暴學(xué)志，柴雪松，李家林，潘 振，司道林，楊 亮

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

線(xiàn)路工程作為高速鐵路運(yùn)行的基礎(chǔ)，是保證高速鐵路安全暢通的基本條件之一，開(kāi)展線(xiàn)路整體研究將具有非常重大的意義。在美國(guó)、日本、瑞典等軌道技術(shù)水平較高的國(guó)家，均研制了專(zhuān)門(mén)承擔(dān)鐵路線(xiàn)路試驗(yàn)的移動(dòng)式軌道加載試驗(yàn)車(chē)，為鐵路軌道試驗(yàn)研究和工程建設(shè)提供了技術(shù)支持。目前我國(guó)在進(jìn)行線(xiàn)路整體研究過(guò)程中，多采用現(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)試設(shè)備或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)建立模型的方式進(jìn)行，這種方式雖然為我國(guó)鐵路線(xiàn)路研究發(fā)揮了巨大的作用，但還存在很多不足。在線(xiàn)路實(shí)體結(jié)構(gòu)上開(kāi)展試驗(yàn)研究可以獲取各種不同的結(jié)構(gòu)、各種工況、各種環(huán)境條件等更為真實(shí)可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而準(zhǔn)確掌握線(xiàn)路工程的各項(xiàng)技術(shù)特征和技術(shù)參數(shù)，更深入地掌握鐵路線(xiàn)路工程技術(shù)。因此進(jìn)行移動(dòng)式線(xiàn)路動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)車(chē)的研究將具有非常重大的意義，而作為加載車(chē)的目的之一，模擬高速鐵路工況對(duì)軌道進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)加載是加載車(chē)的關(guān)鍵功能，加載機(jī)構(gòu)性能好壞將直接影響到加載車(chē)的整體性能，因此進(jìn)行加載車(chē)加載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究也非常重要。

1 加載車(chē)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 國(guó)外加載車(chē)加載方案

加載機(jī)構(gòu)作為加載車(chē)的核心部分，其設(shè)計(jì)至關(guān)重要。美國(guó)、日本、瑞典的移動(dòng)式軌道加載試驗(yàn)車(chē)加載方案也各不相同。

日本的移動(dòng)式軌道加載試驗(yàn)車(chē)主要用于定點(diǎn)加載研究，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)加載，負(fù)荷波形包括正弦波、矩形波和三角波，在進(jìn)行垂向力及橫向力加載過(guò)程中可隨時(shí)對(duì)載荷大小及相位進(jìn)行調(diào)整。

瑞典的移動(dòng)式軌道加載試驗(yàn)車(chē)是通過(guò)作動(dòng)器對(duì)車(chē)上的質(zhì)量塊進(jìn)行激振來(lái)產(chǎn)生垂向動(dòng)荷載實(shí)現(xiàn)移動(dòng)過(guò)程中對(duì)軌道施加動(dòng)荷載，如圖1所示。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但不足之處是加載精度差，且只能實(shí)現(xiàn)垂向加載。

圖1 瑞典加載車(chē)加載方案

美國(guó)的移動(dòng)式軌道加載試驗(yàn)車(chē)加載功能與日本及瑞典加載車(chē)相比要先進(jìn)許多，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)施加恒定荷載和定點(diǎn)施加低頻動(dòng)荷載，其加載方案如圖2所示，反力架與車(chē)體相連接，依靠車(chē)體自重提供反力。兩個(gè)垂向作動(dòng)器一端連接至反力架上，另一端通過(guò)加載架將垂向荷載施加至軌道上。兩個(gè)橫向作動(dòng)器的一端同樣連接至反力架上，另一端通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)塊、加力桿以及加載架將橫向荷載施加至軌道上。

1.2 中國(guó)加載車(chē)加載方案

在充分了解美國(guó)、日本和瑞典的移動(dòng)式軌道加載試驗(yàn)車(chē)加載方式之后，結(jié)合我國(guó)高速鐵路及重載鐵路軌道測(cè)試試驗(yàn)需求，將我國(guó)移動(dòng)式線(xiàn)路動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)車(chē)的加載方式設(shè)定為移動(dòng)施加恒定荷載及定點(diǎn)施加高頻動(dòng)荷載兩種，加載性能與國(guó)外加載車(chē)加載性能對(duì)比如表1所示。

