GMC-96x型鋼軌打磨車恒速走行系統(tǒng)改進研究

李抗

（金鷹重型工程機械有限公司，湖北襄陽 441001）

0 引言

鋼軌打磨車是目前高鐵養(yǎng)護的重要設備，其中GMC-96x型鋼軌打磨車是我國鋼軌打磨主力車型之一，其作業(yè)裝置包含96個高速旋轉的磨頭，在車輛恒低速運行過程中，利用高速旋轉的砂輪對鋼軌頭表面進行磨削，可對新鋼軌進行預防性打磨，去除表面銹蝕和氧化皮等［1-3］；對在役鋼軌進行修復性打磨，消除波浪磨耗和表面微裂紋等，同時恢復鋼軌軌面廓形。為保證打磨作業(yè)精度，打磨車作業(yè)過程中需保證車輛走行速度恒定，采用液壓驅動恒速走行系統(tǒng)［4-6］。GMC-96x型鋼軌打磨車使用初期出現(xiàn)了多次走行系統(tǒng)速度波動較大的問題，對設備使用造成影響。

1 液壓恒速走行系統(tǒng)原理

GMC-96x型鋼軌打磨車液壓恒速走行系統(tǒng)包含2套相同的液壓回路。單套恒速液壓走行回路原理見圖1。

與目前主流采用閉式液壓系統(tǒng)實現(xiàn)車輛恒速走行不同，該車采用開式液壓系統(tǒng)控制車輛恒速走行，在車輛下坡液壓制動時，液壓馬達出口熱油全部經(jīng)散熱器后，再回液壓油箱，避免了閉式走行系統(tǒng)發(fā)熱問題［7-8］。

圖1 單套恒速液壓走行回路原理

GMC-96x型鋼軌打磨車液壓恒速走行系統(tǒng)包含2套相同的液壓回路，單套恒速液壓走行回路中，系統(tǒng)采用2個排量為180 mL/r的電比例液壓油泵（圖1中1.1，1.2）驅動4個160 mL/r的電比例液壓馬達（圖1中8.1，8.2，8.3，8.4），4個走行液壓馬達共同驅動車輛的3根動軸，通過改變走行液壓油泵或走行液壓馬達的控制電流，實現(xiàn)車輛在0～24 km/h無級調速，通過控制電液換向閥6的換向實現(xiàn)車輛走行方向切換。先導式溢流閥4用于設定走行系統(tǒng)最高壓力，防止因系統(tǒng)壓力過高而損壞元件。直動式溢流閥7作為安全閥，保護走行液壓馬達的瞬間壓力不超過允許值。回油路上設置1個電比例溢流閥5，用于提供可控的背壓，平衡車輛下坡階段的車重分力，實現(xiàn)車輛恒速下坡。電磁換向閥3用于先導式溢流閥4的卸荷，從而達到系統(tǒng)卸荷的目的。

具體控制模式為：車輛走行時，先在車輛控制面板輸入1個介于0～24 km/h的設定速度，作為恒速控制的目標車速，推動走行手柄后，車輛走行控制系統(tǒng)緩慢增加走行油泵（1.1，1.2）排量控制電壓，從而實現(xiàn)走行油泵排量的緩慢增加，當車速達到設定速度后，停止走行油泵的變量；當走行油泵控制電壓至最大值時，若車速仍未達到設定目標值，則控制系統(tǒng)緩慢增加走行馬達（8.1，8.2，8.3，8.4）排量控制電壓，減小走行馬達排量，從而實現(xiàn)車速的繼續(xù)增加；當車速達到設定目標速度后，控制系統(tǒng)停止對走行油泵及走行馬達排量的調整，從而實現(xiàn)車輛以設定速度恒速運行；當車輛下坡時，可通過增大電比例溢流閥的控制電流使走行馬達產(chǎn)生適當?shù)闹苿恿?，平衡車輛下坡階段的車重分力，維持車輛以設定速度運行。

2 液壓恒速走行系統(tǒng)故障現(xiàn)象

GMC-96x型鋼軌打磨車正常作業(yè)情況下，設定速度通常為14～18 km/h，遇作業(yè)線路坡道較大情況時，限于車輛的大坡道爬坡及液壓制動能力，設定速度需要降低至12 km/h，否則可能會出現(xiàn)上坡動力不足欠速、下坡制動力不足超速的情況，導致車輛無法維持恒速。但在車輛使用過程中，有反饋車輛在大坡道12 km/h速度作業(yè)時，仍存在速度波動較大的情況，極端情況下甚至會出現(xiàn)因速度波動過大導致無法作業(yè)的現(xiàn)象，對設備的正常使用造成影響［9-10］。

