董智刚 关志炜 邓远博 陈庚
中车大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116000
摘 要：转向架静载试验台是一种非标类检测设备，主要用于轨道交通产品转向架静载状态下轴重、轴距等技术参数的测量，检测精确性关系到轨道交通产品走行部的行车安全。为保证其检测的精确性，需要根据其技术要求及计量特性进行周期性校准。故本文旨在从其力学、长度计量特性来探讨转向架静载试验台进行周期性校准的可行性方法，特别在其几何量检测方面，我们基于激光跟踪技术，进行了科学性实用性研究。
关键词：转向架；静载试验台；校准方法
转向架静载试验台（以下简称试验台），主要用于轨道交通产品转向架静载状态下轴重、轴距等关键技术参数的测量，是轨道交通产品制造环节中重要的非标准类检测设备。试验台大多以液压系统为动力，由测量单元，激光位移传感器、载荷加载装置（压头）等构成，可在空载、静载等条件下对转向架几何及载荷参数进行检测。因试验台的检测精确性关系到轨道交通产品走行部的行车安全，所以亟待解决转向架静载试验台的科学性的校准方法问题，以实现全面、精准、有效地周期校准来保证试验台的检测精度。我们综合研究了试验台的运行结构、检测原理、技术要求、计量特性等技术知识和重要参数，拟从载荷校准和几何校准两个方面切入，来研讨转向架静载试验台的全面、精确的精度校准方法。
1.计量性能要求
1.1.试验台的测量范围
测量单元的力值测量范围一般为0-150kN，单独的加载装置0-300kN；轴距范围：1800-4500mm。
1.2.误差要求
1.2.1.载荷误差
测量单元（包含两个压头）：测量单元载荷最大允许误差分段规定，测量段Ⅰ各测量点最大允许误差不超过该测量段上限的±1%，测量段Ⅱ最大允许误差不超过该点标称值得±0.5%。
试验台载荷整体误差分为两个部分并独立计算，整体加载单元（两个垂直压头），整体称重测量单元。
各整体单元最大误差分段规定，测量段Ⅰ各测量点最大允许误差不超过该测量段上限的±1%，测量段Ⅱ最大允许误差不超过该点标称值的±0.5%。
测量段I：量程的0-20%；测量段Ⅱ：量程的20%以上至满量程。
1.2.2.几何误差：
测量单元平面度误差不超过±0.5mm；长度系统误差不超过±0.1mm。
1.2.3.测量重复性：
每个校准点三次测量结果的最大值与最小值之差为测量重复性。
测量重复性应不大于相应测量点最大允许误差绝对值得1/2。
2.校准项目
包括周期校准和使用中检查见表1。
表1 校准项目表
校准项目 周期校准 使用中检查
外观 + +
各部件相互作用 + +
测量单元水平度 + -
载荷误差及重复性 + -
试验台载荷误差 + -
测量单元定位误差 + -
轮距传感器定位误差 + -
踏面传感器定位误差 + -
加载单元定位误差 + -
注：“+”表示应校准，“-”表示可不校准。
122.1校准条件
2.2.1.2.1.1.环境条件
环境温度：10-35℃，相对湿度不大于80%。
校准时不应有影响校准结果的振动、电磁场或其他干扰源。
2.1.2.标准器和主要配套设备
表2 主要标准器一览表
名称 准确度等级/允许误差
标准压力传感器 0.1级
水准仪 0.7mm/1000m
激光跟踪仪 15μm+6μm/1000m
激光跟踪仪靶球座 同轴度Φ0.02mm
激光跟踪仪轮肩测量工装 直线度0.02mm
专用游标高度仪 0.02mm
3.校准方法
33.1外观
试验台开机运行，预热时间不少于30min，然后目力观察。
3.2各部件相互作用
推动、升降测量单元，目力观察。
3.3测量单元水平度
用水准仪和专用标尺组合进行测量，将水平尺放在测量单元承载面上，用水准仪和专用标尺在每一测量单元的前中后三个位置进行读数，得到各承载面间的高低差。
3.4载荷校准
3.4.1测量单元误差
测量单元载荷校准：至少确定均匀分布的五个校准点，或者根据实际的使用要求确定。
根据测量单元的实际结构设计合适的标准装置，将测量单元、标准测力仪、加载装置连接。加载力方式可以选用扭矩加载或者选用液压千斤顶加载，应保证标准测力仪受力轴线与承重轨面垂直，无切应力等影响校准的因素存在。将标准测力仪和测量单元的示值调至零点，沿标准测力仪受力轴线在校准点处加载力，至校准点保持稳定后读取示值，重复对各检定点进行三次测量，误差按照以下公式计算，依次对各检定点进行检定。
