GCS—80鐵路道床除沙車工作小車升降液壓系統(tǒng)原理的設(shè)計(jì)

聶大安

【摘 要】本文根據(jù)GCS-80鐵路道床除沙車工作小車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和動(dòng)作要求，通過(guò)采用高低壓力切換控制、節(jié)流調(diào)速、同步分流馬達(dá)等方式，設(shè)計(jì)了具有良好的調(diào)速和同步特性，以及節(jié)能效果的升降液壓系統(tǒng)，滿足了工作小車在各種工況下的作業(yè)要求。

【關(guān)鍵詞】除沙車；工作小車；液壓系統(tǒng)；升降

The Design Principle of GCS-80 Railway Trackbed Sand Removal Vehicle Hydraulic System about

Lifting or Lowering of the Working Car

NIE Da-an

（China Railway Large Maintenance Machinery CO.LTD，Kunming Yunnan 650215，China）

【Abstract】This paper introduces structural features and motion requirements about the working car of GCS-80 railway trackbed sand removal vehicle，through the way of using high and low pressure control， throttle control，synchronous motor， designed with good timing and synchronization， energy saving effect hydraulic system，to meet the working requirements of the working car in various working conditions.

【Key words】Sand removal vehicle；Working car；Hydraulic system；Lifting or lowering

0 引言

蘭新高鐵是中國(guó)西北地區(qū)修建的首條高速鐵路，東起蘭州，途經(jīng)西寧，西至烏魯木齊，全長(zhǎng)1776公里，也是世界上首條修建在高寒風(fēng)沙區(qū)域的高速鐵路。由于車輛運(yùn)行時(shí)速在200公里以上，途經(jīng)風(fēng)沙區(qū)域段時(shí)，沉積到道床上的沙塵將對(duì)線路的運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生不利的影響。GCS-80鐵路道床除沙車是我公司最新研究開(kāi)發(fā)的一種高速鐵路用大型養(yǎng)護(hù)機(jī)械設(shè)備，主要以蘭新高鐵的道床結(jié)構(gòu)及線路運(yùn)行情況為設(shè)計(jì)依據(jù)，用于清除沉積在道床表面的沙塵，保證高鐵車輛在蘭新高鐵線路風(fēng)沙區(qū)域段的正常運(yùn)行。

GCS-80鐵路道床除沙車由主車和工作小車兩部分組成，作業(yè)時(shí)工作小車與主車分離落至軌面上，僅通過(guò)牽引桿與主車相連，由牽引桿牽引向前進(jìn)行作業(yè)。作業(yè)小車可將蘭新高鐵道床板上沉積的沙塵清除，并收集至主車上，再通過(guò)物料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置向后輸送至與之聯(lián)掛的物料運(yùn)輸車上，由物料運(yùn)輸車運(yùn)至指定地點(diǎn)，因此，工作小車是影響整個(gè)除沙車作業(yè)效果的關(guān)鍵部件。主車上的所有執(zhí)行裝置及設(shè)備都采用電力驅(qū)動(dòng)，只有工作小車的提升、下降等采用液壓油缸驅(qū)動(dòng)。

本文主要根據(jù)GCS-80鐵路道床除沙車工作小車的作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了滿足工作小車各種工況下升降要求的液壓系統(tǒng)，有效保證了整車在高鐵線路上的除沙作業(yè)性能。

1 工作小車的基本結(jié)構(gòu)及作業(yè)要求

1.1 工作小車的基本結(jié)構(gòu)

工作小車可分為罩體和小車框架兩個(gè)部分，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。作業(yè)開(kāi)始前，先小車框架與主車分離，下降直到4個(gè)輪子都落在軌面上。然后罩體也與主車分離，下降直到落在小車框架上。此時(shí)，工作小車即可通過(guò)牽引桿被主車?yán)蚯斑M(jìn)行作業(yè)。作業(yè)完成后，先將罩體收到主車上并鎖定，然后再將小車框架也收到主車上鎖定。

罩體是小車的主要工作部件，為保證作業(yè)效果，罩體的下邊緣應(yīng)盡可能貼近道床表面，通過(guò)小車框架控制其最大下降高度。罩體由2個(gè)液壓缸控制其升降，液壓缸位于罩體中間左右兩側(cè)，圖1中2所在的位置。小車框架由4個(gè)液壓缸控制其升降，分別位于4個(gè)小車輪的上方。

1.工作小車框架；2.罩體提升油缸；3.罩體；4.框架提升油缸；5.小車輪；6.軌道

1.2 液壓系統(tǒng)的作業(yè)要求

1.2.1 小車框架的提升和下降

在放小車框架時(shí)，要求小車框架的四個(gè)車輪盡可能同時(shí)落到軌面上；不管是提升還是下降，都要求速度平穩(wěn)，并能夠在任意位置停止。

1.2.2 罩體的提升和下降

罩體在鋼軌和扣件處有緊貼的缺口，作業(yè)時(shí)，罩體的下邊緣需落至軌面以下并貼近道床板，因此，為保證罩體的缺口不與鋼軌碰撞，罩體升降過(guò)程中應(yīng)速度平穩(wěn)，并盡可能保持水平，且能夠在任意位置停止。

