基于轨道扭曲状态下的车辆轮重检测试验平台

基于轨道扭曲状态下的
车辆轮重检测试验平台
吴春鹏
（哈尔滨铁路科研所科技有限公司，黑龙江哈尔滨150006）
摘要：对轨道交通车辆轮重检测的必要性、目的和意义进行分析，提出一种能够自动实现模拟轨道扭曲的车辆轮重检测试验平台总体设计方案，包括功能设计、关键技术、各子系统设计等，最后提出测试方法和调整方案，并对未来发展和需要完善的技术路线提出建议。

关键词：轨道车辆；轮重检测；试验平台；轮重减载率；轨道扭曲
中图分类号：U279文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）04-0130-06 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.04.130
1概述
1.1轮重检测必要性
随着城市化进程不断加快，铁路及城市轨道交通越来越重要，对车辆运行安全性要求也越来越高［1］。

车辆在组装过程中，整车落车后轮重、轴重的分配均匀性问题一直是车辆生产、检修中的棘手问题，整车组装后都会出现轮重差或轴重差［2］不合格等问题，静载时的轮重、轴重偏差过大会影响轨道车辆的牵引性能和制动性能，主要体现在以下方面：
（1）运营后的列车结构尺寸变化，一、二系弹簧橡胶件蠕变导致轮对载荷分布变化；
（2）走行部件经过检修后的车辆载荷分布变化；
（3）运营后的高度调整阀性能变化导致左右侧空气弹簧充气高度不一致，产生轮对载荷变化；
（4）抗侧滚扭杆长期受力导致力学性能变化。

这些变化大多可通过水平状态下测量轮重、轴重的数值检测出来，但当车辆悬挂系统对轨道扭曲和缺陷的适应性很差时，还会出现轮重减载率明显增大的情况。

因此，在车辆动力学研究方面，脱轨系数和轮重减载率［3-4］是公认的考察车辆安全性和动力学性能的重要指标。

通过模拟轨道扭曲测量不同状态下的轮重，计算和分析轮重减载率，作为一项基础必备的测试指标列入国家标准规范，在日本和欧洲都已规定了静态轮重减载率的测试指标。

目前在香港地铁和北京地铁4、14、16号线以及新线建设中，已将静态轮重减载率作为一项必要的检修项目。

作者简介：吴春鹏（1973—），男，高级工程师。

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基于轨道扭曲状态下的车辆轮重检测试验平台吴春鹏
1.2轮重检测的目的和意义
我国铁路大面积提速及实施重载战略对车辆运行
安全要求越来越高，由于车辆结构、线路条件等时刻在变化，从现场实际应用角度考虑，在车辆使用部门配置能够自动模拟各种轨道条件来测试静态轮重减载率的装备，以提前预防列车脱轨非常有意义。

该装备主要用于车辆维修完毕后或新车投入运行前的质量控制，可消除行车安全隐患，预防脱轨；提高牵引黏着力和制动性能；减少车轮偏磨及降低车轮偏磨导致的钢轨磨损；提高车辆检修质量和检修标准。

2平台主要功能和组成
车辆轮重检测试验平台（见图1）能够对单节车辆
进行静态检测，通过自动提升2个转向架区段的承载轨道实现模拟不同轨道扭曲，并对各种扭曲条件下的车轮负载进行自动测量，并计算轮重减载率，从而判定车辆是否存在脱轨风险。

同时在水平轨道状况下测量车辆轮重、轴重［5］、转向架质量、整车质量及轮重差、轴重差等，为车辆均衡调整弹簧承重提供有效依据，确保车辆运行安全。

2.1主要功能
车辆轮重检测试验平台采用计算机控制技术、振
弦传感器技术、螺旋传动等技术，模拟轨道各种扭曲变形，在不同状况下自动测量分析，通过测量轮对与轨面接触应力的方法反馈受力情况。

车辆轮重检测试验平台主要具有如下功能：
（1）在水平状况下测量并计算车辆轮重、轴重、转向架质量、整车质量、侧边轮重及轮重平均值、轮重差、轴重差、单侧轮重差均值等。

（2）采用螺旋传动技术对4段独立转向架轨道进行
升降，自动模拟实现不同状况的轨道扭曲，同时在模拟轨道各种扭曲变形情况下对轮重和提升高度进行测量，对轮重减载率d Q /Q 进行计算、分析。

（3）车辆均衡性试验功能［6］：抬升转向架的1个车轮，使其高出轨面固定数值（如某车型指标为63.5mm ），转向架的其他车轮不能脱离轨面；或抬升转向架的1个车轮，使其高出轨面固定数值，其他任何车轮减载率
不得超过限定值（60%）［2-3］。

