动车组转向架静载试验台校准技术研究

李连峰，张晓磊，刘 林

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

开展“全产业链、全寿命周期、全溯源链、前瞻性”的计量测试技术研究，提升高速列车产业关键领域、关键设备的计量测试和量值传递技术能力，是支撑、促进、引领和创新发展高速列车产业计量测试体系的关键。本文通过对动车组转向架静载试验台校准技术的研究，形成了规范的校准方案，解决了动车组转向架静载试验台的校准难题。

动车组转向架静载试验台主要用于动车组转向架静载试验，是配合动车组转向架生产组装及相关尺寸检测的试验设备。动车组转向架静载试验台采用电液伺服加载方式模拟车体质量，通过对轮重差、轴距、保压以及各种功能的检测或参数的测量，实现对动车组转向架的性能检测[1]。动车组转向架静载试验台的性能稳定可靠至关重要，为此开展动车组转向架静载试验台校准技术的研究，通过周期校准保证动车组转向架静载试验台性能，以满足生产需求和保障动车组的运营安全。

1 动车组转向架静载试验台的组成

动车组转向架静载试验台是具有焊接机座的框架结构，在此基础上安装了铁轨和车轮测量单元，在结索中安装有液压测试汽缸，通过手轮可使其横向移动。具体组成如图1所示。

1.测试汽缸 1；2.测试汽缸 2；3.辅助结索；4.设备基座；5.车轮测量单元C；6.车轮测量单元D；7.车轮测量单元A；8.车轮测量单元B；9.结索。

如图2所示，动车组转向架静载试验台配备了控制箱和工业电脑，安装了专用测试软件，通过触摸屏或键盘控制所有设备功能及机械测试。

图2 动车组转向架静载试验台控制箱和工业电脑

动车组转向架静载试验台配备了液压动力装置，通过可调节轴向柱塞泵调节设备压力[2]。电子监控系统可通过对油位和油温进行检测防止油温持续过热；次级泄压阀可有效防止液压过大；内置过滤器可防止设备污染，从而确保机器长期无故障运行。液压动力装置结构如图3所示。

图3 动车组转向架静载试验台液压动力装置

2 校准条件要求

2.1 环境要求

校准环境要求如下：

(1) 校准环境温度为0～30 ℃；

(2) 校准环境相对湿度≤80% RH；

(3) 校准环境周围无影响校准结果的震源、电磁干扰和腐蚀性介质；

(4) 动车组转向架静载试验台不得有影响校准结果的外观缺陷。

2.2 主要测量标准器要求

(1) 标准测力仪主要用于动车组转向架静载试验台力值的校准，要求精度等级为0.3级及以上；测量范围应覆盖试验台满量程的要求；示值重复性相对误差和长期稳定度均不大于0.3%；示值进程、回程相对误差不大于1.5%。

(2) 激光干涉仪通过与不同的光学组件结合，可以实现对动车组转向架静载试验台直线度、垂直度、角度、平面度、平行度等多种几何精度的测量，要求测量范围不小于40 m，最大允许误差为(0.5×10-6L) μm，线性分辨力为0.001 μm。

(3) 水准仪用于测量动车组转向架静载试验台轮重单元高度差、联轴节高度尺导轨高度差等，要求测微器最小分格值为0.05 mm，水准管轴与视准轴投影在垂直面上所形成的夹角误差(以下简称i角误差)不大于12″。

(4) 量块用于联轴节高度尺示值误差的测量，精度等级为5等及以上可满足校准要求。

3 校准项目

动车组转向架静载试验台校准项目如表1所示。

表1 动车组转向架静载试验台校准项目

4 校准方法

4.1 加载和称重测量单元的校准

动车组转向架静载试验台加载和称重测量单元校准时，选取校准点不得少于5个，一般按测量范围的20%、40%、60%、80%、100%均匀分布选取。采用液压式加载，校准时将标准测力仪和试验台的示值调至零点，沿标准测力仪受力轴线逐点递增施加试验力值，至校准点保持稳定后读取进程示值，校准过程连续重复进行3次，其校准技术指标计算方法如下：

示值相对误差q按式(1)计算：

(1)

F——与力标准器示值对应的试验力。

示值重复性相对误差b按式(2)计算：

(2)

式中：Fimax、Fimin——分别为试验台第i校准点3次进程示值的最大值和最小值；

4.2 轮重单元高度差的校准

动车组转向架静载试验台轮重单元高度差校准时，校准点应在轮重单元使用范围内均匀选取不少于2个点。校准时将平尺和靶标放置在称重单元支撑轮上，分别测量每个轮重单元高度，测量的最大值和最小值之差即为轮重单元高度差。

4.3 联轴节高度尺导轨高度差的校准

动车组转向架静载试验台联轴节高度尺导轨高度差校准时，校准点应在轮对轴距方向使用范围内均匀选取不少于3个点，校准时将水准仪固定安装，并调试至水平，将靶标放置在被测轨道使用点上，通过水准仪读取数值并记录，测量的最大值和最小值之差即为联轴节高度尺导轨高度差。

4.4 轮重单元线性位移的校准

动车组转向架静载试验台轮重单元线性位移校准时，校准点应在其使用量程范围内均匀选取不少于4个点，校准时将轮重单元在导轨上移动，将移动的距离与激光干涉仪显示距离进行比较，其差值即为轮重单元线性位移示值误差。

