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地铁车辆称重设备介绍和称重线布置方式探讨
2019-09-09 19:50:57 来源:http://www.scalesh.com 作者:http://www.scalesh.com 【 】 浏览:0次 评论:0

地铁车辆大修是指对车辆进行全面检查和彻底修理,并进行必要的技术改造,目的是恢复车辆的基本技术性能,使修理后的车辆性能接近新造车辆水平。

车辆质量、轴重与轮重是车辆的重要指标,大修后车辆的这些指标是否达到设计要求,需要称重设备进行验证。

目前国内地铁使用各种称重设备,新的称重设备也在不断研发。由于对检修后的车辆提出称重要求,车辆大修的工艺流程也发生了较大变化,大修库内库线的数量需要随之增加,位置也要随之调整。

1 轨道交通车辆的称重

轨道机车车辆的载荷与车辆的寿命、动平衡性、能耗及旅客的安全性和舒适性等密切相关。如果轮重不均匀,减载率和脱轨系数会增大,轨道机车车辆黏着牵引力和牵引运动性能会受到不良的影响,还会影响列车的舒适性,容易引起车轮的多边形磨损及轨道的波浪形磨损,严重的还会威胁到行车安全。

《电力机车通用技术条件》 (GB/T 3317—2006) 、《地铁车辆通用技术条件》 (GB/T 7928—2003) 、《车辆组装和运行前的整车试验规范》 (IEC 61133—2006) 和《城市轨道交通车辆组装后的检查与试验规则》 (GB/T14894—2005) 等标准对我国轨道交通机车、车辆的车重、轴重、轮重偏差和车辆的载荷状态等作了严格的规定。因此,必须要在机车、车辆设计和制造过程中将其质量分配误差严格控制在标准规定的范围内。

地铁车辆车体与转向架之间,以及转向架内部通过一、二系弹簧进行连接、承载,其属于一个由多个一、二系弹簧组成的超静定力学结构。

在设计、制造、检修、组装过程中,受车体、转向架内部设备布置、总质量限制,以及各零部件的加工、安装工艺的偏差等因素影响,经常导致地铁车辆实际重心与车体的形心存在一定偏差,从而导致各轮轴重的偏差超出相关标准要求。除在设计过程 (如通过建模、仿真) 和制造、检修过程 (如提高零部件的加工精度、加强零部件的检测和选配等) 优化外,采用称重调簧方法辅助进行调整法装配是当前通用的、较为经济有效的方法。

地铁车辆在运营过程中,受线路不平顺性,车体内装载的人员和设备的质量的变化,列车在起动、变速和制动时受纵向载荷的变化等各种作用力影响,导致车辆车体长期存在应力,进一步影响到整车各轮轴重偏差,需要在车辆维护环节中通过车体称重调簧设备进行应力检测和残余应力处理。

《地铁设计规范》规定地铁车辆修理分为定修、架修和大修[1]。通常车辆大修是对车辆进行全面检查和彻底修理,并进行必要的技术改造。目的在于恢复车辆的基本技术性能,使修理后车辆的性能接近新造车辆水平。

对于车辆的质量、轴重和轮重,《地铁车辆通用技术条件》 (GB/T 7928—2003) 相关规定如下[2]

整备状态下的车辆质量不应比合同中规定的值大3%。

同一动车的每根动轴上所测得的轴重与该车各动轴实际平均轴重之差不应超过实际平均轴重的2%。

每个车轮的实际轮重与该轴两轮平均轮重之差不应超过该轴两轮平均轮重的±4%。

大修后的地铁车辆需要通过称重设备得到质量、轴重和轮重数据,再根据这些数据对轴重和轮重做相应的调整,使之满足《地铁车辆通用技术条件》 (GB/T7928—2003) 的要求。

2 称重调簧的分类与设备介绍

所谓轨道交通车辆称重调簧,就是通过载荷传感器测量各车体支撑点、整车各车轮的承载力,获得各支承点或轮、轴重的偏差,然后通过改变轨面与车体之间的弹性支承点的弹簧压缩量,在一、二系弹簧加垫,或调整二系空气弹簧高度等,使各个支承点的受力尽可能均衡。

