ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)平車的研究與設(shè)計(jì)

徐艷麗

(中鐵二十二局集團(tuán)第二工程有限公司，北京　100041)

在高鐵CRTSⅢ型無砟軌道板的生產(chǎn)過程中需要運(yùn)輸大量混凝土，而通常因生產(chǎn)基地的地形限制，2個(gè)制板車間與混凝土攪拌站呈L形布置，造成運(yùn)輸混凝土平車軌道呈十字交叉狀，見圖1。

圖1　生產(chǎn)基地布置示意

根據(jù)CRTSⅢ型無砟軌道板的生產(chǎn)工藝可知，混凝土的運(yùn)輸平車先進(jìn)入縱向軌道上方的混凝土攪拌站裝運(yùn)混凝土罐，裝好車后縱向下行至橫向軌道，再橫向運(yùn)行至2個(gè)制板車間進(jìn)行下一步作業(yè)。因此，需在縱橫向軌道上各配備1輛運(yùn)輸平車，設(shè)備投入費(fèi)用較高。而且該方法裝運(yùn)工序復(fù)雜，操作人員配置數(shù)量多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，運(yùn)輸效率低。

本文基于經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠的原則[1-2]，設(shè)計(jì)ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)平車，以滿足混凝土罐裝運(yùn)及貨物運(yùn)輸要求，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高運(yùn)輸效率。

1　ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)平車

ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)平車是集成了機(jī)械、電氣、液壓等技術(shù)的無砟軌道板生產(chǎn)配套設(shè)備，適用于十字交叉軌道運(yùn)輸。既可裝運(yùn)2滿罐、2空罐，又可裝運(yùn)1滿1空罐，實(shí)現(xiàn)偏載轉(zhuǎn)向。該平車具有頂升、車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向、自動(dòng)對(duì)位落軌槽功能，有效提高了混凝土罐的運(yùn)輸效率，解決了機(jī)動(dòng)平車在運(yùn)輸過程中停車位置不準(zhǔn)、回轉(zhuǎn)與橫向定位不準(zhǔn)及混凝土罐吊回落位不準(zhǔn)的問題[3-6]。

1.1　系統(tǒng)組成

ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)平車主要由機(jī)械部分、蓄電池電源、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成，見圖2。其中，機(jī)械部分可分為走行機(jī)構(gòu)、車體組成、回轉(zhuǎn)與橫向定位裝置。

1-走行機(jī)構(gòu)；2-車體組成；3-混凝土罐；4-回轉(zhuǎn)與橫向定位裝置； 5-蓄電池電源； 6-電氣控制系統(tǒng)；7-液壓系統(tǒng)圖2　ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)平車組成示意(單位：mm)

1.2　主要技術(shù)參數(shù)(見表1)

1.3　機(jī)動(dòng)平車轉(zhuǎn)向定位工作原理

工作原理：①檢查車輛縱向中心與軌道中心是否重合，若不重合可以調(diào)整橫移機(jī)構(gòu)使之重合；②頂升油缸開始工作，當(dāng)機(jī)動(dòng)平車車輪離開鋼軌面約50 mm時(shí)停止工作；③驅(qū)動(dòng)馬達(dá)開始工作，使回轉(zhuǎn)支承轉(zhuǎn)向90°，當(dāng)車體縱向與轉(zhuǎn)向的軌道方向一致時(shí)停止轉(zhuǎn)向；④頂升油缸開始下落，使車輪落入鋼軌。若車輪與鋼軌有少許偏差，可以通過橫移裝置微調(diào)，直至車輪準(zhǔn)確落入鋼軌。

表1　主要技術(shù)參數(shù)

2　主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　車體

車體由型鋼和板材組焊而成，主要由縱梁、大橫梁、小橫梁、邊梁、底板等組成。型材的材質(zhì)為Q235A鋼，板材的材質(zhì)為Q345A鋼。車體的邊梁為承載梁，選用截面高446 mm的H形鋼；縱梁和大橫梁選用截面高200 mm的工字鋼；小橫梁選用角鋼。在車體上平面鋪設(shè)花紋板可以防滑。為保證落罐準(zhǔn)確，車體還應(yīng)設(shè)有限位措施。

2.2　走行機(jī)構(gòu)

