法兰型支柱受力横卧式综合检测方法

王 兵，崔 莹，徐伟超

0 引言

为保证产品结构性能，需对法兰型支柱结构的抗裂、挠度和承载力等性能进行试验。当前，按照TB/T 2286—2020 的规定，法兰型支柱结构性能检验采取立式试验方法[1-2]，埋入式支柱采取卧式悬臂试验方法[3]。法兰型支柱立式试验方法是将支柱通过法兰与水平基础螺栓进行连接，使支柱处于垂直向上的方向，测量则是通过受力转换支柱给柱顶施加拉力，读取拉力值，并通过经纬仪观测柱顶水平尺的度数，读取并记录支柱的弯矩值及挠度值。对法兰型支柱采用立式试验方法时，支柱法兰与底座基础采用螺栓固定，但是需要一个配套的转换受力支柱，试验支柱组立前需更换配套的法兰底板，用较长的钢丝绳绑扎在支柱顶部，并利用吊车吊立支柱，需通过地面的经纬仪读取支柱顶部固定的水平标尺数据，存在数据读取不方便且读取精度易受人为干扰，支柱受力过程中是否存在变形等情况不易观测，支柱上部受力部分出现安全隐患不易控制等问题。

国务院印发的《质量强国建设纲要》指出，要加快质量技术创新应用，鼓励企业加强质量技术创新中心建设，推进质量设计、试验检测、可靠性工程等先进质量技术的研发应用。为此，为工业配套的传统试验方法也需要得到改进提升，有必要采用先进的试验检测技术代替传统的试验方法，使检测更精准、便捷、高效、安全。

1 横卧式综合测试系统初步设想

当前，埋入式支柱主要采取横卧式悬臂试验方法，该方法主要是通过水平夹具方式将支柱夹住，并通过水平弹性滚动台使支柱可以水平滚动。借助埋入式支柱悬臂试验方法，法兰支柱的固定是否可由垂直方向固定转为水平方向固定。通过分析研究，认为设计研发固定法兰支柱的方案可行。为便于平台的通用性，考虑各种型号法兰支柱的试验，可将支柱的法兰固定方式由传统的螺栓连接固定转换为液压夹抱方式，弹性滚动平台座改为高度可调节的可360移动的弹性旋转座。为适应数字化控制与采集，测量可采取电脑程序控制，通过程序后台操作控制拉力计，并自动采集弯矩值、挠度值输送至电脑端同步显示与储存。同时为便于数据汇集管理，程序可自动将采集生成的数据列表通过网络http协议传输至服务器，便于试验报告的统一生成，以及综合检测数据库的建立、数据维护及后期数据的综合应用。

2 综合测试支柱固定装置

2.1 为通用型而适用的支柱类型

当前铁路所采用的法兰型支柱类型主要包括截面积及容量较大的软横跨或供电线格构式支柱、接触网腕臂安装的格构式桥钢柱、硬横梁支柱、H形钢柱、法兰混凝土支柱等。这些支柱的底座尺寸及固定位置尺寸见表1。

表1 常用支柱底盘尺寸

针对表1 中的结构尺寸，固定夹具按照最大界面尺寸进行选择，其他尺寸采取上下方向结构固定、左右方向可调节的方式。为确保不同支柱的不同类型翼缘的适应性，夹具采取具有适应各种翼缘厚度、间距和高度的格栅设计，可水平移动调节抱压端范围为300～1 500 mm。夹持装置如图1 所示。

图1 测试方法系统示意图

2.2 夹持装置强度受力分析

为确保夹持装置使用安全，采用L 型构造夹持结构型式。通过数字模拟软件对夹持装置的受力状态进行分析，模拟夹持装置在常用支柱容量100～1 500 kN·m 范围内不同受力情况下的刚度，其受力情况如图2 所示。

图2 夹持装置受力

经分析，夹持装置材质采用45#钢，L 型结构能满足试验时支柱底部抗弯性能要求，配套机械锁紧扣，在夹持装置意外断电情况下仍能保证支柱不从夹持装置中脱出。

3 综合数据采集控制系统

3.1 传感器选择

该综合测试系统需测量支柱顶部受到的张力、顶部变形挠度产生的位移，其中张力测量范围在0～60 kN，位移在0～1 000 mm。结合当前各类型成熟的传感器，考虑性价比及精度，选取S 型应变传感器+激光位移传感器的组合方式。为便于自动化数据采集、数据传输与控制系统集成，采取485串口通信，具备WIFI、蓝牙等通信扩展能力。

