，測量小車一般通過關節軸承一端鉸接于轉向架上，而另一端則由兩個小車輪對來支撐，形成“三點平面”，如圖1 所示。鉸接于轉向架處的位置即為測量小車懸掛點，如圖2 所示。懸掛點位置不在轉向架中心銷中心位置正下方時，即圖示2 中圓圈所示的鉸接點，偏左或偏右時都會影響測量系統的檢測精度。

圖2 測量小車懸掛轉向架形式示意圖

2.1 無偏差的理想設計

為清晰表達，對實物模型進行了簡化處理，如圖3 所示。L、R 模擬為線路的左、右軌；fgih 模擬為轉向架及輪對，其中gi、fh 為轉向架的前、后輪軸，即Ⅰ、Ⅱ輪軸，g、f 為轉向架Ⅰ、Ⅱ軸的左輪，i、h 為轉向架Ⅰ、Ⅱ軸的右輪，O 為fi 與gh 的交點；o′mn 模擬為測量小車，o′為測量小車在轉向架上的懸掛鉸接點，mn 為測量小車輪軸線，m 為左測量輪，n 為右測量輪，p 為弦線實際固定點，其在mn 上。

圖3 理想條件下測量小車懸掛狀態

理想條件下，搗固車撥道弦線一端的固定點位置在mn 的中點p 處，車在直線上時，g、f、m 與L 重合，i、h、n 與R 重合，則p 點在軌道幾何中心線上，即，。此時，無論是否為0，都不影響撥道弦線固定點，繼而也不會影響到C 點測量小車的矢距值。

2.2 轉向架輪軌間隙導致的偏差

如圖4 所示，e 為轉向架輪對與鋼軌之間的總游隙，由于機車動力學原因，轉向架輪對與鋼軌之間必然產生間隙。f、g 與L 不重合，i、h 與R 也不重合。在作業條件下，Ⅰ、Ⅱ軸輪對會向鋼軌一側接觸。由于測量小車鉸接于轉向架o′，將導致p 點發生移動，mn 也不與軌道幾何中心線垂直，如圖5 所示。

圖4 轉向架輪軌間隙示意

圖5 轉向架靠軌一側示意

2.3 測量小車輪軌間隙導致的偏差

如圖6 所示，k 為測量小車輪與鋼軌的設計間隙，其目的是使測量小車在軌道上有更好的通過性，其也會導致m 與L 不重合，n 與R不重合。搗固車作業時測量小車會向一側加載，假設L 為超高軌，則加載時m 與L 重合，p點也會發生移動，如圖7 所示。

圖6 測量小車輪軌間隙示意

圖7 測量小車靠軌一側示意

3 弦線固定點偏差對精度的定量計算

3.1 偏差對矢距的影響

實際運用中，2.2 與2.3 的偏差均會同時出現，如圖8 所示。綜合兩者因素，重建幾何模型后，如圖9 所示，設α1為L 與o′m 的夾角，α2為測量小車框架內側夾角，α3為測量小車輪軸線mn 與軌道中心線垂線的夾角，β1為o′p 與軌道中心線的夾角，p′為弦線理論固定點，其在軌道幾何中心線上，β2為測量小車弦線實際固定點和理論固定點連線與軌道中心線的夾角，β3為pp′與mn 的夾角。由圖9 可得，

圖8 綜合因素對矢距的影響

圖9 綜合因素下理論解算圖

由式（1）-（6）得：

其中：G 為軌距值，取1435mm；

e 為轉向架輪對與鋼軌之間的總游隙，為設計值，單位mm；

b 為測量小車懸掛點與小車輪心距離，為設計值，單位mm；

k 為測量小車輪與鋼軌的設計間隙，為設計值，單位mm。

由式（7）-（10）得：

其中：α3為測量小車輪軸線mn 與軌道中心線垂線的夾角，為計算值。

3.2 偏差對超高的影響

假設搗固車進入帶有坡度的直線上作業，由于α3的存在，電子擺將輸出一個錯誤的超高信號值，并影響到抄平系統。如圖10 所示，θ 為線路的坡度角度，n 為測量小車輪與鋼軌的實際接觸位置與R 的重合點，n′為測量小車輪與鋼軌的理論接觸位置與R 的重合點，n′w 與水平面的法線平行，nn′w 構成直角三角形。設，Hn即為輸出的超高偏差值。

圖10 綜合因素對超高的影響

由圖10 可知，

由式（14）-（15）得：

i 為線路坡度，為線路設計值，單位‰。

4 弦線固定點偏差對設計的指導意義

一般情況下，e 值與轉向架止擋間隙、輪軌間隙、輪緣磨耗和軌距加寬有關；k 值設計時保留為5mm，但搗固車調試時，k 值將會被消除。由式（11）可知，b 適當加大，α3可相對減小，有利于測量精度的提升。

以某搗固車為例，D、B 測量小車設計一致，b =1500mm，e =52mm，k =5mm，則=0.090mm=0.043mm，折算到C 測量小車矢距傳感器位置，對矢距影響為0.043mm，可忽略其影響；取i=30‰這一極限值，Hn=0.6277mm，就需考慮其對超高和縱平的影響。

5 結論

通過本文大型養路機械測量小車懸掛點位置偏差對測量精度的影響原理開展的理論分析，可以得出以下結論：

①測量小車在轉向架上的懸掛鉸接位置會對測量小車弦線掛弦點實際位置產生影響；

②測量小車掛弦點位置發生偏移后會對測量系統的矢距值、超高值和縱平值產生影響；

③測量小車在轉向架上的懸掛鉸接位置與小車輪對中心距離，即設計值，距離值越大則越有利于測量系統檢測精度的提升。

對于新設計的搗固車，應當充分考慮線路設計參數，結合上述掛弦點影響理論分析，控制設計值，以更好地從精度方向指導測量系統機械結構設計工作。