（4）数据统计和管理功能：包括车辆型号、悬挂系统状态、车轮负载参数导入及测试结果记录、存储和导出功能。

（5）安全防护功能：设置轮挡装置，防止在轨道扭曲状态时车辆溜车；提升系统手动复位功能。

（6）校准和标定功能。

2.2组成
车辆轮重检测试验平台主要由测量平台、电气控
制系统、软件系统、校准装置、信号和安全保护装置等组成。

4个测量平台中（见图2），测量平台1、2和测量平台3、4分别承载单节车辆的1个转向架，每个测量平台上安装有负载传感器、提升机构及高度测量传感器等。

2.2.1测量平台
测量平台是由支撑机构、升降机构、测量轨道等组成的框架结构。

升降动作由减速电机驱动螺旋升降机完成，测量平台结构示意见图3。

每个测量平台包括2段测量轨道、2个螺旋升降机和2个减速电机。

（1）测量轨道（测量单元）。

每段测量轨道组成
1个测量单元，包含2个负载传感器，负载传感器采用全数字化、振弦式的称重传感器。

（2）轮挡装置（防溜车装置，见图4）。

系统在测量平台2、
4上各设置1套轮挡装置，主要用于防止模
图1车辆轮重检测试验平台应用现场
图2车辆轮重检测试验平台总体布置
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拟轨道扭曲时可能产生的溜车现象。

轮挡装置包括电动推杆、位置检测装置及限位装置。

（3）位置控制和位置保护传感器。

测量平台在指定位置安装有不同型号传感器，包括升降控制和测量传感器、提升电机限位保护传感器、轮对定位电机保护传感器及轮对位置检测传感器，分别用于升降机构运动范围控制和保护、升降机构高度测量、轮挡装置位置检测、被测车辆就位精度检测等。

2.2.2电气控制系统
电气控制系统包括计算机控制单元、可编程控制单元、数据采集单元、信号和安全保护装置等。

系统控制原理见图5。

2.2.3软件系统
软件系统包括计算机监控管理系统和PLC 控制系统，2个系统通过工业以太网进行数据交换。

计算机监控管理系统上安装有上位控制软件、数据库管理软件和办公软件。

用户通过可视化界面实现设备操作控制、手动调试、测量过程监控、检测报表生成、数据
输入与修改、数据查询、数据统计与分析、数据通信、数据存储与备份、报表及输出打印、系统标定等功能。

PLC 控制程序实现系统自检、数据采集、数据计算
分析、设备运行状态检测、信号控制、数据通信、系统声音报警等功能。

软件系统功能示意见图6。

2.2.4校准装置
车辆轮重检测试验平台主要是定期对负载传感器和高度测量进行标定，依据负载及高度测量校准结果调整轮重测量系统的测试差值。

标定装置见图7。

2.3主要技术参数
车辆轮重检测试验平台主要技术参数见表1。

图4
防溜车装置
图3
测量平台结构示意图
图6
软件系统功能示意图
图5
电气控制系统控制原理
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3
测试方法及结果分析
3.1
测试工艺流程
（1）水平状态称重：同一车轴2个车轮轮重值之和
的平均值作为轮重基准值。

（2）轮重减载率测试：①试验A ：所有空气弹簧均处于充气状态；②试验B ：1个空气弹簧放气（分别放气测试）；③试验C ：所有空气弹簧均放气。

3.2轮重减载率试验方法
根据DIN EN 14363—2005《轨道交通铁路车辆运
行特性的验收试验运行性能试验和稳态试验》［3］
模拟
轨道扭曲包括2个方面：以轮对距离为基础的转向架扭曲度试验和以转向架中心距为基础的车体扭曲试验。

转向架扭曲度计算如下：
g +lim =7--5
2a +
，（1）式中：2a +为转向架轮对距离，m ，取值为2a +<4m ；
g +
lim
以‰数表示。

车体扭曲度计算如下：
g
*
lim
=2+152a
*
，
（2）
式中：2a *为转向架中心距，m ，取值为4m<2a *≤20m ；
g *
lim
以‰数表示。

将转向架扭曲度与车体扭曲度进行叠加计算得出每个轮对的提升高度（见图8）。

按流程依次抬升各车轮至检测高度，所得轮重值与轮重基准值的差除以轮重基准值，即得到各点的减载率（减载率≤60%即为合格［2］），表述如下：
d Q /Q =
||Q
i
-Q a
Q a
，
（3）
式中：Q i 为每个车轮在不同高度的负载值；Q a 为车轮负载在水平轨道时的同轴2个车轮轮重值的平均值。

按照上述计算方法，还可进行用户要求的任何轨道变形条件的测试。

3.3测试过程
（1）升降高度测试：在测试轮重减载率前，对平
台的升降高度进行测试。

通过水准仪对平台的测量结果进行验证。

（2）称重传感器测试和校准：采用标准力传感器对4个测量平台8个测量单元进行标定和校准。

（3）水平状态下的零位测试和称重测试：将被测车辆在称重台上往返碾压3次，同时进行零位测试和称重测试。

3.4
测试结果
3.4.1
空载测试和校准
采用电子水准仪、力传感器、砝码、内燃机车、
便携式油缸、卷尺等工具对平台进行空载升降高度测
试、称重传感器测试和校准及零位测试。