1.2.3 提供下壓力

作業(yè)過(guò)程中，工作小車只由牽引桿牽引向前作業(yè)，僅靠自身重力還不足以保證小車在曲線上的運(yùn)行安全，必須給小車提供垂直下壓力，以防止工作小車在曲線作業(yè)時(shí)掉道。

1.2.4 可實(shí)現(xiàn)快速避障

作業(yè)過(guò)程中，罩體與道床板之間只有很小的距離，因此，如不采取措施，線路上只要高出道床表面的結(jié)構(gòu)或設(shè)備都將與罩體發(fā)生碰撞（主要是應(yīng)答器），為避免損壞線路設(shè)備，當(dāng)工作小車經(jīng)過(guò)障礙物前，罩體應(yīng)能快速提升至軌面以上，當(dāng)越過(guò)障礙物后再自動(dòng)放下。

2 液壓系統(tǒng)的組成及工作原理

2.1 液壓系統(tǒng)的組成

根據(jù)工作小車的作業(yè)要求，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

根據(jù)功能及實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作，系統(tǒng)主要可分為4個(gè)組成部分：1）泵源；2）小車框架升降液壓回路；3）罩體升降液壓回路；4）過(guò)濾及冷卻回路。各部分的組成元件及其功能如表1所示。

2.2 工作原理

GCS80鐵路道床除沙車到達(dá)工作地點(diǎn)后，開(kāi)始工作前首先需將工作小車放到軌面，具體步驟及工作原理如下：

1）先啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)液壓泵的電動(dòng)機(jī)，此時(shí)壓力控制閥3處于失電狀態(tài)，系統(tǒng)泄荷，電動(dòng)機(jī)零負(fù)載啟動(dòng)；

2）小車框架升降開(kāi)關(guān)打到下降位，線圈Y1得電使壓力控制閥3處于30bar的低壓狀態(tài)，同時(shí)，電磁閥5的線圈Y3得電使其處于下降位，小車框架下降，直到小車框架的四個(gè)輪子都落到軌面上；小車框架下降開(kāi)關(guān)回中位，根據(jù)在軌信號(hào)，線圈Y1和Y3得電狀態(tài)不變，小車框架升降油缸一直會(huì)給框架一個(gè)下壓力，下壓力的大小由單向減壓閥6設(shè)定。

3）罩體升降開(kāi)關(guān)打到下降位，電磁閥9的線圈Y6得電使其處于下降位，罩體下降，直到罩體落至小車框架上；罩體升降開(kāi)關(guān)回中位，根據(jù)位置信號(hào)，線圈Y6的得電狀態(tài)不變，罩體升降油缸也一直會(huì)有一個(gè)下壓力壓在罩體上，下壓力的大小即為壓力控制閥3設(shè)定的低壓壓力。

小車落到軌面后，整車其他準(zhǔn)備工作完成即可向前進(jìn)行作業(yè)，此時(shí)壓力控制閥3一直處于低壓狀態(tài)，小車框架及罩體升降控制電磁閥5和9都處于下降位，一直有一定的下壓力作用在工作小車上。當(dāng)向前作業(yè)經(jīng)過(guò)有障礙物的路段時(shí)，通過(guò)在司機(jī)室按下快速提升開(kāi)關(guān)，壓力控制閥3的線圈Y2得電，使其切換到高壓狀態(tài)，系統(tǒng)工作壓力升至160bar，同時(shí)，電磁閥9的線圈Y5以及電磁閥12的線圈Y7得電，罩體快速提升至高于軌面設(shè)定的位置；經(jīng)過(guò)障礙物后，快速提升開(kāi)關(guān)復(fù)位，壓力控制閥3的線圈Y1得電，系統(tǒng)工作壓力降至30bar，電磁閥9的線圈Y6得電從而回到下降位，而電磁線圈Y7失電，罩體正常下降至小車框架上。

作業(yè)完成后，工作小車需提升到主車上，并進(jìn)行可靠的鎖定，保證區(qū)間行走時(shí)的安全，具體操作步驟及工作原理如下：

1）罩體升降開(kāi)關(guān)打到上升位，壓力控制閥3的線圈Y2得電切換到高壓狀態(tài)，系統(tǒng)工作壓力升至160bar，同時(shí)，電磁閥9的線圈Y5得電，罩體上升直到鎖定位；罩體升降開(kāi)關(guān)回中位，壓力控制閥3的線圈Y1得電，系統(tǒng)工作壓力降至30bar，同時(shí)，電磁線圈Y5失電。

