鋼軌激光強(qiáng)化車的研究

鄭 燕

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北 武漢 430063)

0 引言

隨著我國鐵路的提速，重載運(yùn)行和鐵路行車密度的不斷增大，鋼軌的負(fù)擔(dān)日益加重。目前我國鋼軌出現(xiàn)了鋼軌側(cè)磨、波磨、壓潰等各種損傷形式，尤其小半徑曲線鋼軌及道岔更為嚴(yán)重，已成為制約我國進(jìn)一步提高軌道運(yùn)輸能力的瓶頸，因而發(fā)展高性能激光表面強(qiáng)化技術(shù)勢在必行[1]。

鋼軌表面激光淬火車是一種集機(jī)、電、液、測控為一體的實(shí)用新型產(chǎn)品，以自帶發(fā)電機(jī)組為動力源，小車走行以液壓系統(tǒng)驅(qū)動，既能滿足直線段鋼軌表面的淬火作業(yè)，也能適應(yīng)小曲線段鋼軌表面的淬火作業(yè)[2-3]。下文僅對鋼軌表面激光淬火車的車輛進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

1 車輛總體布置及主要結(jié)構(gòu)

1.1 車輛構(gòu)成

鋼軌表面激光淬火車主要由動力集裝箱和作業(yè)集裝箱組成。動力集裝箱包括司機(jī)室和動力間，司機(jī)室內(nèi)設(shè)置有操作臺，實(shí)現(xiàn)操作人員在車上對激光淬火作業(yè)機(jī)構(gòu)的操控；動力間安裝有柴油發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)對整車的電力供應(yīng)。作業(yè)集裝箱包括作業(yè)間和設(shè)備間Ⅰ、設(shè)備間Ⅱ，作業(yè)間設(shè)置有作業(yè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對線路上鋼軌表面激光淬火的作業(yè)功能；設(shè)備間Ⅰ設(shè)置有激光器、機(jī)器人電柜和機(jī)器人控制柜，實(shí)現(xiàn)對作業(yè)機(jī)器人的控制；設(shè)備間Ⅱ設(shè)置有冷水機(jī)和空壓機(jī)，實(shí)現(xiàn)對激光器的冷卻，及作業(yè)中對壓縮空氣的需求。激光淬火車的平面布局如圖1所示。

圖1 鋼軌表面淬火小車內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 作業(yè)單元

作業(yè)單元主要由作業(yè)機(jī)器人、激光器、機(jī)器人電柜、水冷機(jī)、穩(wěn)壓柜、空壓機(jī)、電控柜等組成(見圖2)，為滿足作業(yè)機(jī)器人符合地鐵、國鐵的限界等相關(guān)要求，減小車輛震動對激光頭精度的影響，在機(jī)器人底座和作業(yè)單元底框上做了減震設(shè)計(jì)。

圖2 鋼軌表面淬火作業(yè)單元布置圖

1.3 動力單元

動力單元由發(fā)電機(jī)組、操作臺、液壓站、電控柜等組成(見圖3)，發(fā)電機(jī)組為整車提供持續(xù)動力。

圖3 鋼軌表面淬火動力單元布置圖

1.4 走行機(jī)構(gòu)

走行機(jī)構(gòu)(見圖4)包含牽引梁、牽引軸、走行架構(gòu)、走行電機(jī)、升降油缸、走行輪對等構(gòu)成，其中牽引梁與平車焊接。整個(gè)走行機(jī)構(gòu)為鋼軌表面激光淬火小車提供50×(1±5%)m/h的走行速度。

圖4 走行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

走行機(jī)構(gòu)工作原理如下：鋼軌表面激光淬火車到達(dá)工作區(qū)域后，啟動升降油缸將走行架構(gòu)放下，使走行輪對與鋼軌表面接觸，當(dāng)走行輪對與鋼軌緊密接觸后啟動走行電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動走行輪對，走行輪對帶動牽引軸，牽引軸帶動牽引梁平穩(wěn)、勻速運(yùn)動。

2 主要技術(shù)參數(shù)

激光淬火車的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 激光淬火車主要技術(shù)參數(shù)

3 曲線通過性分析研究

3.1 幾何曲線通過能力研究

車輛的參數(shù)如下：軌距A=1 435 mm；輪對內(nèi)側(cè)距B=1 359 mm；輪緣厚度t=32 mm；直線上鋼軌內(nèi)側(cè)與輪緣外側(cè)的全間隙σ=A-(B+2t)=12 mm；曲線上軌距加寬量Δ=15 mm(R<300 m時(shí))，Δ=5 mm(300≤R<350 m時(shí))；輪對自由橫動量a=3 mm；轉(zhuǎn)向架固定軸距l(xiāng)=1 800 mm；車輛定距L=14 000 mm；車輛總質(zhì)量G=25 t。

