姬常杰 JI Chang-jie

（中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司，昆明 650215）

0 引言

搗固車是大型養(yǎng)路機(jī)械的主力車型，主要用于鐵路線路的新線建設(shè)、舊線大修和線路維護(hù)作業(yè)。通過(guò)搗固車上的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)線路實(shí)際的矢距、超高和縱平進(jìn)行檢測(cè)，并經(jīng)過(guò)車載計(jì)算機(jī)運(yùn)算對(duì)比后，指導(dǎo)搗固車抄平、起撥道搗固作業(yè)。因此，測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)精度將對(duì)作業(yè)質(zhì)量產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。

1 作業(yè)質(zhì)量因素分析

影響搗固車作業(yè)精度的因素主要有三個(gè)方面：①線路狀態(tài)，包括：道床板結(jié)、翻漿冒泥、線路缺砟、區(qū)間道口板護(hù)軌未拆除、扣件松動(dòng)等；②機(jī)械設(shè)備，包括：電氣傳感器偏差、調(diào)試偏差、弦線張緊力偏差及維保不到位產(chǎn)生的偏差；③算法系統(tǒng)偏差和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏差。本文將針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏差中的測(cè)量小車在轉(zhuǎn)向架上懸掛點(diǎn)位置導(dǎo)致的掛弦點(diǎn)矢距、超高和縱平的偏差產(chǎn)生原因及理論計(jì)算做進(jìn)一步說(shuō)明。而此項(xiàng)研究在目前資料中尚未有可見(jiàn)的成果。

2 懸掛點(diǎn)位置偏差原因分析

在絕大多數(shù)的搗固車中，測(cè)量小車一般通過(guò)關(guān)節(jié)軸承一端鉸接于轉(zhuǎn)向架上，而另一端則由兩個(gè)小車輪對(duì)來(lái)支撐，形成“三點(diǎn)平面”，如圖1 所示。鉸接于轉(zhuǎn)向架處的位置即為測(cè)量小車懸掛點(diǎn)，如圖2 所示。懸掛點(diǎn)位置不在轉(zhuǎn)向架中心銷中心位置正下方時(shí)，即圖示2 中圓圈所示的鉸接點(diǎn)，偏左或偏右時(shí)都會(huì)影響測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)精度。

圖2 測(cè)量小車懸掛轉(zhuǎn)向架形式示意圖

2.1 無(wú)偏差的理想設(shè)計(jì)

為清晰表達(dá)，對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，如圖3 所示。L、R 模擬為線路的左、右軌；fgih 模擬為轉(zhuǎn)向架及輪對(duì)，其中g(shù)i、fh 為轉(zhuǎn)向架的前、后輪軸，即Ⅰ、Ⅱ輪軸，g、f 為轉(zhuǎn)向架Ⅰ、Ⅱ軸的左輪，i、h 為轉(zhuǎn)向架Ⅰ、Ⅱ軸的右輪，O 為fi 與gh 的交點(diǎn)；o′mn 模擬為測(cè)量小車，o′為測(cè)量小車在轉(zhuǎn)向架上的懸掛鉸接點(diǎn)，mn 為測(cè)量小車輪軸線，m 為左測(cè)量輪，n 為右測(cè)量輪，p 為弦線實(shí)際固定點(diǎn)，其在mn 上。

圖3 理想條件下測(cè)量小車懸掛狀態(tài)

理想條件下，搗固車撥道弦線一端的固定點(diǎn)位置在mn 的中點(diǎn)p 處，車在直線上時(shí)，g、f、m 與L 重合，i、h、n 與R 重合，則p 點(diǎn)在軌道幾何中心線上，即，。此時(shí)，無(wú)論是否為0，都不影響撥道弦線固定點(diǎn)，繼而也不會(huì)影響到C 點(diǎn)測(cè)量小車的矢距值。

2.2 轉(zhuǎn)向架輪軌間隙導(dǎo)致的偏差

如圖4 所示，e 為轉(zhuǎn)向架輪對(duì)與鋼軌之間的總游隙，由于機(jī)車動(dòng)力學(xué)原因，轉(zhuǎn)向架輪對(duì)與鋼軌之間必然產(chǎn)生間隙。f、g 與L 不重合，i、h 與R 也不重合。在作業(yè)條件下，Ⅰ、Ⅱ軸輪對(duì)會(huì)向鋼軌一側(cè)接觸。由于測(cè)量小車鉸接于轉(zhuǎn)向架o′，將導(dǎo)致p 點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)，mn 也不與軌道幾何中心線垂直，如圖5 所示。