走行機(jī)構(gòu)由輪箱安裝座、輪箱、輪對(duì)、傳動(dòng)裝置等組成，是機(jī)動(dòng)平車的支撐與走行執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中，帶電磁制動(dòng)器的永磁直流電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)成傳動(dòng)裝置，并由蓄電池組提供動(dòng)力。機(jī)動(dòng)平車使用時(shí)速度較低，可直接利用電機(jī)的電磁制動(dòng)器制動(dòng)。該制動(dòng)器為失電制動(dòng)，能夠保證駐車時(shí)不溜車。

2.3　回轉(zhuǎn)定位裝置

回轉(zhuǎn)定位裝置由橫移機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)支架和頂升機(jī)構(gòu)組成(見圖3)，主要作用是使機(jī)動(dòng)平車在十字交叉軌道處轉(zhuǎn)向并保證走行輪落軌到位。橫移機(jī)構(gòu)與車體由滑槽聯(lián)接，通過橫向定位油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)車體與回轉(zhuǎn)定位裝置相對(duì)橫移?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)支承和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)組成，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)平車的轉(zhuǎn)向功能。回轉(zhuǎn)支架為鋼結(jié)構(gòu)焊接件，是回轉(zhuǎn)定位裝置中各機(jī)構(gòu)的安裝基礎(chǔ)。頂升機(jī)構(gòu)的頂升油缸缸體連接回轉(zhuǎn)支架，活塞桿連接頂升底座，通過油缸升降實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)車體的頂升[7-8]。

1-橫移機(jī)構(gòu)；2-回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；3-回轉(zhuǎn)支架；4-頂升機(jī)構(gòu)圖3　回轉(zhuǎn)定位裝置結(jié)構(gòu)

2.4　蓄電池電源

蓄電池電源由24節(jié)2 V440 A·h動(dòng)力鉛蓄電池組成，可以輸出48 V和24 V直流電壓。DC48 V為機(jī)動(dòng)平車提供走行電機(jī)和液壓系統(tǒng)電機(jī)用電，DC24 V則提供液壓控制系統(tǒng)和照明用電。

選用48 V/60 A智能充電機(jī)在機(jī)動(dòng)平車空閑時(shí)對(duì)蓄電池組充電并進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)恒流-恒壓階段自動(dòng)轉(zhuǎn)換，有效避免了充電過載。蓄電池組充滿電后，自動(dòng)停止充電。

3　控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1　液壓系統(tǒng)

1-雙聯(lián)泵；2-溢流閥；3-回轉(zhuǎn)電磁閥；4-頂升電磁閥；5-頂升油缸； 6-雙向液壓鎖；7-回轉(zhuǎn)馬達(dá)； 8-橫移油缸圖4　液壓原理

液壓系統(tǒng)主要為回轉(zhuǎn)定位裝置的橫移、回轉(zhuǎn)和頂升提供動(dòng)力，如圖4所示。該液壓系統(tǒng)采用規(guī)格相同的雙聯(lián)泵為動(dòng)力源，由于雙聯(lián)泵排量相同可以實(shí)現(xiàn)平車縱向前后2組頂升油缸同步頂升。2組頂升油缸分別由2組三位四通電磁閥控制升降，升降油缸還配有雙向液壓鎖，在頂升車體的過程中，可以在任意位置停止頂升，且較長(zhǎng)時(shí)間保持位置不變。防止了液壓管漏油或爆管導(dǎo)致車體失速下落，起到安全保護(hù)的作用?；剞D(zhuǎn)支承的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)由雙聯(lián)泵各自的三位四通電磁閥控制2泵合流供油或單獨(dú)供油，可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)速度高速和低速2檔速度。

3.2　電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由走行控制子系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)定位子系統(tǒng)、信號(hào)照明子系統(tǒng)等組成。走行控制電氣原理如圖5 所示。機(jī)動(dòng)平車走行采用遙控器或有線手柄操作。電氣控制柜安裝在車體端部，防護(hù)等級(jí)在IP55以上[9-10]。

圖5　走行控制電氣原理

4　主要部件選型與校核計(jì)算

4.1　走行電機(jī)的選型計(jì)算

機(jī)動(dòng)平車的主要設(shè)計(jì)參數(shù)：機(jī)動(dòng)平車質(zhì)量m0=6 500 kg;附加蓄電池質(zhì)量m1=2×1 100 kg；最大承重為運(yùn)輸2個(gè)混凝土罐，質(zhì)量m2=2×10 000 kg;車輪直徑d=425 mm。