在長暉城際鐵路線上，車輛設置12 km/h作業(yè)速度記錄曲線，車速出現(xiàn)了較大波動情況，無法維持車輛恒速（見圖2）。

圖2 速度波動曲線

曲線分段分析如下：

（1）記錄數(shù)據(jù)在前91 s，車輛恒速控制較好，車速基本穩(wěn)定在11.5 km/h左右，波動范圍為±0.2 km/h；

（2）記錄數(shù)據(jù)在第91～136 s，此時車輛由3‰下坡逐漸轉入20‰下坡，車輛速度開始出現(xiàn)緩慢超速現(xiàn)象；

（3） 記錄數(shù)據(jù)在第 136～147 s，車輛超速至12.7 km/h之后，控制系統(tǒng)經(jīng)過調節(jié)，使車輛速度快速下降至設定速度以內(nèi)；

（4） 記錄數(shù)據(jù)在第 145～170 s，車速降至約11.7 km/h后，又迅速出現(xiàn)超速情況，最大超速達1 km/h；

（5）記錄數(shù)據(jù)在第170 s之后，車速進入一個循環(huán)波動狀態(tài)，車速無法穩(wěn)定，速度與設定值最大偏差為1.7 km/h，速度波動范圍±1.1 km/h，車速需經(jīng)較長時間振蕩后才可進入穩(wěn)定狀態(tài)，尤其在車輛下坡過程中，車速進入穩(wěn)定狀態(tài)后恒速保持能力也較差，仍有再次進入速度振蕩狀態(tài)的可能性，與使用要求存在較大差距。

現(xiàn)場測試的走行系統(tǒng)壓力（藍線）及背壓（紅線）的波動情況見圖3，測試結果表明，在車速波動階段，走行系統(tǒng)壓力及背壓均存在較大的波動情況。比較典型的是在46：40之后的一段時間，走行壓力與系統(tǒng)背壓交替波動，車輛走行速度無法維持恒速。

圖3 壓力波動曲線

3 液壓恒速走行系統(tǒng)分析

針對上述現(xiàn)象，研發(fā)組先后共優(yōu)化控制策略約十幾個版本，但車輛大坡道速度波動的情況仍無法得到較好解決，且車輛在平直道及小坡道恒速走行時，恒速保持比較穩(wěn)定，并且新車恒速穩(wěn)定性也較好，結合上述現(xiàn)象，初步分析可能為車輛走行動力設計裕量偏小，導致車輛在元件效率降低或設定速度在允許臨界值時，無法維持車輛恒速［11］。

3.1 走行動力不足與打磨車恒速關系

GMC-96x型鋼軌打磨車整車質量約460 t，對車輛液壓系統(tǒng)的上坡牽引力及下坡制動力要求較高，同時對車輛最高車速也有較高要求，為了兼顧大坡道牽引力及小坡道最高車速的需求，設計時選用了電比例排量控制液壓馬達。液壓馬達的輸出扭矩由其壓差與排量2個因素決定，在車輛走行液壓系統(tǒng)中，上坡階段，系統(tǒng)中走行液壓馬達的最大壓差是確定值，即上坡牽引力由液壓馬達排量決定；下坡階段，走行液壓馬達的最大制動扭矩由液壓馬達排量及電比例溢流閥的設定值共同決定。

當車輛到達圖2所示3‰下坡逐漸轉入20‰下坡時，車輛運行阻力突變，車輛會出現(xiàn)短暫超速情況，此時控制系統(tǒng)加大走行馬達的排量，降低走行速度，同時提高走行馬達的制動能力，車輛減速能力比較充足（液壓馬達制動扭矩充足），從而使車速基本按控制節(jié)奏降速，車速波動下限只是略低于目標車速；當車速低于目標車速后，控制系統(tǒng)減小馬達排量，同時對走行馬達背壓進行調整，調整過程中，會因車輛加速能力不足，出現(xiàn)走行馬達排量超調至過小的排量，此時如果坡道較大、車速設定值又較高時，處于較小排量下的走行馬達扭矩將不足以平衡車輛在大坡道條件下沿坡道方向的重力分力，出現(xiàn)車速大幅高于目標車速的情況；之后重復上述過程，使車速進入圖2所示的劇烈波動惡性循環(huán)狀態(tài)。

