裴煜鵬，宋月超，許光輝

（1. 廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院，廣州 510663；2. 廣東生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院，廣州 510520）

1 前言

地鐵正日益成為我國(guó)城市主要的公共交通工具，地鐵交通的發(fā)展在我國(guó)經(jīng)濟(jì)中起到了舉足輕重的作用。隨著列車(chē)速度和軸重的不斷增加，列車(chē)行駛安全越來(lái)越受到重視。軌道扣件是用以聯(lián)結(jié)鋼軌和軌枕（或其他類(lèi)型軌下基礎(chǔ)）的零件，主要作用是將鋼軌固定在軌道上，為列車(chē)車(chē)輪提供平整穩(wěn)固的行車(chē)條件?？奂到y(tǒng)的扣壓力對(duì)軌道彈性和幾何尺寸起著重要作用，直接影響著高速列車(chē)運(yùn)行的安全性和舒適性[1]。最常用的為彈條式扣件，包括螺紋道釘、螺母、平墊圈、彈條、軌距擋板、擋板座和橡膠墊板等零件。其中，彈條是實(shí)現(xiàn)扣件系統(tǒng)功能的重要組成部分。若彈條的扣壓力太小，無(wú)法保證鋼軌在軌枕上的穩(wěn)定，則會(huì)極大危及列車(chē)行車(chē)安全；若扣壓力過(guò)大，彈條結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的殘余變形，長(zhǎng)時(shí)間服役會(huì)導(dǎo)致彈條應(yīng)力松弛現(xiàn)象，使得軌道結(jié)構(gòu)承受較大的沖擊荷載，極大加重車(chē)軌關(guān)鍵部件的疲勞斷裂問(wèn)題[2]。因此彈條扣壓力必須保持在合理區(qū)間范圍內(nèi)，并具有良好的一致性。

現(xiàn)階段扣壓力測(cè)試方法主要分為實(shí)驗(yàn)室條件下檢測(cè)和工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)兩種。其中實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)是針對(duì)扣件的整體檢測(cè)，對(duì)于扣件自身的檢測(cè)比較準(zhǔn)確，但只停留在理想環(huán)境下，不能反映扣件在實(shí)際工作中的狀態(tài)[1]。由于地鐵工務(wù)人員的工作環(huán)境艱苦，工作時(shí)間主要在列車(chē)停止運(yùn)行的天窗期間，提高工務(wù)人員工作效率和降低勞動(dòng)強(qiáng)度勢(shì)在必行，因此開(kāi)發(fā)一套能夠在工程現(xiàn)場(chǎng)使用，在線檢測(cè)扣件彈條扣壓力的測(cè)試裝置，具有更重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文中彈條扣壓力檢測(cè)裝置主要目的就是針對(duì)軌道交通檢修工務(wù)人員在線的快速檢測(cè)。

目前國(guó)內(nèi)主要有兩種型式的扣壓力測(cè)試裝置：一類(lèi)是液壓傳動(dòng)式，另一類(lèi)是機(jī)械杠桿傳動(dòng)式[3]。STCK-Ⅲ型扣件扣壓力測(cè)試裝置屬于液壓傳動(dòng)式，主要由夾持部分、加載傳動(dòng)系統(tǒng)、力值測(cè)量系統(tǒng)三部分組成，如圖1 所示。其測(cè)試原理是通過(guò)傳動(dòng)裝置加載使四連桿夾具自動(dòng)夾緊，并由拉力傳感器將力值信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換和運(yùn)算處理后由數(shù)字式儀表進(jìn)行顯示。[4]該套測(cè)試裝置可實(shí)現(xiàn)扣壓力的工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，專(zhuān)用夾具作用于Ⅲ型扣件，可以直接檢測(cè)出扣壓力。但該測(cè)試裝置沒(méi)有定位功能，在檢測(cè)時(shí)可能發(fā)生力的偏轉(zhuǎn)，使得測(cè)力傳感器與彈條不能處于鉛錘線上，以致影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 液壓傳動(dòng)式測(cè)量裝置

杠桿傳動(dòng)式彈條扣壓力測(cè)試裝置是一種機(jī)械式測(cè)量裝置（如圖2 所示），由夾緊裝置1、傳動(dòng)桿2、電子測(cè)力器3（含數(shù)字顯示屏5）、杠桿4、鉸接式平行四邊形6 和絲桿7 構(gòu)成。傳動(dòng)桿鉸接在夾緊裝置與杠桿之間，電子測(cè)力器設(shè)置在傳動(dòng)桿中，平行四邊形的一角鉸接在杠桿的一端，絲桿的螺紋端與平行四邊形的一角螺紋連接，另一端與四邊形的螺紋連接角的對(duì)角鉸接。利用絲桿驅(qū)動(dòng)鉸接式平行四邊形，帶動(dòng)傳動(dòng)桿使彈性扣件8 抬起至要求的測(cè)量高度，所測(cè)得的扣壓力由電子測(cè)力器示出。[5]該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便易控，但平行四邊形裝置不穩(wěn)定，且鉸鏈無(wú)法承受較大的作用力。