2）小車框架升降開(kāi)關(guān)打到上升位，壓力控制閥3的線圈Y2得電切換到高壓狀態(tài)，系統(tǒng)工作壓力升至160bar，同時(shí)，電磁閥5的線圈Y4得電，小車框架上升直到鎖定位；小車框架下降開(kāi)關(guān)回到中位，電磁線圈Y2和Y4都失電，系統(tǒng)泄荷。

液壓系統(tǒng)工作過(guò)程中，液壓泵輸出的油液絕大部分都是經(jīng)過(guò)壓力控制閥3回油箱，過(guò)濾器14和散熱器15裝在壓力控制閥的回油路上，對(duì)油液不斷的過(guò)濾和冷卻，從而保證油液的正常質(zhì)量，并使系統(tǒng)的油溫維持在正常的工作溫度范圍之內(nèi)。

3 液壓系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

3.1 無(wú)負(fù)載啟動(dòng)

液壓泵啟動(dòng)時(shí)，壓力控制閥3失電，系統(tǒng)處于泄荷狀態(tài)，因此，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)扭矩小。

3.2 良好的速度控制特性

小車框架及罩體升降回路都采用了節(jié)流調(diào)速閥進(jìn)行調(diào)速，保證其上升或下降的速度平穩(wěn)性。小車框架升降回路在主進(jìn)油路上有進(jìn)油節(jié)流閥，可調(diào)節(jié)小車框架升降的整體速度，同時(shí)，每個(gè)油缸的入口和出口都有回油節(jié)流閥，可以在下降時(shí)平衡小車框架的重力，保證下降速度平穩(wěn)，還可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)對(duì)任意一個(gè)油缸的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)；罩體升降回路在油缸出口和入口的主油路上都設(shè)有回油節(jié)流閥，可方便地對(duì)罩體的升降速度進(jìn)行控制。

同時(shí)，罩體還能夠快進(jìn)行快速提升，實(shí)現(xiàn)快速避障功能。

3.3 同步性好

工作小車框架有4個(gè)升降油缸，分別位于小車的的4個(gè)車輪上方，由于小車的質(zhì)量分布不均，升降時(shí)4個(gè)油缸的受力情況也不同，從而會(huì)造成框架升降油缸運(yùn)動(dòng)時(shí)不同步，雙單向節(jié)流閥組7可單獨(dú)調(diào)節(jié)任何一個(gè)油缸的速度，從而有效控制4個(gè)油缸的同步性。

罩體升降回路上裝有齒輪同步分流馬達(dá)，其同步精度可達(dá)到1.5%-2.5%，并具有良好的重復(fù)精度，可有效保證罩體在升降過(guò)程中的傾斜度，避免罩體在鋼軌處的切口與鋼軌發(fā)生碰撞造成線路或設(shè)備損壞，影響正常的作業(yè)功能。

因?yàn)橄到y(tǒng)具有良好的同步特性，可迅速完成對(duì)工作小車的收放任務(wù)；同時(shí)，不需要停車，在司機(jī)室操作即可反復(fù)實(shí)現(xiàn)罩體快速避障，有效地保證了作業(yè)效率。

3.4 可提供穩(wěn)定可靠的下壓力

工作小車工作過(guò)程中，小車框架和罩體升降油缸都處于下壓狀態(tài)，一直都有一定的下壓力。由于線路的不平順性，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)存在高低起伏變化，從而造成升降油缸無(wú)桿腔的壓力波動(dòng)。罩體下壓力大小等于壓力控制閥3的低壓壓力，采用先導(dǎo)溢流閥控制，響應(yīng)快速，能夠有效保證壓力的穩(wěn)定；設(shè)定小車框架下壓力的減壓閥6為三通型，從泵來(lái)的高壓油通過(guò)減壓閥后會(huì)減壓到設(shè)定的大小，當(dāng)由于小車的高低起伏變化，出口壓力實(shí)然升高超過(guò)設(shè)定值時(shí)，減壓閥會(huì)反向溢流，從而保證出口壓力始終保持恒定狀態(tài)。

恒定的下壓力是保證工作小車安全運(yùn)行的重要保證。

3.5 節(jié)能

通過(guò)壓力控制閥3使系統(tǒng)工作壓力可在高壓和低壓間切換，只有當(dāng)小車框架或罩體提升時(shí)，線圈Y2得電，系統(tǒng)工作壓力才升至160bar，其余工作狀態(tài)下，系統(tǒng)工作壓力都只有30bar，既保證滿足正常的作業(yè)要求，又大大降低了液壓系統(tǒng)的能量消耗，起到了良好的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的升降液壓系統(tǒng)，不僅滿足GCS80鐵路道床除沙車工作小車框架和罩體各種工況下的升降要求，還能為作業(yè)中的工作小車提供穩(wěn)定的下壓力，有效保證了工作小車的運(yùn)行安全性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]左建民.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]路甬祥.液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002 .

[責(zé)任編輯：田吉捷]