q =F1-F2
式中：
F1：校准点的指示值，kN；
F2：校准点标准器指示平均值，kN；
q：测量单元误差，kN；
3.4.2测量单元重复性
每个校准点三次测量结果的最大值与最小值之差为测量重复性。
3.4.3静载试验台整体载荷误差
静载试验台整体载荷误差按照以下公式计算：
式中：
：试验台误差kN；
：测量单元误差kN；
k ：测量单元总数；
i ：为1.2.3....k。
3.5几何校准
3.5.1试验台结构及工作坐标系
试验台的检测工作是基于三维直角坐标系，沿钢轨方向（纵向）为Ｘ向，钢轨横断面（横向）为Ｙ向，垂直方向为Ｚ向，安装于上主横梁的两测试气缸为Ｘ向“零点”。如图１所示为3轴转向架静载试验台工作坐标系。
.png)
3.5.3测量单元定位误差（X轴）
使用激光跟踪仪靶球座依次用力扭转套装在各个测量单元的定位销上，保证靶球座底面与定位销底面紧密接触。再将靶球轻放于靶球座上，用激光跟踪仪测得测量单元各点坐标值。
将加载压头下降到合适位置，尽量接近实际工作安全行程范围的下限（≤500mm）。靶球沿垂直气缸圆柱水平移动，分别在垂直气缸Z1、Z2的圆柱上、各测量出高中低三个截圆，获得圆心坐标系。通过对Z1、Z2各自圆柱的各截圆圆心的X、Y值计算，求得Z1、Z2各自压头垂直线性位移的垂直度；计算得出Z1、Z2截圆圆心的X值，设为“零点”。分别计算出各测量单元相对于“零点”的位置值。
对比激光跟踪仪检测的位置值和静载试验台测量校准软件示值，计算静载试验台测量单元的X向定位误差。定位误差计算公式如下：
式中：
：测量单元X向定位误差，mm；
：激光跟踪仪示值，mm；
：静载测试台测量校准软件示值，mm。
3.5.4轮距传感器定位误差（Y轴）
轮距传感器定位误差使用激光跟踪仪进行校准测量。将轮距传感器Y向专用校准工装固定在静载试验台轮距传感器处，使轮距传感器的测量激光投射到Y向专用校准工装定值位移测量面上，并将激光跟踪仪的光标靶球固定于Y向专用校准工装测量面的对应位置上。操作测量面带动光标靶球沿静载测试台Y轴方向水平移动，通过对比激光跟踪仪所示位移数据和静载测试台测量校准软件显示相对应位置的示值，计算获得轮距传感器的Y向定位误差。定位误差计算公式如下：
式中：
:轮距传感器定位误差，mm；
：激光跟踪仪在i点的读数，mm；
：试验机软件在i点的读数，mm；
m：为1.2.3.4.....k。
3.5.5踏面传感器定位误差（Z轴）
我们将高度尺设计改造成专用游标高度仪，使用该专用游标高度仪来进行校准测量。将改造后的高度尺固定在测量单元基准平面处，使踏面传感器的测量激光投射到高度尺测量口小平面上，逐步平稳提高高度尺数值，通过对比高度尺数据和静载试验台测量校准软件显示的对应位置的示值，计算获得踏面传感器Z向定位误差。定位误差计算公式如下：
式中：
:踏面传感器定位误差，mm；
：激光跟踪仪在i点的读数，mm；
：试验机软件在i点的读数，mm；
n：为1.2.3.4.....k。
3.5.6加载单元定位误差
使用激光跟踪仪和靶球座进行测量，通过升降压头，分别计算出不同位置垂直压头Z1、Z2的位置值，如图3所示。
ZC=Zh-ZK
ZC:垂直气缸压头位置值
Zh:测得垂直压头止挡面的高度
ZK:垂直压头止挡面到压头顶的高度
图3.压头Z向校准示意图
通过对比激光跟踪仪所示位移数据和静载测试台测量校准软件显示的相对应位置的示值，计算获得加载单元定位误差。定位误差计算公式如下：
.png)
式中：
:加载单元定位误差，mm；
：激光跟踪仪在i点的读数，其中为零点，mm；
：试验机软件在i点的读数，其中为机器回零时软件的读数，mm；
i：为1.2.3.4.....k。
4.结语
本文通过系统研究转向架静载试验台的运行结构、检测原理、技术要求、计量特性等技术特性，应用专用测力计、激光跟踪仪等检测设备及相应的自制工装来配套检测，完成转向架静载试验台的载荷校准与几何校准的技术工作，探索出具有全面性、高精确性地转向架静载试验台的校准方法，为轨道交通行业计量同行校准转向架静载试验台提供了高实用性的技术参考，提升了转向架静载试验技术数据的准确性和可靠性，有效地保证了轨道交通产品走行部的行车安全。