对于轨道交通机车车辆轮轴重分配不均问题,国内外已经做了大量的工作,研制了相应的调簧设备,并广泛应用于国内外铁路行业各主机厂、检修车辆段等,主要包括转向架称重调簧、车体称重调簧、整车称重调簧和综合称重调簧等设备[3]

2.1 转向架称重设备

转向架称重设备用于转向架单独试验,主要由加载装置、车轮载荷传感器、计算机测控系统等组成。通过加载装置 (静液压油缸) 模拟车体载荷,对转向架二系簧进行模拟加载;通过载荷传感器测量转向架各车轮承载力;同时通过计算机测控系统计算一系簧加垫值,确保转向架自重及车体载荷在各车轮上均衡。

转向架称重设备已广泛应用于各大机车、车辆主机厂、车辆段,成为转向架检修过程的必备设备。

2.2 车体称重调簧设备

车体称重设备是在拆除转向架后或落车前,对车体进行单独的称重,主要的车体称重设备有3种。

2.2.1 纯车体称重设备

纯车体称重设备主要由支撑立柱、载荷传感器及计算机测试系统组成,见图1。称重传感器放置于车体支撑立柱上以支撑车体,实现车体各承载点的受力测量;计算机测试系统通过各受力点的偏差分析,形成测试报表,并提供建议理论加垫值,为操作人员进行车体、转向架组装时提供加垫量的参考。

图1 便携式车体称重设备

图1 便携式车体称重设备  下载原图

Fig.1 Portable vehicle weighing test equipment

该系统具有设备小巧、便携可移动等优点,可以适应不同车型、不同场地的需要;但也存在一些不足: (1) 系统不具备承载点高度测量功能,需配套激光水平测试仪,操作、对位较为麻烦; (2) 系统不具备承载点高度可精确调整功能,需配套移动式架车机或天车实现车体的起升与落车; (3) 系统仅提供单次称重测量结果,所提供的加垫建议值为理论计算值,与实际需求加垫量存在偏差,需要操作人员经验判断调整,或反复多次加垫、试验验证。

该设备为传统的车体称重方式,目前广泛应用于各大机车、车辆主机厂、车辆段。

2.2.2 移动式车体架车称重设备

移动式车体架车称重设备主要由车体称重单元、移动式架车机、计算机测控系统等组成,见图2。车体称重单元安装于移动式架车机承载鞍上,采用车体架车点作为车体载荷的测量点,近似测量各车体二系簧承载点承载值及承载高度;通过计算机测控系统动态计算各架车点加垫值,并动态控制各架车点的支撑高度,模拟加垫;直至所测量的各承载载荷值达到均衡,输出车体各二系簧加垫值与承载值测试报表。

图2 移动式车体架车称重设备

图2 移动式车体架车称重设备  下载原图

Fig.2 Removable vehicle body lifting, weighing, and adjusting system

该设备集车体架车与称重功能于一体,通过理论计算、模拟加垫、实际测量等方式实现车体的称重。相对于纯车体称重设备,其输出的载荷测量结果与加垫值更加贴近于真实要求;同时具备轨道交通车辆的架、落车功能,降低了厂房设备数量和空间布置需求,具有较好的应用价值[4]

该设备目前主要应用于地铁车辆新造、架/大修场合。

2.2.3 机车、车辆称重设备

机车称重设备主要由车体称重单元、移动式车体支撑、固定式车体支撑、计算机测控系统等组成,见图3。固定式车体支撑主要用于称重、调簧试验前后承接被试机车车辆,以及试验过程保护。移动式车体支撑与被试机车车辆各二系簧对应,模拟转向架承接车体,并可以精确调整高度。车体称重单元安装于移动式车体支撑上,实时测量各二系簧承载值。计算机测控系统实时采集各二系簧承载值,并精确控制各移动支撑高度,实现各二系簧加垫值模拟;直至所测量的承载载荷值达到均衡,输出车体各二系簧加垫值与承载值测试报表。