圖2 杠桿式傳動(dòng)式測(cè)量裝置

南昌大學(xué)的高玉和、朱洪濤等針對(duì)鋼軌扣件扣壓力測(cè)試裝置進(jìn)行了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，其主要是在機(jī)械式測(cè)試原理的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了夾具結(jié)構(gòu)，對(duì)定位裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行加載。[3,6]余喆琦等還探討了激光測(cè)量在高速鐵路扣件扣壓力檢測(cè)的適用性，彌補(bǔ)人工檢測(cè)的精度低、效率低的不足。[1]南昌大學(xué)的研究者雖然對(duì)測(cè)試裝置進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，但未見(jiàn)其在工程中的實(shí)際使用情況。

綜合分析前人研究成果，現(xiàn)有的扣件彈條扣壓力在線測(cè)試裝置仍存在如下問(wèn)題：

（1）現(xiàn)有檢測(cè)裝置多采用間接測(cè)試法，測(cè)試過(guò)程復(fù)雜，精度較低；

（2）現(xiàn)有測(cè)試裝置夾具容易發(fā)生損壞；

（3）現(xiàn)有夾具種類(lèi)較少，不能滿足多種類(lèi)型檢測(cè)裝置要求；

（4）扣壓力檢測(cè)過(guò)程中，最大扣壓力形成位置判斷條件不容易獲得，測(cè)試精度較低；

（5）加載系統(tǒng)穩(wěn)定性欠佳，且加載速度不均勻，不能在最大力時(shí)保持加載，測(cè)試重復(fù)性較差。

為了解決上述問(wèn)題，本文將研發(fā)一套扣件彈條扣壓力在線測(cè)試裝置，該測(cè)試裝置將通過(guò)傳感器直接測(cè)試扣件彈條的扣壓力，減少力轉(zhuǎn)移過(guò)程中的測(cè)量誤差，確保測(cè)試精度要求。并根據(jù)現(xiàn)有彈條類(lèi)型及其檢測(cè)、應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)典型的夾具，滿足更廣泛的應(yīng)用。還將設(shè)計(jì)螺旋絲桿加載系統(tǒng)，在滿足較大加載壓力同時(shí)保證穩(wěn)定加載的要求。

2 扣壓力測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 研究步驟

本文采用仿真設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，針對(duì)扣件彈條扣壓力在線測(cè)試裝置存在的問(wèn)題，在拉升組件、夾具組件、測(cè)力裝置、檢測(cè)方法及彈條扣壓力影響因素等幾方面展開(kāi)，既解決現(xiàn)有測(cè)試裝置精度較低、讀數(shù)精度不高等問(wèn)題，又兼顧彈條扣壓力影響因素的研究，充分利用較高精度測(cè)試數(shù)據(jù)為彈條設(shè)計(jì)、使用機(jī)構(gòu)提供支撐。具體研究步驟如圖3 所示。

圖3 研究步驟示意圖

2.2 測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

彈條扣壓力測(cè)試裝置主要由固定支架、驅(qū)動(dòng)裝置、絲桿、測(cè)力傳感器、加力鉗等部件組成。整套設(shè)備示意圖如圖4 所示。

圖4 彈條扣壓力測(cè)試裝置示意圖

圖中：固定支架10、驅(qū)動(dòng)裝置20、絲桿30、測(cè)力傳感器40、加力鉗50。

（1）絲桿與固定支架豎直滑動(dòng)連接，絲桿的下端通過(guò)測(cè)力傳感器與加力鉗連接，驅(qū)動(dòng)裝置與絲桿驅(qū)動(dòng)連接。

（2）加力鉗包括提拉桿、第一鉗臂和第二鉗臂。第一鉗臂、第二鉗臂的上端與提拉桿的下端鉸接，提拉桿的上端與測(cè)力傳感器連接。鉗臂采用鉸接式雙S 型夾具，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。

（3）固定支架包括第一支撐臂11、第二支撐臂12 和支撐橫梁13。

支撐橫梁的一端與第一支撐臂固定連接，支撐橫梁的另一端與第二支撐臂滑動(dòng)連接，絲桿與支撐橫梁的中部豎直滑動(dòng)連接。

第一支撐臂包括固定鋼柱和支撐底板。固定鋼柱的下端與支撐底板的頂板面連接，固定鋼柱的上端與支撐橫梁的一端連接。

第二支撐臂包括螺桿、調(diào)節(jié)螺母和定位U 槽。支撐橫梁的另一端設(shè)有第一通孔，螺桿的下端與定位U 槽連接，定位U 槽的凹口朝下，螺桿的上端穿過(guò)第一通孔與調(diào)節(jié)螺母相匹配連接。

