王寶超，李慧潔，管 鑫，朱 政，詹宇劍

（1.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044；2.中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100000；3.機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司，北京 100044；4.中機(jī)科 （北京）車輛檢測(cè)工程研究院有限公司）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)鐵路運(yùn)輸事業(yè)蓬勃發(fā)展，鐵路正朝著高速化、便捷化、重載化發(fā)展，這就對(duì)機(jī)車車輛的各項(xiàng)性能參數(shù)有了更高要求。影響機(jī)車車輛力學(xué)性能和制動(dòng)性能的因素有很多，其中輪（軸）重偏差是其中重要因素之一。因此，機(jī)車車輛必須在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中采取有效措施，將輪（軸）重的偏差限定在較小的范圍內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，我國(guó)鐵路運(yùn)行機(jī)車軸重偏差不應(yīng)超過(guò)平均軸重的±2%，輪重偏差不應(yīng)超過(guò)軸的平均輪重的±4%[1，2]。

靜態(tài)機(jī)車車輛整車稱重試驗(yàn)臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱稱重試驗(yàn)臺(tái)）是對(duì)機(jī)車車輛進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)測(cè)試的重要電子檢測(cè)設(shè)備，可對(duì)機(jī)車車輛的輪、軸、轉(zhuǎn)向架質(zhì)量、車輛偏載和車輛總質(zhì)量等進(jìn)行稱量并與標(biāo)準(zhǔn)誤差進(jìn)行比較、分析，從而確定各種機(jī)車、車輛在靜態(tài)時(shí)的真實(shí)質(zhì)量值和質(zhì)量實(shí)際分布分配情況，最終保證車輛的原始設(shè)計(jì)要求及上路安全運(yùn)行要求。

1 整車稱重調(diào)簧原理[3]

機(jī)車車輛為一、二系承載結(jié)構(gòu)，車體二系支承點(diǎn)數(shù)較多，并且相互制約，因此，造成輪（軸）重分配不均衡的原因也有很多。從分布結(jié)構(gòu)和載荷傳遞上看，一、二系支撐載荷分布不均是輪重偏差和軸重偏差的主要來(lái)源。通過(guò)獨(dú)立稱重臺(tái)測(cè)量各輪的重量，并根據(jù)胡克定律，通過(guò)改變車體與軌面之間各彈性支承點(diǎn)的彈簧壓縮量，從而調(diào)整各支承點(diǎn)的載荷，使其盡可能均勻分布，是均衡輪（軸）重分配的方法，也是整車稱重調(diào)簧的基本原理。

以4軸車輛為例，車在XOY平面上的受力如圖1所示，圖中 P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8為各車輪實(shí)際輪重（kN）；W為機(jī)車實(shí)際總重（kN）；a、b、c 為機(jī)車結(jié)構(gòu)參數(shù)（mm）。

通過(guò)重心公式可計(jì)算車輛的重心偏差 （ΔX，ΔY），當(dāng)車輛理論重心與實(shí)際重心的偏差在允差范圍之內(nèi)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整各支承點(diǎn)的彈簧剛度和壓縮量使車輛各輪（軸）重最大偏差達(dá)到規(guī)定的技術(shù)要求。如果重心偏差超出允差范圍，將無(wú)法通過(guò)調(diào)簧來(lái)使輪（軸）重分配達(dá)到合格[4]。給定需要的機(jī)車結(jié)構(gòu)參數(shù)及彈簧綜合剛度等系數(shù)，通過(guò)檢測(cè)各輪輪重并根據(jù)胡克定律轉(zhuǎn)化成一系支反力，即可以通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，最終得到各一系支承點(diǎn)的加墊量。

圖1 4軸車輛在XOY平面上的受力簡(jiǎn)圖

2 系統(tǒng)組成

機(jī)車車輛整車智能稱重調(diào)簧試驗(yàn)臺(tái) （以下簡(jiǎn)稱稱重試驗(yàn)臺(tái)）主要由機(jī)械系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和檢定裝置四大部分組成[5]。