結合試驗數(shù)據(jù)及上述分析，導致大坡道車速振蕩的原因與車輛牽引加速能力裕量偏小有較大關系，在液壓元件效率降低或設定速度在允許臨界值時，無法維持車輛恒速，需對車輛走行能力進行重新校核。

3.2 走行系統(tǒng)恒速運行狀態(tài)計算

以20‰坡道計算校核車輛走行能力，按設計能力，GMC-96x型鋼軌打磨車在20‰坡道作業(yè)時，恒速走行速度應可達到13 km/h。

為了方便計算，簡化GMC-96x型鋼軌打磨車為一個整體，并且只考慮車輛在20‰坡道條件下以13 km/h運行時，車輛的運行阻力、坡道附加阻力及作業(yè)阻力等參數(shù)如下：整車質量G=460t，動軸輪徑D=0.84m，馬達至車輪傳動比Z=19，油泵轉速n=1900r/min，液壓油泵數(shù)量nP=4，液壓油泵、馬達容積效率ηV=0.95，液壓油泵、馬達機械效率ηm=0.94，液壓馬達數(shù)量nM=8，坡道坡度i=20‰，目標速度v=13km/h，打磨作業(yè)阻力FZ=20kN，設馬達壓差ΔP=27MPa。則運行阻力：

坡道附加阻力［12］：

列車運行總阻力：

需單個液壓馬達扭矩：

需液壓馬達排量：

液壓馬達轉速：

實際液壓馬達排量：

液壓馬達計算余量：

計算結果表明，以車輛運行狀態(tài)計算，GMC-96x型鋼軌打磨車在20‰坡道條件下以13 km/h運行時車輛動力充足，余量約有20.5%。

3.3 走行系統(tǒng)加速運行狀態(tài)計算

按上述計算結果，車輛大坡道條件下的運行牽引力充足，主要考慮車輛在大坡道上進行恒速調整時，減速度所產(chǎn)生的影響。

GMC-96x型鋼軌打磨車程序設定加速度約為a=0.04m/s2，則加速牽引力：

加速牽引力占運行阻力的比率：

由上述計算可知，在考慮加速運行的條件下，液壓馬達的余量（20.5%）已基本耗盡，當車輛走行系統(tǒng)液壓元件狀態(tài)稍有變化，就極有可能出現(xiàn)走行動力不足的情況。

3.4 解決方案

分析表明，車輛速度波動是因為車輛走行系統(tǒng)牽引力裕量不足導致，因此最直接的解決方案就是增大液壓系統(tǒng)走行功率，將原來4個排量為180 mL/r的油泵，更改為6個排量為140 mL/r的油泵，并將油泵轉速自1 900 r/min提高到2 000 r/min，使走行功率直接增加22%以上，并又適當優(yōu)化了車輛加速策略。改動完成后，在丹江大壩線進行了多次試驗，試驗速度10～13 km/h，試驗效果較好，13 km/h試驗記錄如下：

車輛在28‰坡道起步，在26‰～28‰坡道全程13 km/h速度爬坡，速度與設定值最大偏差為-0.4 km/h，速度波動范圍±0.30 km/h（見圖4）。

圖4 26‰～28‰坡道爬坡速度曲線

車輛以13 km/h速度從28‰上坡轉6‰下坡，速度與設定值最大偏差為0.7 km/h，速度波動范圍±0.35 km/h（見圖5）。

圖5 28‰上坡轉6‰下坡速度曲線

車輛以13 km/h速度從6‰上坡轉28‰下坡，速度與設定值最大偏差為±0.2 km/h，速度波動范圍±0.20 km/h（見圖6）。

圖6 6‰上坡轉28‰下坡速度曲線

4 結束語

在采用電比例排量控制的液壓傳動系統(tǒng)中，因電比例控制信號的增減速率固化了車輛的加速性能，設計計算時需考慮車輛加速所需的牽引力，按照該思路重新校核匹配了GMC-96x型鋼軌打磨車液壓恒速走行系統(tǒng)，經(jīng)在丹江大壩線大坡道上試驗，車輛在28‰坡道上坡、28‰上坡轉6‰下坡、6‰上坡轉28‰下坡等條件下，均可滿足13 km/h速度的恒速運行，速度波動范圍在±0.35 km/h，較好地解決了該車在大坡道恒速走行階段速度波動較大的問題。同時，其他采用電比例調速的液壓系統(tǒng)中，加速性能校核及控制策略制定時，也可參考該思路，可更好地避免系統(tǒng)振蕩。