图3 机车称重设备

图3 机车称重设备  下载原图

Fig.3 Locomotive body weighing and adjusting system

该设备结构紧凑,特别适用于具有多个二系簧承载点的场合,如6轴、8轴机车。通过理论计算、模拟加垫、实际测量等方式实现车体的称重与调簧。相对于纯车体称重设备,其输出的载荷测量结果与加垫值更加贴近于真实要求。

2.3 整车称重调簧

整车称重调簧试验,用于在轨道交通车辆完成车体与转向架落车后,对各轮、轴重的偏差测量与调整,确保车辆各轮、轴重偏差在相关标准允许范围之内。通常主要采用的设备有以下3种。

2.3.1 便携式整车称重设备

便携式整车称重设备主要由便携式车轮称重传感器及计算机测试系统组成,见图4。车轮称重传感器根据需求安装在轨道内侧,与轨道平齐,与车轮轮缘接触。操作人员将车辆推至称重传感器上,使各车轮对位,完成车辆轮轴重测量,输出测试报表[5]

该设备具备小巧、便携可移动等优点,可以适应不同车型、不同场地的需要。根据被试车辆轴数,可灵活配置多个车辆称重传感器,主要适用于具有检修地沟的场合。

图4 便携式整车称重设备

图4 便携式整车称重设备  下载原图

Fig.4 Portable vehicle weighing equipment

该设备也存在一些不足: (1) 系统不具备承载点高度测量功能,需配套激光水平测试仪,操作、对位较为麻烦; (2) 系统仅提供单次称重测量结果,通常不具备加垫值计算、输出功能;部分设备所提供的加垫建议值为理论计算值,与实际需求加垫量存在偏差,需要操作人员经验判断调整,或反复多次加垫、试验验证; (3) 为保证测量结果,通常需要来回反复多次测量,多次来回推车,取多次测量平均值作为最终测量结果。

另一种便携式整车称重设备,基本原理、产品的优缺点与前一产品类似,其车轮称重传感器安装于轨道面之上;将车辆推至称重传感器之上,使各车轮对位,各车辆踏面与称重传感器接触,完成车辆轮轴重测量,输出测试报表。

此设备可以适应如户外等更多应用场合,但因设备承载点高于轨道面,需采用专用车辆牵引设备或更多的人力推动,操作较为麻烦。

2.3.2 固定式整车称重设备

固定式整车称重设备主要由车轮称重传感器及计算机测试系统组成,见图5。车轮称重传感器固定安装于轨道上,每个车轮对应一个称重传感器。车辆各车轮定位至对应称重传感器后对各车轮承载力进行测量,并输出测试报表。部分设备厂家可以提供车辆二系弹簧加垫的理论计算值。

该设备操作简单,安装调试后无需频繁调整称重传感器位置、高度;但设备安装时涉及土建施工,且仅适用于固定车型。与便携式整车称重设备类似,存在需要反复多次测量、来回推车、加垫理论计算值与实际需求加垫量存在偏差等缺点。

2.3.3 整车称重调簧设备

整车称重调簧设备主要由称重单元、升降装置、计算机测控系统等组成。每个称重单元对应一个车轮,可以精确控制高度。车辆驶入、对位后,计算机测试系统根据实时测量的车轮承载力,通过内置的调簧算法,计算加垫后车轮高度的变化,控制每个车轮高度变化,实现车辆一、二系弹簧模拟加垫,使各车轮的承载力达到均衡,最终输出一、二系弹簧加垫值及车辆各轮轴重数据报表,为后续操作人员实际加垫提供参考。

图5 固定式整车称重设备

图5 固定式整车称重设备  下载原图

Fig.5 Fixed vehicle weighing equipment

该设备相比于传统的纯整车称重设备,对车辆一、二系弹簧加垫值进行了实际模拟与验证,有效地降低了对操作人员经验的需求,提高了一次加垫准确率。

2.4 综合称重调簧设备

上述转向架、车体、整车称重调簧试验设备存在功能相对单一,需要多个台位配合完成,特别需要配合架车设备实现架、落车、加垫工作;部分设备所提供的加垫建议值为理论值,与实际加垫值存在偏差,要求操作人员经验较丰富,存在一次加垫成功率较低等缺点。