圖2 美國(guó)加載車(chē)加載方案

表1 國(guó)內(nèi)外加載車(chē)加載性能對(duì)比

為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)加載，移動(dòng)加載架設(shè)計(jì)時(shí)在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求基礎(chǔ)上還必須設(shè)置移動(dòng)裝置——輪對(duì)，這樣移動(dòng)加載架的質(zhì)量至少為3 t。定點(diǎn)加載時(shí)，如果作動(dòng)器通過(guò)移動(dòng)加載架給軌道施加荷載，作動(dòng)器將附帶3 t質(zhì)量塊動(dòng)作，通過(guò)建立模型進(jìn)行仿真計(jì)算［3］，作動(dòng)器附帶3 t質(zhì)量塊對(duì)軌道施加高頻荷載時(shí)的加載能力很難滿(mǎn)足測(cè)試試驗(yàn)的要求，而如果把附帶質(zhì)量塊的質(zhì)量降低至0.5 t，作動(dòng)器的加載能力將大大提高，可以滿(mǎn)足測(cè)試試驗(yàn)的要求，另外，附帶質(zhì)量塊的質(zhì)量越小，作動(dòng)器通過(guò)質(zhì)量塊對(duì)軌道施加高頻荷載時(shí)能量損失越少，加載能力也就越高，因此，定點(diǎn)加載時(shí)必須使用另外一套質(zhì)量小于0.5 t的定點(diǎn)加載架。

2 加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)我國(guó)加載車(chē)的加載方式及總體方案，加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括反力架、移動(dòng)加載架、定點(diǎn)加載架及夾持裝置等部分。

2.1 反力架

圖3 我國(guó)加載車(chē)加載方案

根據(jù)加載車(chē)的設(shè)計(jì)，車(chē)體總質(zhì)量為90 t，其中包括反力架質(zhì)量和車(chē)體內(nèi)設(shè)備及配重鐵的質(zhì)量。加載車(chē)通過(guò)作動(dòng)器對(duì)軌道加載時(shí)，以車(chē)體自重為反力，作動(dòng)器一端與反力架連接，另一端與移動(dòng)加載架或定點(diǎn)加載架相連接。反力架以中心距為14 200 mm的兩轉(zhuǎn)向架為支反力點(diǎn)，90 t車(chē)體自重沿反力架縱向均勻分布，同時(shí)，反力架中間受到一個(gè)與作動(dòng)器對(duì)軌道施加的荷載大小相等、方向相反的反力。反力架結(jié)構(gòu)如圖4所示，由車(chē)體框架、加載立柱及加載橫梁組成。

圖4 反力架結(jié)構(gòu)

作動(dòng)器對(duì)軌道施加荷載時(shí)，同樣給反力架一個(gè)反力作用，由于作動(dòng)器的最大動(dòng)程為±3 mm，所以反力架在受到作動(dòng)器最大垂向反力50 t及最大橫向反力20 t同時(shí)作用時(shí)，其本身最大變形不得超過(guò)2 mm。利用有限元軟件對(duì)反力架受力時(shí)的變形進(jìn)行分析如圖5所示，最大處的變形1.537 mm，符合最大變形不超過(guò)2 mm的設(shè)計(jì)要求。

圖5 反力架整體變形

2.2 移動(dòng)加載架

移動(dòng)加載架由測(cè)力輪對(duì)、加載框架、夾持軸、剛度檢測(cè)連接座、牽引端座、橫向加力座、垂向加力座等組成，用于加載車(chē)移動(dòng)過(guò)程中對(duì)軌道施加恒定載荷，如圖6所示。

