旦增格桑 石瑾 呂海濤
摘 要:我國鐵路事業(yè)在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)高速發(fā)展,列車事故頻繁,因而實現(xiàn)快速、及時的救援就成為了重要的研究課題。在鐵路起重機(jī)長時間持續(xù)工況下,會導(dǎo)致液壓油油溫升高,進(jìn)一步影響其工作時間,使其可靠性降低。本文系統(tǒng)分析了鐵路起重機(jī)在循環(huán)工況下,起升、回轉(zhuǎn)、帶載變幅階段產(chǎn)生熱量的情況。
關(guān)鍵詞:鐵路起重機(jī);循環(huán)工況;起升;回轉(zhuǎn);帶載變幅
中圖分類號:TH218 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-2064(2018)08-0091-02
1 引言
鐵路起重機(jī),又稱為軌道起重機(jī),其僅能在鐵路軌道上運(yùn)行,按用途分救援和裝卸兩種,本文所研究的是救援用起重機(jī),其主要是實現(xiàn)鐵路車輛顛覆和脫軌事故救援任務(wù),其絕大部分最大起重在125噸以上[1]。
時下,我國鐵路事業(yè)在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)高速發(fā)展,列車事故頻繁,因而實現(xiàn)快速、及時的救援就成為了重要的研究課題。在鐵路起重機(jī)長時間持續(xù)工況下,會導(dǎo)致液壓油油溫升高,進(jìn)一步影響其工作時間,使其可靠性降低。如何降低循環(huán)工況下的起重機(jī)產(chǎn)熱量,進(jìn)而合理控制系統(tǒng)熱平衡,成為研究重點[2]。本文系統(tǒng)分析了鐵路起重機(jī)循環(huán)工況下的產(chǎn)熱量。
2 產(chǎn)熱分析
鐵路起重機(jī)在進(jìn)行救援時,其需由機(jī)車牽拉至事故現(xiàn)場,然后自行移動到適當(dāng)?shù)奈恢?,根?jù)現(xiàn)場的情況和吊重來選擇伸支腿位置,利用相關(guān)系統(tǒng)將上車位置調(diào)至水平,之后確定吊臂的變幅角度、伸出長度以及配重[3];將被吊物體固定至吊鉤,開動起升馬達(dá)將被吊重物提升至預(yù)定高度;在回轉(zhuǎn)馬達(dá)開啟后,將上車回轉(zhuǎn)至預(yù)定角度,同時可以在允許條件下進(jìn)行帶載變幅,來調(diào)整被吊物體的水平方位;操控起升控制手柄,把重物放于設(shè)定的位置;需要注意的是,在電氣化鐵路的接觸網(wǎng)或者隧道內(nèi),需帶載伸縮用來調(diào)節(jié)重物的水平方位。在進(jìn)行實際救援操作時,通常鐵路起重機(jī)要進(jìn)行多個批次的工作循環(huán),每個循環(huán)由起升、回轉(zhuǎn)、帶載變幅以及伸縮變幅構(gòu)成。
通過對鐵路起重機(jī)的一般工作流程進(jìn)行簡要介紹,可以確定:液壓系統(tǒng)中均載部分、伸支腿部分、各輔助液壓缸和重鐵部分是一些準(zhǔn)備性的工作,在循環(huán)工作過程中會保持不變,因而不會產(chǎn)生大量的熱量。帶載伸縮和帶載變幅能夠改變重物和回轉(zhuǎn)中心的幅度值,不需要同時進(jìn)行,本文只以帶載變幅為案例。
綜上可以確定,鐵路起重機(jī)的液壓系統(tǒng)溫升主要是由起升、回轉(zhuǎn)和帶載變幅引起的。本文正式基于這點來進(jìn)行研究的。根據(jù)國家鐵路起重機(jī)試驗規(guī)定,設(shè)定一個循環(huán)工作總用時600秒,其中起升290秒,回轉(zhuǎn)50秒,變幅260秒。
2.1 帶載變幅工況
通過吊臂的帶載變幅,以實現(xiàn)對重物進(jìn)行徑向移動[4]。通常汽車起重機(jī)極限帶載變幅是在0.7倍最大載重下進(jìn)行的,絕大部分鐵路起重機(jī)可進(jìn)行額定載重帶載變幅的能力,即在限定的工作幅度內(nèi),進(jìn)行全載變幅,從而對重物實現(xiàn)水平移動。油缸伸出階段,變幅多路閥啟動,油液通過多路閥流向變幅油缸無桿腔,與此同時,通過壓力油來控制有桿平衡節(jié)流口的反向開啟,油缸實現(xiàn)平穩(wěn)伸出。油缸縮回階段,多路閥調(diào)節(jié)至收縮側(cè),油液正向流入無桿腔,同時啟動無桿腔平衡閥和液壓鎖,使得油缸縮回,通過平衡閥節(jié)流口將重物的勢能轉(zhuǎn)為熱能。
在變幅階段中,主要產(chǎn)生熱量的部分為:油缸功率損失,管路壓力損失,合流閥壓力損失,兩側(cè)平衡閥開啟損失和節(jié)流損失。
2.2 回轉(zhuǎn)工況
回轉(zhuǎn)系統(tǒng)通常是閉式系統(tǒng),通過雙向流量泵來供油,通過轉(zhuǎn)向閥來切換回轉(zhuǎn)模式,本文為雙馬達(dá)共同回轉(zhuǎn),通過閉式泵的控制閥來調(diào)控馬達(dá)啟動和調(diào)速。這個階段產(chǎn)熱為回轉(zhuǎn)緩沖、回轉(zhuǎn)制動和油液補(bǔ)償[5]。
