移動式線路動態(tài)加載車液壓加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 亮，柴雪松，李 偉，暴學(xué)志，金 花，潘 振，司道林

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

移動式線路加載車是連續(xù)測量軌道剛度的設(shè)備，目前世界上僅美國和中國各有一輛［1］。我國自主研制的移動式線路加載車由兩節(jié)車組成，一節(jié)為動力加載車(簡稱加載車)、一節(jié)為儀器車，如圖1所示。加載車安裝液壓加載系統(tǒng)，儀器車安裝測試設(shè)備，為測試人員提供工作空間。移動式線路加載車最大連掛速度為160 km/h，移動加載試驗(yàn)速度為60 km/h，同時具備3 km/h的低速自走行功能。

圖1 移動式線路動態(tài)加載車

移動式線路動態(tài)加載車行駛中可實(shí)現(xiàn)對軌道施加垂向荷載和橫向荷載，模擬列車運(yùn)行時對軌道產(chǎn)生的垂向力和橫向力，根據(jù)軌道的變形和三點(diǎn)弦測剛度原理計(jì)算出試驗(yàn)區(qū)段軌道的連續(xù)剛度［2-3］;液壓加載系統(tǒng)也可以在移動式線路動態(tài)加載車靜止時對軌道施加靜態(tài)荷載、高頻動載和瞬間沖擊載荷。施加靜態(tài)荷載用于研究特定加載斷面的軌道結(jié)構(gòu)和剛度;施加高頻動載可模擬列車運(yùn)行時車輪對指定軌道斷面的連續(xù)作用;施加瞬間沖擊荷載可通過測量荷載在軌道中的傳遞規(guī)律評估軌道的減震特性。

1 液壓加載系統(tǒng)概況

移動式線路動態(tài)加載車液壓加載系統(tǒng)包括液壓加載設(shè)備、與作動器連接的移動加載架以及安裝液壓設(shè)備的車體等。

1.1 液壓設(shè)備的組成

圖2 液壓加載設(shè)備組成

液壓加載設(shè)備由美國MTS公司生產(chǎn)，包括作動器、液壓源、分油器、控制器、電腦主機(jī)、油管、信號電纜線等［4］，如圖2所示。作動器是施加荷載的核心部件，作動器上的伺服閥按照控制系統(tǒng)的指令調(diào)節(jié)液壓油的進(jìn)出產(chǎn)生相應(yīng)的荷載。液壓源是液壓加載系統(tǒng)的重要組成部分，為作動器提供所需的流量和壓力。分油器將高壓油分流到設(shè)定的通道中，它還具有液壓油濾清以及消除壓力脈動和補(bǔ)充流量等多種功能。控制系統(tǒng)包括控制器和控制軟件，控制器中含有中央處理器、信號調(diào)理板、采集卡、數(shù)字輸入或輸出通道、伺服閥驅(qū)動器、繼電器等，可實(shí)現(xiàn)高速閉環(huán)控制、數(shù)據(jù)采集、信號輸入和輸出等功能。系統(tǒng)采用MTS 793控制軟件，它具有編寫試驗(yàn)程序，波形顯示，比例、積分、微分調(diào)節(jié)，極限探測保護(hù)等功能，還能根據(jù)特定的工況和試驗(yàn)步驟，嵌入C語言代碼，滿足各種試驗(yàn)需要。

與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)不同，移動式線路加載車MTS液壓系統(tǒng)配有柴油發(fā)動機(jī)和空氣冷卻風(fēng)扇。由于該車長期在線路中運(yùn)行，有些試驗(yàn)線路不是電氣化線路，無法采用傳統(tǒng)的電能作為動力源，根據(jù)前期設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置了一臺550 kW卡特柴油發(fā)動機(jī)來提供加載動力，它能同時帶動3個液壓泵工作，最大流量可達(dá)到946 L/min。液壓系統(tǒng)工作時液壓油溫度會上升，但油溫必須保持在一定的溫度范圍(35℃ ～45℃)才能正常工作，所以需配有冷卻系統(tǒng)。常規(guī)的冷卻方式為水冷，但水冷占地空間較大，日常使用中需要經(jīng)常補(bǔ)水、清潔。考慮到移動式線路加載車經(jīng)常在野外工作，補(bǔ)水困難，設(shè)計(jì)采用空氣冷卻方式。該風(fēng)冷系統(tǒng)由4臺風(fēng)扇組成，它們安裝在車體的側(cè)壁上，液壓油油溫超過43℃風(fēng)扇便會自動開啟，高溫油流入風(fēng)扇經(jīng)冷卻后流入液壓源。