4.5 加载油缸线性位移(垂直)的校准

动车组转向架静载试验台加载油缸线性位移(垂直)校准时，校准点应在其使用范围内均匀选取不少于3个点，校准时将横梁由上向下移动，将移动的距离与激光干涉仪显示距离进行比较，其差值即为加载油缸线性位移(垂直)示值误差。

4.6 联轴节高度尺示值误差的校准

动车组转向架静载试验台联轴节高度尺示值误差校准时，校准点应在其测量范围内均匀选取不少于3个点，校准时使用5级及以上量块，在每个选取的测量点读取尺身读数并记录，其测量值与量块标称值之差即为联轴节高度尺示值误差。

由上图6可见，方法1其色谱图的分离程度不高，方法2色谱图的峰形较好，因此选择第二种方法进行进一步的优化。

5 测量不确定度评定

校准测量结果是否准确，通常根据被测量和测量值的误差来描述，然而被测量的真值不是已知的，所以准确定量的难度很大。测量不确定度是与测量结果关联的一个参数，用于表征合理赋予被测量值的分散性，是对测量结果质量和水平的科学表达，可以评价校准方法的合理性。动车组转向架静载试验台的校准同样需要给出测量不确定度的评价[3]。

5.1 动车组转向架静载试验台线性位移定位精度测量结果的不确定度评定

5.1.1 评定方法

在环境温度在10～35 ℃、相对湿度不大于80%的条件下，将激光干涉仪(最大允许误差为±(0.5×10-6L) μm)反光镜固定在导轨桁架上，激光发射方向与导轨运行方向相同。零位同时清零后，每运行50 mm，导轨系统与激光干涉仪分别记录一次数据，导轨系统记录的数据减去激光干涉仪的数据即为该位置的定位精度，建立数学模型如式(3)所示：

ΔL=L-L0

(3)

式中：ΔL——导轨定位精度；

L——被测位置导轨系统读数；

L0——被测位置激光干涉仪读数。

5.1.2.1测量重复性引入的标准不确定度μ1的评定

在重复性条件下对400 mm尺寸连续测量10次，测量值分别为400.07 mm、400.05 mm、400.07 mm、400.07 mm、400.04 mm、400.08 mm、400.05 mm、400.07 mm、400.09 mm、400.11 mm。单次试验标准偏差s为：

式中：Li——第i次被测位置导轨系统读数；

n——连续测量次数，n=10。

则μ1=s=0.020 5 mm。

5.1.2.2激光干涉仪示值误差引入的标准不确定度μ2的评定

激光干涉仪本身精度受环境的影响变化可以忽略不计，还可根据被检导轨的环境变化进行数据的修正，因此不考虑温度对测量结果的影响。

5.1.3 合成不确定度评定

5.1.3.1主要测量标准不确定度分量

线性位移定位精度主要测量标准不确定度分量如表2所示。

表2 线性位移定位精度主要测量标准不确定度分量

5.1.3.2合成标准不确定度μc

以上各项标准不确定度分量相互独立不相关，则：

5.1.3.3扩展不确定度U

取置信因子k=2(置信概率为95%)，当L=400 mm时，U=0.02×2=0.04 mm。

5.2 动车组转向架静载试验台测力示值误差测量结果的不确定度评定

5.2.1 评定方法

在规定环境条件下，用0.1级标准测力仪对动车组转向架静载试验台进行直接测量，可得到与标准值相对应的试验台负荷示值。该过程连续进行3次，3次示值的算术平均值与标准测力仪示值之差，即得到该测量点的示值误差，建立数学模型如式(4)所示：

(4)

式中：Δ——测量单元的示值误差。

5.2.2 输入量的标准不确定度评定

5.2.2.1测量重复性引入的标准不确定度μ1

对转向架综合试验台100 kN点进行测量，在重复条件下连续测量10次，测量结果分别为100.30 kN、100.26 kN、100.27 kN、100.27 kN、100.28 kN、100.24 kN、100.29 kN、100.23 kN、100.24 kN、100.29 kN。

通过计算得到标准偏差为0.024 kN，3次平均值的标准偏差为0.014 kN，则测量重复性带来的标准不确定度分量μ1=0.014 kN。

标准偏差s(x)为：

则测量重复性带来的标准不确定度分量μ1=0.014 kN。

5.2.2.2标准测力仪示值误差引入的标准不确定度μ2

5.2.3 合成不确定度评定

5.2.3.1主要测量标准不确定度分量

测力示值误差主要测量标准不确定度分量如表3所示。

表3 测力示值误差主要测量标准不确定度分量

5.2.3.2合成标准不确定度μc

由于以上各量彼此独立，互不相关，则：

5.2.3.3扩展不确定度U

6 结束语

经过实践证明，上述动车组转向架静载试验台校准的方法切实可行，检测及校准精度满足预期使用的要求，满足设备现场校准、校准设备安装携带方便、测量准确度高、检测数据处理简单快捷等技术要求和特点，适合在轨道交通领域广泛应用。该项校准技术研究，也填补了高速列车产业校准技术领域的空白，有力支撑了高速列车产业计量的创新发展。