2.1 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)是試驗(yàn)臺(tái)的主體，主要包括移動(dòng)稱臺(tái)、稱臺(tái)調(diào)整基礎(chǔ)和行車圓弧軌組成。見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

移動(dòng)稱臺(tái)（見(jiàn)圖3所示）的稱重舉升裝置采用電伺服—螺旋升降結(jié)構(gòu)，主要包括直線滑塊、稱臺(tái)底座、稱臺(tái)臺(tái)體、舉升軸、舉升伺服電機(jī)、舉升減速器、聯(lián)軸器、螺旋升降機(jī)、行走電機(jī)、行走減速器、行走齒輪、承壓座、限位塊、鋼軌面承壓塊、壓力傳感器、磁柵等，以4軸車為例，移動(dòng)稱臺(tái)數(shù)量為8個(gè)。舉升驅(qū)動(dòng)采用伺服電機(jī)；位移（加墊量）的測(cè)量采用英國(guó)雷尼紹封閉式磁柵，量程250mm，最小分辨率1微米；稱重測(cè)量采用霍丁格.包爾文公司的C3級(jí)高精度系列壓力傳感器，量程15t。

圖3 移動(dòng)稱臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2.2 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)采用PLC模塊系統(tǒng)和BUS總線結(jié)構(gòu)，使整個(gè)系統(tǒng)具有更高的測(cè)量精度、穩(wěn)定性和可靠性。電氣控制系統(tǒng)包括滑臺(tái)調(diào)整控制、稱重舉升控制和相關(guān)操作控制，其硬件部分包括PLC系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)模塊、485通信模塊，控制臺(tái)，液晶操作屏，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，電氣柜等。主控制臺(tái)上安裝PLC系統(tǒng)主站，同時(shí)配置工控機(jī)系統(tǒng)、液晶操作屏、操作按鈕等。而在每個(gè)稱臺(tái)調(diào)整機(jī)構(gòu)上設(shè)有PLC子站；PLC主站與子站通過(guò)485BUS總線連結(jié)成網(wǎng)。工控機(jī)系統(tǒng)與PLC主站通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，控制稱臺(tái)的各種動(dòng)作、收集稱臺(tái)的各種數(shù)據(jù)，另外進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理、保存打印等。電氣柜為各電機(jī)和控制系統(tǒng)提供電源。電氣控制系統(tǒng)的組成如圖4所示。

圖4 電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成原理

2.3 測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)分成以下部分：車體重量測(cè)量、加墊量測(cè)量、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)。

2.3.1 稱重測(cè)量系統(tǒng)

稱重測(cè)量是采用HBM公司C3級(jí)高精度稱重傳感器，精度不低于0.03%F.S，重復(fù)性<0.03%F.S）。

2.3.2 加墊量測(cè)量系統(tǒng)

加墊量的測(cè)量通過(guò)磁柵位移傳感器測(cè)量。位移量采用雷尼紹高精度磁柵。其測(cè)量過(guò)程如圖5和圖6所示。

2.3.3 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、PLC采集系統(tǒng)、工控機(jī)存儲(chǔ)分析系統(tǒng)構(gòu)成，通過(guò)PLC完成傳感器信號(hào)的采集，通過(guò)工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析。利用分析軟件確定車體的各分量重量、總重量、加墊量和重心位置等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信采用有線傳輸系統(tǒng)，通過(guò)485數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)焦I(yè)控制計(jì)算機(jī)。

圖5 稱重測(cè)量示意圖

圖6 加墊量測(cè)量示意圖

2.3.4 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)的主要功能：①實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)簧分析算法；②硬件接口控制與調(diào)用；③控制數(shù)據(jù)采集，得到各個(gè)被測(cè)物理量；④控制伺服電機(jī)工作；⑤構(gòu)建簡(jiǎn)單的故障診斷系統(tǒng)；⑥提供友好的人機(jī)界面。