综合称重调簧设备集车体称重、调簧、架车,整车称重、调簧、架车为一体,主要由车体架车单元、车体称重单元、车轮 (转向架) 架车单元、车轮称重单元、计算机测控系统等组成,见图6。计算机测控系统通过称重单元实时测量各承载点的承载力;通过调簧算法计算一、二系弹簧的理论加垫值,转换为各承载点高度变化;通过控制架车单元模拟各承载点的加垫量,模拟验证调簧计算结果;最终使各承载点 (车体、车轮) 承载力达到均衡,输出对应测试报表与加垫值。

图6 综合称重调簧设备

图6 综合称重调簧设备  下载原图

Fig.6 Integrated lifting, weighing, and adjusting system

该设备相对于传统的称重调簧设备,其基本原理相同,但集合了轨道交通车辆车体、整车称重、调簧需求,通过理论计算、模拟加垫、实际测量等方式实现对车体的称重与调簧,输出加垫结果更加真实;同时具备单独架、落车功能,可以减少厂房单独称重线、多个试验台位的需求,具有较好的推广价值和实用性[6]

3 称重设备在地铁车辆段的布置

现行《地铁设计规范》并无修理后的车辆必须称重的内容,也未见哪个修程的检修工艺明确规定有称重的要求,这里暂且假定架、大修后的车辆需要进行称重。

地铁车辆检修后的称重可分为转向架称重、车体称重 (四点称重) 和整车称重 (八点称重) 。

目前,虽然车体和整车称重设备形式很多,但基本上还是将车体称重设备和整车称重设备分别设置在轨道上,这段轨道称作称重线。

3.1 车辆称重的要求

车辆称重通常分为转向架称重、车体称重和整车称重。

3.1.1 转向架称重

转向架称重设备安装在转向架检修间,这里不做详细介绍。

3.1.2 车体称重 (4点称重)

车体称重时,通常车辆状态为除了转向架未安装,其他部件全部安装完毕。

车体称重工艺流程为:车辆除转向架之外总装完毕→进入车体称重台位称重→调簧→推出工艺转向架→安装转向架→进入整车称重台位。

车体称重线的长度应不小于被称重的车辆的长度加上车辆前后的轨道长度。

称重线应设置壁式检查坑、四点称重设备和移动式架车机,见图7。

图7 车体称重线 (四点称重线)

图7 车体称重线 (四点称重线)  下载原图

Fig.7 Car body weighing line (Four-point weighing line)

3.1.3 整车称重 (八点称重)

车辆整车称重时,通常车辆是在整备状态下进行。

整车称重工艺流程为:整备状态下的车辆→进入整车称重台位称重→调簧→推入移车台→推入编组线编组。

车辆称重线的长度不小于被称重的车辆长度加上车辆前后的轨道长度。

整车称重线不设检查坑,安装有八点整车称重设备,见图5。

3.2 架修车辆段称重线的布置

在一些实行地铁车辆分修制的城市,车辆段修程最高为架修,也就是说地铁线路中只有架修车辆段。架修车辆段与大架修车辆段在检修设施上的主要区别就是架修车辆段没有大架修车辆段所必备的移车台。

在架修车辆段中,进入架修的车辆通常采用定位修,即从列车解列、转向架和车辆电气机械设备的拆装到列车组装、编组,均在同一条架修线上完成,车辆不需要转线作业,见图8。

由于架修车辆段的车辆架修是定位修,采用设置有固定称重设备的称重线无法对车体和车辆称重。如架修后的车辆必须称重,车体称重可采用图2所示的移动式称重设备 (四点称重) ;整车称重可采用图9所示的便携式车辆称重设备 (八点称重) 。