該設(shè)計(jì)一方面用支撐底板支承固定鋼柱以增加第一支撐臂下端的支撐面積，另一方面用定位U槽的凹口與鐵路鋼軌的頂面相配合支撐連接以保持第二支撐臂的穩(wěn)固。使用時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)螺桿的高度，將測(cè)力傳感器、加力鉗與被測(cè)彈條置于一條鉛錘線上，從而使驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)提升絲桿時(shí)，支撐更為穩(wěn)定，受力更為均勻，測(cè)量結(jié)果更為準(zhǔn)確。

（4）驅(qū)動(dòng)裝置包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)21 和加力機(jī)構(gòu)22。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)桿、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和傳動(dòng)帶。支撐橫梁靠近第一支撐臂一端設(shè)有第二通孔，支撐橫梁的中部設(shè)有第三通孔，加力機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)桿的下端驅(qū)動(dòng)連接，旋轉(zhuǎn)桿的上端穿過(guò)第二通孔與主動(dòng)輪連接。從動(dòng)輪具有第一螺孔，絲桿的下端與測(cè)力傳感器連接，絲桿的上端穿過(guò)第三通孔與第一螺孔相匹配連接，傳動(dòng)帶的兩端纏繞在主動(dòng)輪、傳動(dòng)輪上。

加力機(jī)構(gòu)包括加力手柄、箱體、第一轉(zhuǎn)向齒輪和第二轉(zhuǎn)向齒輪。箱體的側(cè)面上設(shè)有第四通孔，箱體的頂部上設(shè)有第五通孔，加力手柄穿過(guò)第四通孔與第一轉(zhuǎn)向齒輪連接，旋轉(zhuǎn)桿的下端穿過(guò)第五通孔與第二轉(zhuǎn)向齒輪連接，第一轉(zhuǎn)向齒輪與第二轉(zhuǎn)向齒輪齒合連接。

驅(qū)動(dòng)裝置的加力機(jī)構(gòu)采用手柄、軸承、齒輪等，確保加載的順暢省力、過(guò)程穩(wěn)定、速度可控、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則通過(guò)旋轉(zhuǎn)桿、動(dòng)輪、傳動(dòng)帶等，保證了絲桿沿豎直方向滑動(dòng)，使提升力方向與彈條受力方向在一條直線上。兩者聯(lián)動(dòng)，通過(guò)直接測(cè)試提升拉力來(lái)獲得彈條扣壓力，從而提高測(cè)試精度。

2.3 測(cè)試裝置的使用方法

本彈條扣壓力測(cè)試裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)彈條扣壓力的現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)，可以直接檢測(cè)出彈條的扣壓力，并且方便攜帶。使用時(shí)，先安裝固定支架10，將固定支架10 支撐在軌道基礎(chǔ)60 和鋼軌70 上，確保整個(gè)裝置穩(wěn)固；調(diào)節(jié)固定支架10 的支撐高度，使絲桿30 在固定支架10 上豎直滑動(dòng)，測(cè)力傳感器40、加力鉗50 與被測(cè)彈條80 處于一條鉛錘線上；將加力鉗50 緊緊夾住被測(cè)彈條80 的壓趾部分；然后用驅(qū)動(dòng)裝置20 驅(qū)動(dòng)提升絲桿30，從而提升測(cè)力傳感器40 和加力鉗50；當(dāng)加力鉗50 夾持住被測(cè)彈條80 向上抬升時(shí)，直至彈條80 壓趾部分與鋼軌70 出現(xiàn)縫隙（剛好能插入0.1mm 的塞尺），穩(wěn)定住驅(qū)動(dòng)裝置20；讀取測(cè)力傳感器40 的讀數(shù)值，該讀數(shù)值即為彈條80 扣壓力值。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在軌道線路上選取被測(cè)彈條，采用彈條扣壓力在線測(cè)試裝置對(duì)Ⅲ型彈條和PR 型彈條進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1 所示：

表1 彈條扣壓力測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果分析，Ⅲ型彈條和PR 型彈條扣壓力均處于合理區(qū)間范圍之內(nèi)，且測(cè)試結(jié)果具有良好的一致性。

4 結(jié)論

本文研究開(kāi)發(fā)了一種彈條扣壓力在線測(cè)試裝置，并確定了扣壓力測(cè)試方法。該裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)彈條扣壓力的現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)，可以直接檢測(cè)出彈條的扣壓力，并且方便攜帶。測(cè)試準(zhǔn)確度能夠滿足工程需要，測(cè)試結(jié)果具有良好的一致性。