3.2 控制器系统

支柱受力测试需要一个较大的外力，此外力可采用液压顶推、电动葫芦链条拉拔等方式，并采用三相动力电源。为满足采集控制系统具备手、自断电功能，可控制380 V 三相动力电源的开合，在默认状态下，电源不输出，且三相控制电源具备换向功能，以满足电动葫芦或液压动力装置的拉、放。张力传感器与电源控制还需处于联动状态，考虑系统操作的安全性及可靠性，采取弱电启动开关+三组继电器联锁+三相继电器换向设计。继电器的控制也采取串口通信方式，通过串口集成输入到USB串口端，实现电脑端数据自动采集、自动分析及自动控制。该自动化控制系统如图3 所示。

图3 自动化控制系统

3.3 程序研究

为便于设备操作及对设备的控制，程序选用Windows 平台下的可视化桌面程序。为实现设备自动控制、数据采集与处理、图形生成、数据存储、后台预留管理权限，工作程序处理流程如图4 所示。

图4 自动化程序处理流程

（1）参数设置与选取。主要包括支柱参数、测量过程的判断标准参数、存储模板参数、通信协议参数及系统参数等。

（2）初始化传感器参数。在测量不同类型的被测物情况下，为确保测量精度，需要消除外力影响，如支撑小车的摩擦阻力等。在张力数据达到一定数据量后，因外界影响而需要抵消的部分数据，如位移传感器与被测物之间的初始距离不同，需要考虑初始的不同数据，以便测试过程中采集数据的动态处理，确保测量数据准确。

（3）测量过程。测量过程包括对被测量支柱加力或卸力，按照设定的频率采集张力数据和对应张力下的位移数据，绘制张力位移曲线；对数据进行自动判断，确定是否需要暂停；测量完成后存储相关数据。

4 综合测试应用结果数据验证

为验证研究的综合横卧式悬臂试验方法与立式试验方法是否存在差异，选取目前铁路钢支柱应用最广泛的两种支柱类型：格构式支柱和H 形支柱，并在生产加工厂内从近一年内生产的合格产品中随机抽取样品。

为确保两种测量数据的精准性，立式试验采用经纬仪+张力传感器的测量方法，综合横卧式悬臂试验采用激光位移传感器+张力传感器的测量方法，采用的仪器仪表均经过有资质的第三方单位校核，其中两种试验方法采用了相同的张力传感器，经纬仪与激光位移传感器在地面进行了位移测量数据的对比，可保证测量数据的一致性。

格构式支柱试验程序按照GB/T 25020.1—2010《电气化铁路接触网钢支柱 第1 部分：格构式支柱》第6.4 节结构性能检验中的加荷程序和相关测量要求进行；H 形支柱试验程序按照GB/T 25020.4—2016《电气化铁路接触网钢支柱 第4 部分：H 形支柱》附录B 中的加荷程序和相关测量要求进行。

格构式支柱共抽取3个规格5 根不同支柱按照两种试验方法进行试验，H 形支柱共抽取4 个规格4 根支柱按照两种试验方法进行试验。试验结果如图5 所示。

图5 两种试验方法结果对比

从图5 中可以看出，同一根支柱两种试验方法，试验结果对比差异很小，整体较为接近，且差异数据有一定的规律。通过分析，差异的出现主要受底座的形变、螺栓的紧固力矩、支撑小车的摩擦阻力等因素的影响。选择同类型的支柱，同时采取相同试验方法，分析底座的形变、螺栓的紧固力矩对支柱挠度影响的大小，测量结果存在10 mm 以内的误差，支撑小车的阻力对试验结果不产生影响。

5 结论

通过对支柱进行横卧式试验，及导高处挠度、标准检验弯矩挠度数据分析，支柱在进行横卧式试验时，其结构性能数据与立式试验数据一致，与数值模拟的结果一致；液压可调夹持装置对支柱夹持稳固，可以代替螺栓对支柱进行固定；综合测试系统为自动化测试系统，解决了人工读取数据滞后及偏差较大的问题。地面横卧式平台及自动化测试系统的采用，降低了安全风险、提高了测量效率及测量精度。因此确定法兰型支柱水平测试方法有效，其结果可真实反映支柱结构性能，具有一定的推广应用价值。