基于扣压力的ω 型弹条扣件作业机具校准测试台的研制

王留军

(郑州铁路局科研所，河南 郑州 450000)

0 引言

扣件系统作为铁路轨道结构中的关键部件，连接钢轨与轨枕并使之构成轨排，承受列车荷载，抵抗纵横向作用力，对保证轨道弹性和轨道几何尺寸起着重要作用，这就要求扣件的扣压力保持在一个合理的范围内且具有较好的一致性。因为如果扣压力太小，受垂向轮载作用，扣件扣压力将进一步减小，减小幅度过大时将无法保证钢轨在轨枕上的稳定，危及列车运行安全;而过大的扣压力造成弹条产生较大的残余变形，导致扣件松弛，或由于材质等原因造成弹条折断，同时过大的扣压力也会使轨下弹性垫层弹性降低，造成轨道垂向刚度的增加，从而使轨下基础承受较大的冲击，造成轨枕或其他轨下基础的伤损［1］［2］。对于高铁线路，过大的扣压力造成轨道结构中预埋的塑料螺旋套管失效，一旦失效，更换工作费时费力。在特殊区段，对扣压力又有特殊要求，如陡坡区段，扣压力要比一般区段大;而在铺设无缝线路的长大桥上的无砟道床，扣压力则要比一般区段小，应根据桥上无缝线路要求的线路纵向阻力，调整合理的扣压力值，保证在全桥一定范围内扣件螺栓扭矩一致，减小梁轨间的相互作用力［3］。

考虑到可操作性，扣压力的大小一般用换算为旋紧弹条扣件螺栓/螺母的扭矩值来控制，作业规范中除了指出每种扣件系统的扣压力值外，还推荐达到扣压力时的外观条件和紧固扭矩范围。如对于WJ-8 型扣件系统，以W1 弹条中部前端下颚与绝缘轨距块刚刚接触为准，此时旋紧扭矩约为160N·m，所用作业机具就必须采用各种扭矩扳手，扭矩扳手作为一类计量工具须定期校准以保证其准确度。现有的各种扭矩扳手检定仪大多针对手动扭矩扳手，检定方法一是产生标准扭矩与被检扭矩扳手比较，判断是否合格;另一种是使用准确度高一级的扭矩扳手与被检扭矩扳手同时感受同一扭矩值，通过对比判断合格与否［4］。而对于旋紧弹条扣件所用扭矩扳手，机动、液压、电动、手动等形式均有一定保有量，且作业对象是旋紧弹性体，效果是对钢轨产生一定的扣压力，目前还没有一种适合的校验设备来保证其准确度。

为此，提出一种基于直接检测ω 型弹条扣件扣压力的新的弹条扣件作业扭矩校准方案:以控制弹条扣件作用于钢轨上的扣压力为直接检测对象，对可控扭矩作业机具进行扭矩控制参数的校准，可适应不同工作原理的扭矩作业机具，实现弹条扣件的可控扭矩作业，保证弹条扣件对钢轨扣压力的一致性和正确性。

1 实现方案

通过模拟实际高铁/普铁ω 型弹条扣件安装条件，在弹条扣件受力点设置测力传感器，直接检测弹条扣件受压时的扣压力变化，通过数学和实际标定方法确定扣压力与旋紧扭矩的对应关系曲线(对于静扭机具)以及扣压力(扭矩)与冲击时间/冲击次数的对应关系(对于冲击机具)。作业前后在校准测试台上以扣压力值为标准，对作业机具的控制扭矩值或冲击时间值/冲击次数值进行校准。实现方式如图1 所示。

图1 ω 型弹条扣件扣压力校准测试实现示意图

2 校准测试台研制

本校准测试台由保证各种ω 型弹条扣件进行正确测试的机械部分和数据处理系统两部分组成。

2.1 校准测试台机械部分设计

机械部分主要由机座、承载座、左支撑座、右支撑块、左右横向调整机构、钢和塑料复合螺旋套管等部件组成。不同类型扭矩作业机具旋紧螺栓/螺母时，螺栓/螺母沿垂直方向所受拉力通过弹条作用于承载座和支撑块上，其中支撑块所承受的垂直力由测力传感器测得，即为扣压力。左支撑座与上部承载座间采用圆弧面接触以保证受力合理并减小测力误差。左右横向调整机构用于模仿轨距变化调整受力点的相对位置以及适应不同型号的弹条扣件并保证弹条支端的受力点位于测力传感器中心。钢和塑料复合螺旋套管根据不同扣件系统特制，其内部为现场实际使用的塑料螺旋套管，外部为钢制，其间为精密螺纹配合。当为“T”型螺栓时，可将钢和塑料复合螺旋套管更换为符合铁标要求的螺栓/螺母组合。本校准测试台可对Vossloh300、WJ-5、WJ-7、WJ-8 等采用ω 型弹条的扣件系统所用可控扭矩作业机具进行校准测试。

旋紧扭矩T 与扣压力F0成正比，二者对应精确与否的影响因素有二:一是螺栓、扣件、平垫圈三者间的端面摩擦阻力矩T1;二是螺栓螺纹与塑料螺母间螺纹副的螺纹阻力矩T2。