考慮到機(jī)動(dòng)平車在工廠內(nèi)運(yùn)行且沒有曲線和坡道，故機(jī)動(dòng)平車運(yùn)行時(shí)的最大阻力主要由摩擦阻力Fm組成，坡道阻力、曲線阻力和風(fēng)阻力忽略不計(jì)。車輪軸承型號(hào)選用6316-2RZ深溝球軸承，取摩擦阻力系數(shù)ω=0.005，最大爬坡度w=0.005，則機(jī)動(dòng)平車運(yùn)行時(shí)最大阻力Fj為

Fj=(m0+m1+m2)g(ω+w)

(1)

式中，g為9.8 m/s2。

將參數(shù)代入式(1)得到Fj=2.81 kN。

采用走行電機(jī)數(shù)量m=2，電機(jī)同步效率η1=0.95，機(jī)械傳動(dòng)效率η2=0.8，機(jī)動(dòng)平車的設(shè)計(jì)速度v=45 m/min，則走行電機(jī)功率P1為

P1=Fjv/(60×1 000mη1η2)

(2)

將參數(shù)代入式(2)得到P1=1.38 kW。

走行電機(jī)擬選用常州永沛機(jī)電技術(shù)有限公司的直流電機(jī)，型號(hào)為YB90B3-48V/1.5-1500，其額定轉(zhuǎn)速為n0=1 500 r/min，功率P0=1.5 kW。配套減速機(jī)選用常州國茂國泰的GR47-21.81/1500-M5/6型減速齒輪箱，其減速比i1=21.87。

在走行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)齒輪中，小齒輪齒數(shù)n1=23,大齒輪齒數(shù)n2=44，計(jì)算傳動(dòng)比i2=n2/n1=1.91。

走行輪實(shí)際走行速度v3為

v3=πdn0/(i1i2)

(3)

將參數(shù)代入式(3)得到v3=47.92 m/min，與設(shè)計(jì)速度45 m/min接近，符合要求。

4.2　液壓系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)匹配計(jì)算

初選液壓系統(tǒng)額定壓力Pn=11 MPa，頂升油缸選型為100/70缸，即缸徑D1=100 mm，活塞桿徑d1=70 mm，行程L1=85 mm。橫移油缸選型為80/40缸，即缸徑D2=80 mm，活塞桿徑d2=40 mm，行程L2=120 mm。回轉(zhuǎn)馬達(dá)排量為250 mL/r。

1)頂升油缸的參數(shù)計(jì)算

頂升力總和為

Fd0=(m0+m1+m2)g

(4)

將參數(shù)代入式(4)得到Fd0=281 260 N。

因油缸數(shù)量為4個(gè)，則單油缸頂升力Fd1為 70 315 N，且作用面積為無桿腔。頂升油缸的工作壓力Pd1為

(5)

將參數(shù)代入式(5)得到Pd1=8.95 MPa

頂升油缸速度v4=400 mm/min，則頂升油缸的流量Qd1和功率Wd1分別為

(6)

Wd1=Pd1·Qd1

(7)

將參數(shù)代入式(6)和式(7)得到Qd1=3.14 L /min，Wd1=0.47 kW。

2)橫移油缸的參數(shù)計(jì)算

橫移摩擦因數(shù)μ=0.1，則橫移油缸的頂升力Fdh為

Fdh=(m1+m2+m3)gμ

(8)

將參數(shù)代入式(8)得到Fdh=28 126 N。

橫移油缸縮回工作面積為有桿腔，工作壓力高為惡劣工況。因此，應(yīng)校核油缸縮回情況，則橫移油缸的工作壓力Pdh為

(9)

將參數(shù)代入式(9)得到Pdh=7.46 MPa

橫移油缸速度v5=1 000 mm/min，則橫移油缸的流量Qdh和功率Wdh分別為

(10)

Wdh=Pdh·Qdh

(11)