圖4 轉(zhuǎn)向架輪軌間隙示意

圖5 轉(zhuǎn)向架靠軌一側(cè)示意

2.3 測(cè)量小車輪軌間隙導(dǎo)致的偏差

如圖6 所示，k 為測(cè)量小車輪與鋼軌的設(shè)計(jì)間隙，其目的是使測(cè)量小車在軌道上有更好的通過(guò)性，其也會(huì)導(dǎo)致m 與L 不重合，n 與R不重合。搗固車作業(yè)時(shí)測(cè)量小車會(huì)向一側(cè)加載，假設(shè)L 為超高軌，則加載時(shí)m 與L 重合，p點(diǎn)也會(huì)發(fā)生移動(dòng)，如圖7 所示。

圖6 測(cè)量小車輪軌間隙示意

圖7 測(cè)量小車靠軌一側(cè)示意

3 弦線固定點(diǎn)偏差對(duì)精度的定量計(jì)算

3.1 偏差對(duì)矢距的影響

實(shí)際運(yùn)用中，2.2 與2.3 的偏差均會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，如圖8 所示。綜合兩者因素，重建幾何模型后，如圖9 所示，設(shè)α1為L(zhǎng) 與o′m 的夾角，α2為測(cè)量小車框架內(nèi)側(cè)夾角，α3為測(cè)量小車輪軸線mn 與軌道中心線垂線的夾角，β1為o′p 與軌道中心線的夾角，p′為弦線理論固定點(diǎn)，其在軌道幾何中心線上，β2為測(cè)量小車弦線實(shí)際固定點(diǎn)和理論固定點(diǎn)連線與軌道中心線的夾角，β3為pp′與mn 的夾角。由圖9 可得，

圖8 綜合因素對(duì)矢距的影響

圖9 綜合因素下理論解算圖

由式（1）-（6）得：

其中：G 為軌距值，取1435mm；

e 為轉(zhuǎn)向架輪對(duì)與鋼軌之間的總游隙，為設(shè)計(jì)值，單位mm；

b 為測(cè)量小車懸掛點(diǎn)與小車輪心距離，為設(shè)計(jì)值，單位mm；

k 為測(cè)量小車輪與鋼軌的設(shè)計(jì)間隙，為設(shè)計(jì)值，單位mm。

由式（7）-（10）得：

其中：α3為測(cè)量小車輪軸線mn 與軌道中心線垂線的夾角，為計(jì)算值。

3.2 偏差對(duì)超高的影響

假設(shè)搗固車進(jìn)入帶有坡度的直線上作業(yè)，由于α3的存在，電子擺將輸出一個(gè)錯(cuò)誤的超高信號(hào)值，并影響到抄平系統(tǒng)。如圖10 所示，θ 為線路的坡度角度，n 為測(cè)量小車輪與鋼軌的實(shí)際接觸位置與R 的重合點(diǎn)，n′為測(cè)量小車輪與鋼軌的理論接觸位置與R 的重合點(diǎn)，n′w 與水平面的法線平行，nn′w 構(gòu)成直角三角形。設(shè)，Hn即為輸出的超高偏差值。

圖10 綜合因素對(duì)超高的影響

由圖10 可知，

由式（14）-（15）得：

i 為線路坡度，為線路設(shè)計(jì)值，單位‰。

4 弦線固定點(diǎn)偏差對(duì)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義

一般情況下，e 值與轉(zhuǎn)向架止擋間隙、輪軌間隙、輪緣磨耗和軌距加寬有關(guān)；k 值設(shè)計(jì)時(shí)保留為5mm，但搗固車調(diào)試時(shí)，k 值將會(huì)被消除。由式（11）可知，b 適當(dāng)加大，α3可相對(duì)減小，有利于測(cè)量精度的提升。

以某搗固車為例，D、B 測(cè)量小車設(shè)計(jì)一致，b =1500mm，e =52mm，k =5mm，則=0.090mm=0.043mm，折算到C 測(cè)量小車矢距傳感器位置，對(duì)矢距影響為0.043mm，可忽略其影響；取i=30‰這一極限值，Hn=0.6277mm，就需考慮其對(duì)超高和縱平的影響。

5 結(jié)論

通過(guò)本文大型養(yǎng)路機(jī)械測(cè)量小車懸掛點(diǎn)位置偏差對(duì)測(cè)量精度的影響原理開(kāi)展的理論分析，可以得出以下結(jié)論：

①測(cè)量小車在轉(zhuǎn)向架上的懸掛鉸接位置會(huì)對(duì)測(cè)量小車弦線掛弦點(diǎn)實(shí)際位置產(chǎn)生影響；

②測(cè)量小車掛弦點(diǎn)位置發(fā)生偏移后會(huì)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的矢距值、超高值和縱平值產(chǎn)生影響；

③測(cè)量小車在轉(zhuǎn)向架上的懸掛鉸接位置與小車輪對(duì)中心距離，即設(shè)計(jì)值，距離值越大則越有利于測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)精度的提升。

對(duì)于新設(shè)計(jì)的搗固車，應(yīng)當(dāng)充分考慮線路設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合上述掛弦點(diǎn)影響理論分析，控制設(shè)計(jì)值，以更好地從精度方向指導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。