軟件界面包括的輸入和輸出部分：①軟件界面輸入部分；②試驗(yàn)類型：車體稱重試驗(yàn)；③車體類型類型：四旁承車型、八旁承車型；④軟件界面輸出部分；⑤顯示四種結(jié)果：簧重、簧組重、總重和加墊量；⑥保存重量數(shù)據(jù)，加墊量數(shù)據(jù)；⑦打印重量數(shù)據(jù)，加墊量數(shù)據(jù)；⑧簡(jiǎn)單故障顯示窗口。

軟件系統(tǒng)的主界面如圖7所示。采用自動(dòng)調(diào)簧的系統(tǒng)，在完成稱重后，軟件系統(tǒng)自動(dòng)判斷稱重結(jié)果是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如果滿足要求則自動(dòng)打印報(bào)表；如果不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，系統(tǒng)根據(jù)稱重結(jié)果計(jì)算出各輪的調(diào)簧量和加墊量，然后再轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的等效車輪抬升量。系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算得到的車輪抬升量，向下位機(jī)發(fā)送指令，各個(gè)稱臺(tái)進(jìn)行模擬調(diào)簧，然后讀取調(diào)簧后的稱重結(jié)構(gòu)，再次跟標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行比較驗(yàn)證，判斷是否滿足要求，如此循環(huán)。對(duì)于一種車體狀態(tài)，可行的調(diào)簧/加墊方式有多種，系統(tǒng)會(huì)再次進(jìn)行最優(yōu)運(yùn)算，找出調(diào)簧/加墊點(diǎn)數(shù)最少，調(diào)簧/加墊量最少，最快捷的一種方式作為實(shí)際調(diào)簧參考值輸出。

自動(dòng)化、智能化和最優(yōu)化的調(diào)簧過(guò)程，見(jiàn)圖8。

圖7 軟件界面

圖8 自動(dòng)調(diào)簧算法流程圖

2.4 標(biāo)定機(jī)構(gòu)

標(biāo)定機(jī)構(gòu)是在稱臺(tái)安裝完成后進(jìn)行標(biāo)定，消除皮重；或者在使用過(guò)程中用于稱臺(tái)進(jìn)行修正標(biāo)定。采用基準(zhǔn)壓力傳感器和稱臺(tái)傳感器對(duì)壓的方式進(jìn)行稱臺(tái)標(biāo)定，如圖9所示。標(biāo)定架安裝在稱臺(tái)導(dǎo)向殼體上，基準(zhǔn)壓力傳感器通過(guò)套筒安裝在標(biāo)定架上，在基準(zhǔn)傳感器的下端部裝有一個(gè)碟簧，標(biāo)定時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋升降螺桿舉升，使基準(zhǔn)傳感器和稱臺(tái)傳感器對(duì)壓，在彈簧壓縮過(guò)程中，分別讀取基準(zhǔn)傳感器和稱臺(tái)傳感器的讀數(shù)，然后標(biāo)定系統(tǒng)以基準(zhǔn)傳感器為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱臺(tái)傳感器進(jìn)行零點(diǎn)和線性度的標(biāo)定。

圖9 標(biāo)定原理圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)某車輛公司4軸地鐵車輛整車進(jìn)行稱重/調(diào)簧試驗(yàn)。見(jiàn)圖10。

圖10 稱重/調(diào)簧試驗(yàn)

從表中可以看出：根據(jù)智能調(diào)簧結(jié)果，該試驗(yàn)車由原來(lái) 1（輪 1、2）、2（輪 3、4）位軸重偏差不合格（大于2%）及3、8位輪重偏差不合格（大于4%），調(diào)整到了輪/軸重分配均達(dá)到技術(shù)規(guī)定要求并且輪重偏差較微小的良好分配狀態(tài)。由此看出，本智能試驗(yàn)臺(tái)行之有效。

表1 某車輛公司4軸地鐵車輛整車進(jìn)行稱重/調(diào)簧試驗(yàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一套智能機(jī)車車輛整車稱重試驗(yàn)臺(tái)，介紹了其稱重調(diào)簧原理、結(jié)構(gòu)組成。并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)設(shè)備稱重和模擬加墊后，車輛參數(shù)達(dá)到了性能要求。驗(yàn)證結(jié)果表明，設(shè)備性能優(yōu)良，結(jié)果行之有效。