將參數(shù)代入式(10)和式(11)得到Qdh=3.77 L /min，Wdh=0.47 kW。

3)回轉(zhuǎn)馬達(dá)的參數(shù)計(jì)算

回轉(zhuǎn)馬達(dá)型號(hào)為BM3-250擺線馬達(dá)，排量vm=252 mL /r。轉(zhuǎn)盤采用江陰華方SE21-125回轉(zhuǎn)式減速器，減速比i0=125，在Pe0=11 MPa額定工況下輸出轉(zhuǎn)矩Me0=21.9 kN·m。機(jī)動(dòng)平車回轉(zhuǎn)時(shí)，最大計(jì)算阻力矩為Mm=15.2 kN·m,則回轉(zhuǎn)馬達(dá)的工作壓力Pm為

Pm=MmPeo/Me0

(12)

將參數(shù)代入式(12)得到Pm=7.6 MPa

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速ne0=0.5 r/min，馬達(dá)容積率ηv=0.9，則回轉(zhuǎn)馬達(dá)的流量Qm和功率Wm分別為

Qm=i0vmne0/ηv

(13)

Wm=PmQm/(60ηv)

(14)

將參數(shù)代入式(13)和式(14)得到Qm=17.4 L /min，Wm=2.5 kW。

4)液壓系統(tǒng)泵和電機(jī)的選型

由于頂升、橫移、回旋3個(gè)動(dòng)作均單獨(dú)動(dòng)作且互鎖，回旋為流量與功率最大工況，考慮泵的容積效率為0.9，則泵的計(jì)算流量為19.33 L /min。采用CBWL-E306/E306-ALPR型液壓泵，排量為6.3×2 mL /r，壓力等級(jí)為16 MPa。選擇功率為4 kW的電機(jī)，采用YB90B3-48V/4.0-1500型直流電機(jī)。

4.3　機(jī)動(dòng)平車回轉(zhuǎn)時(shí)抗傾覆計(jì)算

機(jī)動(dòng)平車在運(yùn)輸混凝土罐的過程中主要有4種裝載形式:2個(gè)滿混凝土罐;1個(gè)空混凝土罐，1個(gè)滿混凝土罐;只有1個(gè)空混凝土罐;只有1個(gè)滿混凝土罐。由此可知，抗傾覆計(jì)算中最不利工況為“只有1個(gè)滿混凝土罐”，此時(shí)平車回轉(zhuǎn)最容易傾覆。該工況下的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6所示。圖中參數(shù)：平車質(zhì)量m0=6 500 kg，單個(gè)蓄電池組質(zhì)量m11=1 100 kg，單個(gè)混凝土罐質(zhì)量(滿載)m21=10 000 kg，L3=715 mm，L4=125 mm，L5=1 675 mm，L6=3 105 mm。

圖6　抗傾覆計(jì)算簡(jiǎn)圖

運(yùn)輸車?yán)@頂升裝置底座右側(cè)A點(diǎn)最容易發(fā)生傾覆，則左端和右端繞傾覆點(diǎn)A的轉(zhuǎn)矩Mz和My分別為

Mz=m0gL3+m11gL6

(15)

My=m21gL4+m11gL5

(16)

將參數(shù)代入式(15)和式(16)得到Mz=79 017 N·m，My=30 306 N·m，Mz>My，故運(yùn)輸車不會(huì)發(fā)生傾覆，且安全冗余量較大。

5　應(yīng)用效果

2016年3月完成了ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)平車的方案和生產(chǎn)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，已在制板車間投入使用。ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)平車見圖7。該車在京沈高鐵軌道板項(xiàng)目投入運(yùn)行以來，能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)向通過十字交叉軌道，車輛運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好，滿足了混凝土罐裝運(yùn)及貨物運(yùn)輸?shù)囊?，并為運(yùn)輸提供了可靠保證。

圖7　ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)平車

6　結(jié)語

ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)平車具有頂升、車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向、自動(dòng)對(duì)位落軌槽功能，實(shí)現(xiàn)了混凝土罐在十字交叉軌道上運(yùn)輸?shù)哪康?，具有以下?yōu)點(diǎn)：①自帶轉(zhuǎn)向功能無需輔助裝置，為用戶節(jié)約了成本，操作簡(jiǎn)單，提高了混凝土罐的運(yùn)輸效率；②液壓和電氣系統(tǒng)均配置了過載保護(hù)，可確保設(shè)備和人員安全；③回轉(zhuǎn)和走行操作均采用無線遙控控制，操作人員可以在最佳觀測(cè)位置操作，且不受空間限制，提高了操作效率。

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