1.2 作動器的主要性能與參數(shù)

作動器是液壓加載系統(tǒng)最主要的部件，通過它產(chǎn)生荷載對軌道進(jìn)行加載。本系統(tǒng)有4臺作動器，2臺垂向作動器，2臺橫向作動器。垂向作動器模擬列車的垂向荷載;橫向作動器模擬列車所受的橫向力。垂向、橫向作動器的參數(shù)如表1。從表1可以看出單臺垂向作動器的最大荷載為250 kN，2臺垂向作動器可模擬500 kN的軸重;單臺橫向作動器的最大荷載為100 kN，2臺橫向作動器可模擬200 kN的橫向力，遠(yuǎn)大于既有客運(yùn)專線、重載線路的軸重和列車運(yùn)行中產(chǎn)生的橫向力。同時垂向作動器還可進(jìn)行50 Hz以下的高頻動態(tài)加載，可模擬最小軸距2.4 m的動車組400 km/h(超過了現(xiàn)有高鐵的運(yùn)行速度)通過時對軌道的影響。

表1 單臺作動器性能參數(shù)

2 液壓加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)移動式線路動態(tài)加載車使用條件和安裝環(huán)境設(shè)計(jì)液壓加載系統(tǒng)。液壓加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括液壓加載設(shè)備在車體的布局設(shè)計(jì)，加載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及軟模式配置［5］。布局設(shè)計(jì)要滿足在車體有限空間內(nèi)將液壓加載系統(tǒng)各部件合理有序放置，加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)車體底部將作動器的力傳遞到鋼軌上，液壓加載系統(tǒng)的軟模式設(shè)計(jì)為移動加載過程中荷載穩(wěn)定提供保障。

2.1 液壓加載設(shè)備在車體的布局設(shè)計(jì)

2.1.1 液壓加載設(shè)備布局設(shè)計(jì)思路

液壓加載設(shè)備安裝在加載車上，加載車由一輛DF8B機(jī)車改造而成，該車車輪直徑1 050 mm，外形尺寸(長 ×寬 ×高)為23 200 mm×3 110 mm×4 539 mm。通過前期的理論計(jì)算與仿真分析，對構(gòu)架、轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，加厚了車體鋼板以抵抗移動加載中動態(tài)荷載的沖擊［6-7］。

作動器在車體的布置主要考慮加載是靠車體提供支撐反力，在前后轉(zhuǎn)向架處減載，車體會有一定程度的上浮，將作動器安裝在車體中部加載時前后轉(zhuǎn)向架減載均衡，有利于保持車體的平衡。計(jì)算表明單輪荷載作用下軌道變形影響在4 m外可忽略，加載車前轉(zhuǎn)向架后輪與后轉(zhuǎn)向架前輪的間距為8 m，將作動器安裝在加載車車體中部能消除前轉(zhuǎn)向架和后轉(zhuǎn)向架處的輪軌力對加載點(diǎn)荷載的影響。

其他配套設(shè)備在布局設(shè)計(jì)時遵循布局緊湊，合理利用車體有限空間的原則。液壓源、分油器、蓄能器等有管路連接的設(shè)備靠近作動器布置，減少管路占用空間，實(shí)時性要求較高的控制主機(jī)要遠(yuǎn)離作動器，做防震處理。

2.1.2 液壓加載設(shè)備布局設(shè)計(jì)方案

圖3 液壓加載系統(tǒng)主要設(shè)備在車體中布置

液壓加載設(shè)備在車體的布局如圖3所示。垂向作動器固定在加載車車體正中央的橫梁上，橫向作動器等間距布置在垂向作動器左右兩側(cè);液壓源和卡特柴油發(fā)動機(jī)安裝在同一個底座上，固定在加載車車體后端空間;兩個分油器固定在液壓源與作動器之間的車體上，左右側(cè)各一個，左側(cè)的分油器控制左側(cè)垂向作動器和左側(cè)橫向作動器，右側(cè)分油器控制右側(cè)垂向作動器和右側(cè)橫向作動器;車體左側(cè)墻上安裝4個冷卻風(fēng)扇，右側(cè)裝有4個百葉窗;控制主機(jī)安裝在加載車車廂最前端。