从各项测试结果来看，车辆轮重检测试验平台达到设计指标，符
图7标定装置
表1车辆轮重检测试验平台主要技术参数
序号1234567
技术参数
单个升降机构举升能力/kN 车辆提升最大高度/mm 车辆称重范围[7]/t
模拟轨道最大垂直位置误差/mm 垂直位置最大测量误差/mm
测量单元称重误差/%
[8]
轮重测量可重复精度/%
测量段Ⅰ：1～3t
测量段Ⅱ：3～15t
数值20016015×8±0.5±0.2±1.0（测量上限）±0.5
（该点标称值）
±1.0
图8轨道扭曲（提升）的计算方法示意图
［9］
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合JJG 117—2015《静态机车车辆称重台检定规程》的要求。

3.4.2实车测试试验
测试车辆参数：车辆类型为A 型地铁列车；车辆自质量，Tc 车约30t ，M 车约38t ；转向架中心距15700mm ；转向架固定轴距2500mm 。

部分测试结果示例见图9、图10。

按照城市轨道交通车辆组装后检查与试验规则的规定，轮重差和轴重差的控制指标分别为4%和2%［2］，由图9可以看出，第4根车轴的轮重差超过控制指标，需要进行调整。

按照轮重减载率的控制指标为0.6的要求，由图10可以看出，该车辆在4种工况下均符合轮重减载率的测试要求。

3.5轮重测量超标后的调整方法
（1）水平状态下轮重差、轴重差超标：空气弹簧
未充气状态下，调整一系簧加垫，必要时调整二系簧加垫；空气弹簧充气状态下，调整高度阀连接杆。

（2）轮重减载率超标：检查一系簧、二系簧性
能，必要时进行更换；检查车体结构应力（车体
称重）。

图9
水平状态下车辆称重结果示例
图10轮重减载率测量结果示例
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4结束语
随着铁道车辆运营里程的不断增多，车辆综合轮重检测技术得到越来越多用户的认可，并陆续纳入车辆检修规程。

从近年研究和应用实践来看，车辆轮重检测试验平台能够检测不同条件下轮重指标超标的情况，进而查找出转向架悬挂系统的调整缺陷或部件故障，给出报警和提示，进一步提高车辆检修质量、检修效率，保障车辆运行的安全性。

但针对超标后车辆调整方面仍存在较多不足和需要完善之处，主要包括以下方面：
（1）悬挂系统调整方法还缺少一个完整、系统的解决方案，由于部分车辆结构的限制，发现测试结果超标时，现场调整还主要依赖经验，没有系统的方法指导；
（2）对于某些超标的车辆而言，由于缺少车体结构形变的因素分析，仅调整悬挂系统不能达到检修后车辆的技术标准。

因此，未来需要利用大数据分析、机器学习等技术，对不同车型、不同悬挂条件的各种超标情况进行分析、模拟悬挂系统进行参数调整，从而给出详细的调整方案［10］。

而对于车体结构形变导致的轮重检测超标，建议增加车体称重检测及车体形变调整功能，与车辆的轮重测量结果一起统计、分析，最终实现车辆检修后的全方位检测、调整功能。

参考文献
［1］贾亚民，聂磊，王海星，等.中国铁路运营安全管
理体系（CRSMS）架构研究［J］.中国铁路，2020（1）：43-47.
［2］建设部标准定额研究所.城市轨道交通车辆组装后的检查与试验规则：GB/T14894—2005［S］.北
京：中国质检出版社，2005.
［3］DE-DIN.轨道交通铁路车辆运行特性的验收试验运行性能试验和稳态试验：DIN EN14363—2005［S］.布鲁塞尔，2005.
［4］国家铁路局.机车车辆动力学性能评定和试验鉴定规范：GB/T5599—2019［S］.北京：中国标准出
版社，2019.
［5］铁道部标准计量研究所.铁道机车车辆重量测定方法：TB/T1740—1997［S］.北京：铁道部标准计
量研究所，1997.
［6］高纯友.关于城轨车辆均衡试验的探讨［J］.铁道车辆，2005（8）：18-21.
［7］铁道部标准计量研究所.铁道机车车辆称重台技术条件：TB/T2782—1997［S］.北京：铁道部标准
计量研究所，1997.
［8］铁路计量技术委员会铁路专用力学分技术委员会.
静态机车车辆称重台检定规程：JJG117—2015［S］.
青岛：青岛四方机车车辆股份有限公司，2015.
［9］齐斌，杨海通.城轨车辆轮重减载试验探讨［J］.电力机车与城轨车辆，2009（3）：37-39.
［10］罗宏波，胡和平.转向架称重调簧装置及其应用［J］.电力机车技术，2010（4）：39-41.
责任编辑高红义
收稿日期2020-03-21
WU Chunpeng
(Harbin Railway Science Research Institute Technology Co Ltd,Harbin Heilongjiang150006,China) Abstract:This paper analyzes the necessity,purpose and significance of wheel load detection for rail transit vehicles,and proposes an overall design scheme for the detection&testing platform for wheel load which can automatically simulate track twist.The scheme promises functional design,key technologies and subsystem design,etc.Finally,it puts forward the test methods and adjustment schemes,as well as suggestions for future development and technical routes that need to be improved.
Keywords:rail vehicles;wheel load detection;test platform;rate of wheel load reduction;track twist。