圖6 移動(dòng)加載架

移動(dòng)加載架是加載車(chē)對(duì)軌道施加移動(dòng)恒定荷載過(guò)程中的重要裝置，其設(shè)計(jì)的好壞與否將直接影響到測(cè)試過(guò)程中的安全性及穩(wěn)定性。移動(dòng)加載架中的夾持軸用于加載車(chē)聯(lián)掛狀態(tài)時(shí)移動(dòng)加載架的夾持固定，以保證行車(chē)安全。牽引端座用于連接牽引桿以提供牽引力。剛度檢測(cè)連接座用于懸掛剛度檢測(cè)架實(shí)現(xiàn)加載過(guò)程中的同步位移測(cè)量。加載框架將移動(dòng)加載架連接成一個(gè)整體，增加移動(dòng)加載架的穩(wěn)定性。橫向加力座及垂向加力座分別用于連接垂向作動(dòng)器端座及橫向作動(dòng)器加力桿端座，是垂向力及橫向力加力點(diǎn)。測(cè)力輪對(duì)是移動(dòng)加載架的重要組成部分，由于垂向力及橫向力均施加于移動(dòng)加載架上，作動(dòng)器端頭傳感器測(cè)量出的力值實(shí)際為施加于加載架上的力值，而對(duì)軌道進(jìn)行測(cè)試時(shí)需要明確的是通過(guò)移動(dòng)加載架后施加于軌道上的力，這兩個(gè)力由于移動(dòng)加載架在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)及慣性作用往往存在一定差異，因此，必須通過(guò)測(cè)力輪對(duì)將施加于軌道上的力測(cè)量出來(lái)，使試驗(yàn)結(jié)構(gòu)更加真實(shí)、可靠。

2.3 定點(diǎn)加載架

定點(diǎn)加載架用于加載車(chē)停在線(xiàn)路上的某一特定位置對(duì)軌道施加高頻疲勞荷載及靜荷載試驗(yàn)，因此定點(diǎn)加載架不需要在加載過(guò)程中移動(dòng)。前面已經(jīng)提到作動(dòng)器在對(duì)軌道施加高頻疲勞荷載時(shí)，作動(dòng)器頭部連接的加載架質(zhì)量不能過(guò)大，否則將使作動(dòng)器的加載能力及加載于軌道上的荷載有所降低，因此定點(diǎn)加載架在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在保證強(qiáng)度及安裝要求的前提下盡量輕便，如圖7所示。三角形結(jié)構(gòu)可以提高定點(diǎn)加載架加載過(guò)程中的穩(wěn)定性，可拆卸的螺栓連接形式有利于定點(diǎn)加載架的搬運(yùn)及安裝，更換一個(gè)垂向加力端座后通過(guò)作動(dòng)器還可實(shí)現(xiàn)軌道的上提試驗(yàn)。測(cè)力傳感器可以更直接地把作動(dòng)器施加于鋼軌上的橫向力測(cè)量出來(lái)，提高試驗(yàn)結(jié)果的可信度。

圖7 定點(diǎn)加載架

2.4 夾持裝置

移動(dòng)式線(xiàn)路動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)車(chē)在聯(lián)掛狀態(tài)時(shí)，最高時(shí)速為160 km/h，為安全起見(jiàn)，利用作動(dòng)器將移動(dòng)加載架提起后用夾持裝置將其機(jī)械固定，如圖8所示。未夾持狀態(tài)時(shí)，用汽缸將夾持裝置的吊鉤拉起，避免阻礙移動(dòng)加載架加載動(dòng)作。加載完成后，用作動(dòng)器將移動(dòng)加載架提起，然后再用汽缸將吊鉤推出，使移動(dòng)加載架上的夾持軸處于夾持裝置吊鉤的鉤內(nèi)，然后將作動(dòng)器液壓卸載，再將夾持裝置吊鉤與移動(dòng)加載架機(jī)械鎖死，此時(shí)作動(dòng)器處于自由狀態(tài)，移動(dòng)加載架完全依靠夾持裝置固定，保證了加載車(chē)聯(lián)掛狀態(tài)的行駛安全。

圖8 夾持裝置

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)綜合分析研究國(guó)外相關(guān)移動(dòng)加載設(shè)備的特點(diǎn)，結(jié)合仿真分析，最終提出了加載車(chē)加載結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)方案。為加載車(chē)加載功能的實(shí)現(xiàn)提供了重要保障。

［1］SATYA P．Bridge Tests by Using the Track Loading Vehicle［R］．Chicago:Assoiation of American Railroads，1993．

［2］LI Dingqing，WILLIAM S．Investigation of Lateral Track Strength and Track Panel Shift Using AAR＇S Track Loading Vehicle［R］．Pueblo:Transportation Technology Center，1997．

［3］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院．高速鐵路線(xiàn)路動(dòng)態(tài)加載技術(shù)及試驗(yàn)裝備研制階段報(bào)告［R］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2010．