3.2 通過能力的計(jì)算

通過對輪對轉(zhuǎn)心位置的計(jì)算以及轉(zhuǎn)向架對車體的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向架對外軌的沖角，進(jìn)行車輛的通過能力計(jì)算

x2=x1-1 800=1 267 mm。

轉(zhuǎn)向架對車體的轉(zhuǎn)角和對外軌的沖角分別為：

最終得到

θ為轉(zhuǎn)向架相對車體的轉(zhuǎn)角，根據(jù)結(jié)構(gòu)可以取3°。

經(jīng)計(jì)算，Rmin=99.1 m。

根據(jù)上述計(jì)算表明：車輛可以幾何通過半徑為100 m的曲線。

3.3 動力曲線通過的計(jì)算

以下計(jì)算通過100 m曲線的動力學(xué)性能。

3.3.1曲線上轉(zhuǎn)向架的受力

(1)未平衡離心力

(1)

式中：C為轉(zhuǎn)向架上未平衡離心力；

G為整備質(zhì)量(含平車)，取245 kN；

h為曲線外軌超高度，取120 mm；

2s為左右滾動圓距離，取1 499 mm；

V為通過曲線速度，按表2速度欄取值；

R為通過曲線半徑，取100 m。

(2)各輪摩擦力的橫向分力和縱向分力：

(2)

式中：ui為車輪摩擦力的橫向分力；

Hi為車輪摩擦力的縱向分力；

xi為第i軸的轉(zhuǎn)心距；

μ為輪軌間的摩擦因數(shù)，取μ=0.25；

Q為輪荷重，取30.625 kN。

3.3.2輪軌間的作用力

(1)輪緣力

∑FY=F2-F1+C+2∑ui=0

∑M0=F1l1+F2l2-Mf-2s∑Hi-2∑uili=0

(3)

式中：∑FY為作用在轉(zhuǎn)向架上的合力；

∑M0為作用在轉(zhuǎn)向架上的合力矩；

F1、F2分別為第一軸和第二軸的輪緣力；

l1、l2分別為第一軸和第二軸至牽引銷O之間的距離；

Mf為轉(zhuǎn)向架的摩擦力矩，經(jīng)試驗(yàn)測量驗(yàn)證，Mf=10 kN·m；

ui、Hi分別為鋼軌作用于各輪踏面摩擦力的橫向分力和縱向分力，按式(2)計(jì)算；

2s為左右輪滾動圓間距離，取1 499 mm；

C為作用于一個(gè)轉(zhuǎn)向架的未平衡離心力，按式(1)計(jì)算。

(2)側(cè)壓力

F′=F-|u|

(4)

式中：F′為車輪輪緣對鋼軌的側(cè)壓力；

F為車輪輪緣力，按式(3)中合力公式計(jì)算。

3.3.3計(jì)算結(jié)果

結(jié)合公式(1)～(4)， 再將表2中的不同速度值代入可計(jì)算出不同車速下的輪緣力，F(xiàn)1、F2、 側(cè)壓力F1′及脫軌系數(shù)， 其各計(jì)算結(jié)果如表2所示。 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)， 脫軌系數(shù)不大于1.2才能夠安全通過曲線， 而此時(shí)對應(yīng)的速度， 即是通過該曲線的最大允許速度， 通過表中數(shù)值可以得出， 當(dāng)車速超過45 km/h， 其脫軌系數(shù)均大于1.2的規(guī)定值， 故想要安全通過100 m曲線，所有車輛運(yùn)行的最高時(shí)速不能超過45 km/h。

表2 動力通過100 m曲線的動力學(xué)性能表

4 車輛走行控制——恒低速控制

車輛作業(yè)時(shí)的走行速度為50 m/h，速度波動在±5%以內(nèi)。由伺服電機(jī)驅(qū)動液壓泵，伺服電機(jī)保持轉(zhuǎn)速1 450 rad/min不變，通過速度控制器設(shè)定作業(yè)速度和走行方向，與速度傳感器、液壓比例控制閥放大器的信號形成閉環(huán)控制，控制作業(yè)速度，實(shí)現(xiàn)恒速運(yùn)行。