2.2 加載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.2.1 加載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案對比

加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時要滿足將作動器的荷載有效地傳遞到鋼軌上且能隨著車體的移動而移動，因此要設(shè)計(jì)一個移動的加載架來滿足此功能。作動器在移動加載架上的作用位置和作用方向直接影響在鋼軌上施加荷載的大小和方向。垂向作動器與加載架為剛性連接，對加載架進(jìn)行垂向定位和約束;橫向作動器連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有3種方案，如圖4。方案1，橫向作動器水平放置在車體上，荷載通過杠桿機(jī)構(gòu)傳遞到加載輪上。方案2，橫向作動器水平放置在車體底部，荷載直接作用到軌道上。方案3，橫向作動器斜向放置在車體上，荷載通過旋轉(zhuǎn)三角架與杠桿傳遞到加載輪上。

圖4 橫向作動器連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對比

方案1的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足空間要求，荷載傳遞明確;方案2雖然荷載直接作用于鋼軌上，但考慮到車底空間的局限性與行車安全性將橫向作動器安裝在車底難以實(shí)現(xiàn);方案3的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能滿足空間局限，但荷載傳遞模式復(fù)雜，加載時橫向荷載會對垂向荷載造成很大的影響。綜合考慮選擇方案1。

2.2.2 加載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型

如圖5所示，垂向作動器通過萬向球鉸與車體和移動加載架連接，允許作動器在橫向有相對轉(zhuǎn)角，加載架可在橫向自由移動。橫向作動器與橫向加力垂桿在作動器運(yùn)動方向?yàn)閯傂赃B接，對加載架起到橫向定位和約束的作用。垂向采用萬向球鉸連接允許有相對轉(zhuǎn)角，垂向作動器在帶動加載架下放、提升以及加載時，連接桿會繞加載架基座產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)角，但不會影響垂向定位。

圖5 垂、橫向作動器與移動加載架連接三維圖

移動加載架通過4根端部為萬向球鉸的連桿連接到車體底部，每側(cè)上、下各有1個。萬向球鉸允許移動加載架隨車體運(yùn)行時橫向有一定的角度偏移，在通過曲線時，設(shè)定作動器為力控制模式，液壓系統(tǒng)將在保持加載力的同時控制加載輪對在鋼軌的導(dǎo)向下順利通過。

2.3 作動器軟模式

2.3.1 軟模式問題的提出

通常作動器放置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，環(huán)境、試件、工裝都相對較好，而移動式線路動態(tài)加載車上的作動器是在車體移動中工作的，經(jīng)常會碰到一些惡劣的軌道區(qū)段，如三角坑、鋼軌剝離、軌道不平順、鋼軌接縫等，這些不利工況對加載精度影響很大，情況嚴(yán)重時可能會使作動器荷載突變，液壓系統(tǒng)失控，引起激震，對設(shè)備和人員安全都有嚴(yán)重影響。

2.3.2 軟模式的實(shí)現(xiàn)方式

如圖6所示，通過降低作動器剛度值(剛度10 kN/mm)，可有效控制加載力。在作動器頭部加入軟模式裝置，可明顯提高加載控制精度，實(shí)現(xiàn)移動恒載。

圖6 軟、硬模式下作動器性能對比

軟模式相當(dāng)于機(jī)械系統(tǒng)中的彈簧，它能吸收瞬間高壓油的沖擊減小荷載的波動。軟模式的實(shí)現(xiàn)是通過在作動器上增加蓄能器。蓄能器是空殼橢圓型球體，是內(nèi)充高壓氮?dú)獾南鹉z氣囊，當(dāng)遇到不平順路段時高壓油流入蓄能器腔體，遇到氣囊的阻力便會削弱沖擊，保證荷載的平穩(wěn)。

3 結(jié)語

按照線路連續(xù)測量軌道剛度的要求，研制了移動式線路動態(tài)加載車，其中液壓加載系統(tǒng)配置的軟模式減小了移動加載過程中荷載的波動。

該系統(tǒng)已投入使用，液壓系統(tǒng)布局合理，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)，設(shè)備運(yùn)行安全可靠，荷載誤差在5%以內(nèi)，能夠保證移動式線路動態(tài)加載車在現(xiàn)場試驗(yàn)的安全性和測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

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