采用上述设备称重,每次称重时都要移动称重设备,使用起来很不方便,如果在架修段也采用移车台,就可以设置固定的称重线,完成称重作业。

图8 架修车辆段联合检修库

图8 架修车辆段联合检修库  下载原图

Fig.8 Diagram of repair shop of un-wheeling repair depot

图9 便携式车辆称重设备

图9 便携式车辆称重设备  下载原图

Fig.9 Portable vehicle weighing equipment

3.3 架大修车辆段称重线的布置

架大修车辆段承担地铁车辆的架大修,架大修后的车辆应进行称重。因为架大修车辆段均有移车台,称重线一般布置在移车台的一侧。称重线的布置方式有以下几种。

3.3.1 称重线并列布置在移车台一侧

车体称重和整车称重线各占一条轨道,并列布置在移车台一侧。

图10所示为称重线并列布置在车体车间一侧的方案。由于车体称重后要安装转向架,再去进行整车称重,修好的转向架需从转向架检修区运到车体称重线安装,转向架的运输距离较远。

图11所示为称重线与转向架检修区布置在同一跨的方案。转向架从检修区运到车体称重线的距离与图10所示的方案相比明显缩短了。

3.3.2 称重线纵列布置在移车台一侧

称重线纵列布置是车体称重和整车称重线前后布置在移车台一侧的同一条轨道上。

图1 0 车体称重线和整车称重线并列布置在移车台一侧 (1)

图1 0 车体称重线和整车称重线并列布置在移车台一侧 (1)  下载原图

Fig.10 Car body weight line and vehicle weighing line arranged parallelly on one side of the transfer (1)

图1 1 车体称重线和整车称重线并列布置在移车台一侧 (2)

图1 1 车体称重线和整车称重线并列布置在移车台一侧 (2)  下载原图

Fig.11 Car body weight line and vehicle weighing line are arranged on one side of the transfer in parallel arrangement (2)

图12所示为称重线纵列布置在车体车间一侧的方案。靠近移车台的为车体称重设备,里侧为整车称重设备,形成先车体称重再整车称重的流水作业,不足之处是与称重线并列布置的方案相比,车体称重和整车称重不能同时作业。由于车体称重后要安装转向架,再去进行整车称重,修好的转向架需从转向架检修区运到车体称重线安装,转向架的运输距离较远。

图1 2 车体称重线和整车称重线纵列布置在移车台一侧 (1)

图1 2 车体称重线和整车称重线纵列布置在移车台一侧 (1)  下载原图

Fig.12 Car body weight line and vehicle weighing line arranged vertically on one side of the transfer (1)

图13所示为称重线与转向架检修区布置在同一跨的方案。转向架从检修区运到车体称重线的距离与图12所示方案的转向架运输距离相比明显缩短了。

图1 3 车体称重线和整车称重线纵列布置在移车台一侧 (2)

图1 3 车体称重线和整车称重线纵列布置在移车台一侧 (2)  下载原图

Fig.13 Car body weight line and vehicle weighing line arranged vertically on one side of the transfer (2)

3.3.3 称重线纵列布置在解列编组线上

车体称重和整车称重线前后布置在移车台一侧,与列车的解列编组作业在同一条轨道上,如图14所示。

图1 4 称重线纵列布置在解列编组线上

图1 4 称重线纵列布置在解列编组线上  下载原图

Fig.14 Weighing line arranged on the train marshalling line

这种布置的工艺流程如下:车体由移车台运至车体称重台位,车体称重作业后,安装转向架落车后推到整车称重台位处进行整车称重,之后再推到解列编组线上编组。其优点是车体称重、转向架安装、整车称重和列车编组均在一条线上进行,形成了流水作业,减少了车辆转线的次数,提高了工作效率。不足之处有两点,其一是库长至少增加60 m,其二是称重作业时间通常需要2 d,在这2 d内,解列编组线上不能进行解列作业。