T=T1 +T2=KF0d

其中:K 为旋紧力矩系数，F0为扣压力，d 为螺纹公称直径。

旋紧力矩系数K 与两种情况下的摩擦面的状态以及润滑状态有关。为了保证扣压力值与扭矩值的准确对应并具有实用性，必须保证上述两种摩擦力的数值具有较高的重复性，即保证K 值基本不变。为此，本校准测试台在螺栓与弹条间所加的平垫圈外形符合铁标要求，其材质采用合金钢并经淬火处理，其表面硬度大于HRC65，并采用型号和润滑状态与实际一致的塑料螺旋套管。

2.2 数据处理系统设计

数据处理系统包括测力传感器、信号调理滤波、A/D 采集、数据运算处理、扭矩校准、冲击时间/冲击次数校准、数据存储、7 吋触摸屏等模块，其组成框图如图2 所示。其核心在于得到准确的扣压力值后将其与旋紧扭矩、冲击时间或冲击次数准确对应，以实现作业机具的校准测试。

图2 数据采集处理显示系统框图

平衡梁式测力传感器测得的mv 级扣压力信号经信号调理放大和滤波后进行A/D 转换，进入数据运算处理单元进行数字滤波，零点、参数、系数等方面的运算，通过RS485 接口与触摸屏数据交换，将扣压力值在触摸屏上显示出来。采用触摸屏代替一般LED 或LCD 等显示器的好处是其显示内容更丰富，按键设置灵活，另外可通过其上的小键盘进行多种参数的输入和设置。

2.3 扣压力校准

准确地测试扣压力是本校准测试台的关键。根据误差理论以及计量传递的1/10 或1/3 法则，选择高一个精度等级的测力传感器与本校准测试台测力传感器重叠放置，通过二次仪表对所测扣压力值进行全量程多点标定和线性拟合，以保证扣压力与旋紧扭矩以及冲击时间/冲击次数对应关系的正确性。

2.4 扣压力与旋紧扭矩对应关系标定

在排除旋紧扭矩系数K 的影响因素，使其保持不变的情况下进行扣压力与旋紧扭矩对应关系标定。以标定后的扣压力值为标准设置多个校准点，用高精度数显扭矩扳手逐点建立扣压力与旋紧扭矩对应关系。系统内部计算各个标定点间的系数Ki，通过曲线拟合法在全量程范围内实现扣压力与旋紧扭矩对应关系曲线的标定以及任一点扭矩的对应计算和显示。扣压力与扭矩对应关系标定以及扭矩实时计算原理如图3 所示。

图3 扣压力-扭矩对应关系标定与扭矩计算

2.5 扣压力与冲击时间/冲击次数对应关系确定

在可控扭矩作业机具中，冲击扳手具有体积小、重量轻、耗能少、便于携带和操作等特点。本校准测试台的特色在于通过实时检测扣压力，可对这类机具进行校准。其原理如图4 所示:通过实时检测扣压力在每次冲击时的变化规律，由内部的冲击时间和冲击次数处理模块动态确定开始冲击时刻以及判断扣压力值的“台阶”，对冲击时间和冲击次数进行计时和计数，并通过显示器显示，指导这类机具根据达到的扣压力值或扭矩值对冲击时间或冲击次数进行正确设定。

图4 扣压力-冲击时间/冲击次数对应关系确定

3 试验与验证

研制的校准测试台对弹条扣件作业过程中使用的液压扭力扳手、电动扭力扳手、机动扭矩扳手等多种作业机具进行了作业前和作业后校准测试，并通过高精度数显扭矩扳手对现场作业效果进行复核，表明经本校准测试台校准的机具作业后的扭矩值离散度≤±5.3%，达到了预期目标。试验中发现，现场塑料套管使用的油脂量、平垫圈的新旧对扭矩控制有一定影响;弹条的材质差异以及生产厂家的不同也会造成扭矩的离散性增加，文献［5］的试验也证明了这一点;相同扭矩时现场轨距调整档块的号数变化对扣压力影响较大。这些问题在进行机具校准时必须考虑，采用与现场使用条件一致的弹条、油脂量、新的平垫圈并根据待作业的轨距档块的号数调整弹条的放置位置可大大减小校准误差。

4 结束语

基于ω 型弹条扣件扣压力检测研制的校准测试台通过对多种可控扭矩作业机具的校准，实现对Vossloh300、WJ-5、WJ-7、WJ-8 型等多种高铁扣件系统扣压力的有效控制，为高铁线路养护提供了一种有效的技术手段。

［1］李子睿.扣件抗钢轨倾翻性能及钢轨倾翻角计算方法的研究［D］.北京:中国铁道科学研究院，2010.

［2］赵才友，王平.扣件弹条动力特性现场测试与研究［J］.中国安全科学学报，2012(5):126-132.

［3］许佑顶.高速铁路无砟轨道扣件设计要点［J］.铁道工程学报，2010(4):40-43.

［4］杨武成，宋文学，罗庚合，等.扭矩扳手检定仪的研究现状与发展趋势［J］.仪表技术，2013(8):48-54.

［5］陈立才.对弹条I 型扣件扭力矩的探讨［J］.铁道建筑，1988(6):27-29.