液壓原理圖如圖5所示，液壓系統(tǒng)主要由液壓油泵驅(qū)動兩組定量馬達(dá)，通過比例方向閥控制走行方向和速度。流量補(bǔ)償器保證比例方向閥在開口不變的情況下，無論負(fù)載的變化情況如何，馬達(dá)均保持恒定的轉(zhuǎn)速。比例背壓閥在下坡時(shí)起作用，在馬達(dá)回流口增加背壓，保持馬達(dá)的主動驅(qū)動特性，以防止被拖行。補(bǔ)油閥防止馬達(dá)吸空。其他閥組為系統(tǒng)輔助功能。

1—液壓泵；2—高壓過濾器；3—補(bǔ)償器；4—比例換向閥；5—補(bǔ)油閥；6—馬達(dá)；7—比例背壓閥；8—電磁溢流閥；9—散熱器；10—回油過濾器。圖5 液壓原理圖

5 車輛電控

5.1 供電方式

采用柴油發(fā)電機(jī)組，供電電源為AC380 V、50 Hz 、128 kVA， 三相四線。

5.2 供電系統(tǒng)說明

該車采用柴油發(fā)電機(jī)組供電，總斷路器安裝在電柜中, 其額定容量根據(jù)裝機(jī)總?cè)萘窟x配, 具有短路、過載、失壓等保護(hù)功能。

整機(jī)工作電源(AC380 V)用來供應(yīng)液壓電機(jī)動力，其他由(380 V)發(fā)電機(jī)引出，向機(jī)上各機(jī)構(gòu)的主回路供電。在電柜中設(shè)置了AC380 V/AC220 V的控制變壓器，容量為1 500 kVA，為緊?；芈?、各機(jī)構(gòu)控制回路、控制器、照明等提供電源。

5.3 主要技術(shù)參數(shù)

供電系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如下：工作電壓，380 V 、50 Hz；設(shè)備控制電壓，DC24 V；環(huán)境溫度，-10 ℃～+50 ℃；最大空氣濕度，100%；工作環(huán)境，于室外工作。

5.4 車輛控制系統(tǒng)

機(jī)車控制系統(tǒng)采用西門子1500PLC系統(tǒng)，具有信號采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算、信號輸出、指令發(fā)送、故障診斷、人機(jī)交互等功能。各機(jī)構(gòu)的動作是在作業(yè)控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下完成的。

司機(jī)室操作的設(shè)備包括控制的開關(guān)、控制桿和工控機(jī)。其中頻繁使用的功能通過開關(guān)或控制桿操作，不常用的或需要反饋的功能在工控機(jī)上操作。司機(jī)室內(nèi)所有工作的功能都顯示在工控機(jī)上并可以通過工控機(jī)控制。西門子系統(tǒng)接收主機(jī)控制策略開始作業(yè)。

恒速控制技術(shù)：通過檢測車速傳感器進(jìn)入西門子控制系統(tǒng)，檢測實(shí)際車速，與設(shè)定車速對比，控制電比例油泵的排量大小，使車輛始終在設(shè)定車速上運(yùn)行。

5.5 監(jiān)控系統(tǒng)

該監(jiān)控系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的控制面板功能，可節(jié)省PLC的I/O模組、按鈕開關(guān)、數(shù)字開關(guān)、指示燈等且能隨時(shí)顯示重要訊息，以利于操作人員、維修人員正確掌握工作狀況和避免錯(cuò)誤，便于維修。該系統(tǒng)能

儲存大量畫面，每一畫面可由文字、圖形以及指定的PLC資料組成，可編輯出各種畫面，用以顯示設(shè)備各種狀態(tài)、操作指南、參數(shù)設(shè)定、動作流程、統(tǒng)計(jì)資料、警報(bào)訊息、簡易報(bào)表等。

6 結(jié)論

本文研發(fā)的激光強(qiáng)化車已經(jīng)進(jìn)行了在線示范應(yīng)用(見圖6)。

圖6 激光強(qiáng)化車實(shí)體照片

該激光強(qiáng)化車能夠恒速、穩(wěn)定地對鋼軌表面廓形進(jìn)行自適應(yīng)強(qiáng)化，強(qiáng)化后鋼軌的硬度為原來的2倍，耐磨性可提高1倍以上[4]。

2020年11月，科技部專家通過了對該課題以及激光強(qiáng)化車的驗(yàn)收評價(jià)，專家組一致認(rèn)為該技術(shù)能夠有效提升鋼軌的使用壽命，同意該項(xiàng)目通過綜合績效評價(jià)。