综合比较各种布置形式,图11所示的车体称重线和整车称重线并列布置、与转向架检修区在同一跨的方案具有明显优势,一些大架修车辆段已经采用了此种布置方式。

3.3.4 综合称重调簧设备的布置

综合称重调簧设备只占用一个台位,称重线的长度约为30 m,称重线布置可有两种,如图15和图16所示。

综合称重线与列车的解列编组作业在同一条轨道上,如图15所示。其优缺点与图14所示的布置方式相近,只是库长只需要增加30 m。

图1 5 综合称重设备布置在列车解列编组线上

图1 5 综合称重设备布置在列车解列编组线上  下载原图

Fig.15 Integrated weighing equipment arranged on the train marshalling line

图1 6 综合称重设备布置在转向架检修车间内

图1 6 综合称重设备布置在转向架检修车间内  下载原图

Fig.16 Integrated weighing equipment arranged in the bogie maintenance workshop

图16所示为综合称重线与转向架检修区布置在同一跨的方案。这种布置无论是工艺流程的顺畅性还是转向架的运输距离都是较优的选择。

4 车辆称重对检修工艺和大架修库库内线路布置的影响

4.1 对检修工艺的影响

由于增加了车辆称重工序,车辆大架修检修工艺发生了很大变化。

4.1.1 转向架安装和落车的工位改变

转向架安装和落车由原来在解列编组线或总装线进行,转到了在车体称重线上进行。改变了以往大架修车辆定位修的状态,改为车辆在不同工序间的流水作业。

4.1.2 大架修时间的增加

1列6辆编组的列车车辆称重作业通常需要2 d,无疑增加了车辆大架修停修时间。

4.2 对大架修库库内线路布置的影响

4.2.1 对架修库库内线路布置的影响

如果架修后的车辆也要求进行车辆称重,就要在架修库内增加移车台,或者采用移动架车机式车体称重设备和便携式整车称重设备,否则车辆必须经过繁琐的转线作业才能完成称重。

4.2.2 对大修库库内线路布置的影响

以往车辆大修通常采用车辆定位修或部分定位修的方式,大修线 (车体线) 通常布置在移车台两侧。

大架修车辆段大架修列位少则3条,多则5条以上。下面以6辆编组5列位大架修线为例进行说明,对于传统的大架修库,一般是移车台一侧布置2条6台位的架修线,移车台另一侧布置6条3台位的大修线,共同组成5列位的大架修线,如图17所示。

图1 7 传统大架修库库内线路布置

图1 7 传统大架修库库内线路布置  下载原图

Fig.17 Layout of weighing lines in the overhaul repair shop

图17所示6台位架修线的车辆称重工艺流程如下:车辆在架修线上完成除安装转向架之外的全部组装,首先编号为6的车辆经移车台推入车辆称重线,完成车体称重和整车称重,此时编号为6的车辆虽然完成了称重作业,但既不能进入解列编组线上等待编组,也不能回到原来的架修线上,如果没有周转线,只能经移车台推到空着的临修线、定修线、静调线或吹扫线上。编号为5~2的车辆工艺流程和编号为6的车辆相同,仅有编号为1的车辆称重之后可以直接进入解列编组线上,其他车辆再由停放线上依次进入解列编组线完成列车编组。可以看出,这个流程非常复杂。

图17所示的库内线路布置已经不适应称重工艺流程的要求,为此需要新的线路布置形式来适应车辆称重工艺。

图18所示为一种能适应车辆称重工艺流程的库内线路布置,主要是取消每线6台位的大修线,全部改为每线3台位分别布置在移车台两侧的大架修线,车辆检修完全是流水作业,车辆可以依次完成称重作业、依次进入解列编组线编组成列。

5 结语

检验车辆大修后车辆的质量、轴重和轮重是否满足要求,必须要称重。如无车辆称重要求时,工艺流程为转向架安装通常在解列编组线上或总装线上进行;在有车辆称重要求的工艺流程中,转向架安装需在车体称重线上进行。这种变化对车辆大架修工艺流程和大架修库库内线路的布置都产生了很大影响,如何选择称重设备、如何设计新的检修工艺、如何布置架大修库库内的各条线路,值得设计者不断探索和研究。

图1 8 适应车辆称重工艺的大架修库库内线路布置

图1 8 适应车辆称重工艺的大架修库库内线路布置

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