在回轉(zhuǎn)緩沖階段,正常制動時,泵是不供油的,在轉(zhuǎn)動慣量及自重的影響下,對馬達(dá)造成的沖擊較大,因而在液壓回路中,馬達(dá)高壓側(cè)液壓油通過雙向回轉(zhuǎn)緩沖閥流向低壓側(cè),從而使得兩側(cè)壓差減小,馬達(dá)慢慢關(guān)閉,實現(xiàn)緩沖[6]。在這個過程中,緩沖閥節(jié)流口使得上車轉(zhuǎn)動慣量慢慢降低,直到轉(zhuǎn)動停止,此過程動能轉(zhuǎn)化為了熱能[7]。
在回轉(zhuǎn)制動階段,回轉(zhuǎn)制動分為緊急回轉(zhuǎn)制動和正?;剞D(zhuǎn)制動。緊急制動是在發(fā)生意外狀況時,關(guān)閉馬達(dá)制動器的控制閥,在彈簧作用下將制動器關(guān)閉,實現(xiàn)制動,緊急制動會產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊,系統(tǒng)產(chǎn)熱增加。正常制動是將伺服閥調(diào)到中位,此時變量控制閥的兩側(cè)壓力等同,斜盤傾角變零,泵停止排油[8]。
在油液補(bǔ)償階段,為了實現(xiàn)馬達(dá)兩側(cè)的供油量,在變量泵的兩側(cè)設(shè)置雙向補(bǔ)油單向閥,當(dāng)制動或系統(tǒng)中油液不足時,用補(bǔ)油泵來補(bǔ)油。
綜上所述,在回轉(zhuǎn)工況下,主要的產(chǎn)熱為:制動狀態(tài)下回轉(zhuǎn)緩沖閥節(jié)流損失,管路的局部損失和沿程損失,定量馬達(dá)和變量泵的容積損失和機(jī)械損失[9]。
2.3 起升工況
由于被吊重物重量大且差距大,如客車車廂一節(jié)為40噸,機(jī)車為100噸,為了達(dá)到吊鉤在重載時運(yùn)行速度低和輕載時運(yùn)行速度高,鐵路起重機(jī)通常采用雙馬達(dá)結(jié)構(gòu)(主卷揚(yáng)馬達(dá)系統(tǒng)和副卷揚(yáng)馬達(dá)系統(tǒng))、雙卷筒結(jié)構(gòu)。兩控制閥分別控制兩個馬達(dá),且其之間有合流閥,可以在空載情況下進(jìn)行合流供油,以提高吊鉤升、降速度。本文研究了系統(tǒng)在極限工作狀況下的熱性質(zhì),深入分析了整個系統(tǒng)在起升時的動作過程及產(chǎn)生的熱量,工況條件為:同時雙馬達(dá)開動和合流閥開啟[10]。
(1)在起升階段,啟動起升控制多路閥,通過泵將液壓油經(jīng)主閥運(yùn)輸至平衡閥,平衡閥正向啟動,將油液輸入到起升馬達(dá)上升側(cè),驅(qū)動馬達(dá)開始運(yùn)轉(zhuǎn),經(jīng)由滑輪組和減速器,將重物吊起。該工作過程中產(chǎn)生的熱量包括:合流閥和平衡閥開啟壓力損失、平衡閥和多路閥的節(jié)流損失、管路中局部損失和沿程損失、起升馬達(dá)的功率損失和恒功率泵的損失[11]。(2)在降落階段,操作控制多路閥到下降側(cè),液壓油經(jīng)主閥進(jìn)入馬達(dá)下降側(cè),同時反向開啟壓力控制平衡閥,回油側(cè)平衡閥使得重物平穩(wěn)下降,進(jìn)油側(cè)的壓力決定了平衡閥節(jié)流口大小。在此過程中,由能量守恒定律可知,重物勢能的降低和泵產(chǎn)生的液壓能,一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,另一部分轉(zhuǎn)化為大量的熱量[12]。(3)在馬達(dá)制動階段,起升和降落使得馬達(dá)制動兩次,制動過程中,液壓油流回油箱,熱量損失主要為溢流損失。
3 結(jié)語
鐵路起重機(jī)的液壓系統(tǒng)在循環(huán)工作時,其能量大部分用來支持執(zhí)行元件做功,剩余損失部分會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?,?dǎo)致油液溫升。泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)為液壓能,缸和馬達(dá)將液壓能轉(zhuǎn)為機(jī)械能,這兩次的能量轉(zhuǎn)變均存在機(jī)械損失和容積損失;此外,在能量傳遞過程中,各執(zhí)行元件均會產(chǎn)生壓力損失,這些損失將會導(dǎo)入液壓油,致使其溫度升高。運(yùn)用仿真軟件對產(chǎn)熱部位進(jìn)行優(yōu)化仿真,來評價系統(tǒng)熱平衡特性,同時根據(jù)理論上的分析結(jié)果,對仿真參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,最終能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)熱特性的優(yōu)化[13]。
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