兼容B型城軌車輛地下固定式架車機機械系統(tǒng)的研究*

邢湘利 ，賈 巖

（湖南鐵路科技職業(yè)技術學院，湖南 株洲 412006）

隨著城市的快速發(fā)展，城市常住人口急劇膨脹，在為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展注入活力的同時，也給交通出行帶來較大壓力。為緩解這一矛盾，各城市紛紛興建城軌交通。截至2020年，全國在建城軌主體已達到42個，總里程數(shù)高達5 000多km。地鐵B型車輛作為中大型運量設備，得到了廣泛的應用?；诖耍P者認為有必要從固定式架車機優(yōu)化設計角度入手，提升其運維檢修效率，以保障城軌交通的穩(wěn)定運行。

1 城軌車輛地下固定式架車機應用優(yōu)勢

移動式架車機是城軌交通中較為常見的設備種類，能夠為車輛的架升、維護提供支撐，保障城軌線路的正常運行。在本文選取的地鐵線路案例中，配備機械主要為移動式架車機，單體架升機構共16個，以車輛停放位置為依據(jù)平均分成4組，單組機構可對應單節(jié)地鐵架車施工，也可滿足2～4節(jié)車輛的不解編作業(yè)需求。當前，隨著地鐵使用需求的膨脹，檢修運維工作面臨著較大壓力，移動式架車機連接電纜冗長、作業(yè)空間受限等弊端逐漸暴露出來，引進固定式架車機成為了該線路運維的重點革新方向，其優(yōu)勢如下。

1.1 作業(yè)流程明顯簡化

在舊有作業(yè)模式之中，架升機構采用分散布局模式，用于協(xié)調(diào)、操縱的主控臺設置于股道一側，正式進入架修環(huán)節(jié)后，機構首先移動至指定地點，并通過電纜與主控臺相連。這種方式對現(xiàn)場環(huán)境要求較高，每次維護檢修前，都需要進行場地清理和優(yōu)化，以防止線路纏繞、故障，總花費時長在20 min左右，作業(yè)效率難以保障。而在固定式架車機中，各單元控制線均采用預埋方案，通過地下渠道與控制臺建立連接，直接省略了煩瑣的線路檢查、整理工作，為正式檢修環(huán)節(jié)空出了更多時間。同時，在應用移動架車機進行車底檢修時，物料運輸十分受限，只有沿著地溝的車輛兩端是暢通的[1]，不管是拆卸部件還是地面工具，均需經(jīng)由該通道交換，底部空間狹小，且物料往來效率較低，整個工作煩瑣異常。而固定式架車機的應用明顯緩解了這一矛盾，檢修環(huán)節(jié)列車組下方為平地，支撐架周圍場地相對開放，設備、人員進出難度減小，檢修效率明顯提升。

1.2 具備起升轉向功能

固定式轉向架中，采用雙重支架作業(yè)模式，在轉向架舉升機構的基礎上，還配備了車體支撐架，在拆解作業(yè)環(huán)節(jié)，前者首先運動，將車體舉升至一定高度，接著支撐架發(fā)揮作用，承擔整個列車組的載荷，轉向架則等待拆卸作業(yè)完成，將車體推送至指定區(qū)域即可，無需借助額外的升降平臺輔助操作，因此，作業(yè)時間更加寬松。而移動式架車機應用階段，僅能單獨完成車體的升降，當車輛被吊升至空中時，僅以螺栓方式與轉向架相連，重達6 t的轉向架結構施加的反向作用力極為可觀，一旦螺栓發(fā)生斷裂，車體會直接墜落下來，不但對車輛本身造成損害，還可能威脅工作人員安全。所以實踐操作時，常常需要事先完成拆解操作，拆卸下來的轉向架會被直接擱置于平臺之上，沿著地溝軌道送出車底，接著借助專用轉向架平臺，將之降至地面高度，這種方式前期成本投入較大，作業(yè)時間也被迫延長。同時，當轉向架推出時，還可能與車輛底部的集電靴產(chǎn)生沖突[2]，從而增加新的拆除工作，造成人力、時間的浪費。固定式轉向架的工作模式解決了這一難題，轉向架構造移動時，也完全可以借助車底股道，沖突被有效解決，無需額外考慮集電靴的問題，整體適用性更佳。

1.3 控制程序安全性高

控制程序簡單是移動式架車機一個較為顯著的缺點，其系統(tǒng)內(nèi)并沒有配備相應的誤輸出檢測程序，其他保護裝置也較為簡陋，當正式進入檢修維護環(huán)節(jié)后，工作人員需要在車底位置完成拆卸、更換等工作，整個流程耗時較長，若此時系統(tǒng)出現(xiàn)誤動情況，將會造成較為嚴重的安全事故。而固定式架車機則無需額外建設轉向架平臺，整體的性價比更高，同時電磁兼容性也更好，現(xiàn)階段中央控制平臺設計過程中，更是引入了可編程控制器技術，可直接通過編程方式增添安全方式，降低了誤動現(xiàn)象出現(xiàn)的概率，安全性更有保障。

2 地下固定式架車機與B型城軌車輛的接口

轉向架、車體是城軌車輛的主要構成部分，對于地下固定式架車機來說，前者的拆卸占據(jù)了大部分工作內(nèi)容，同時也包含一些其他附件的拆卸工作，因此其接口的分析主要從拆卸、舉升環(huán)節(jié)涉及的要素考量。本文所選B型地鐵線路案例中，接口參數(shù)如下：車輛定距12 600 mm，軸距2 200 mm，相鄰兩個轉向架之間的中心距6 920 mm，架車墊板長300 mm、寬70 mm，橫向距離大致2 650 mm。目前，市面上投入運行的車輛中，車輛定距、中心距等數(shù)值較為一致，其他則有微小差別，機械系統(tǒng)設計時，可結合自身具體參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化[3]。從技術參數(shù)角度看，轉向架、車體舉升單元的功率、速度也各有不同，本文轉向架舉升單元功率設置為5.5 kW，速度設置為每分鐘360 mm，車體舉升單元功率設置為3 kW，速度設置為每分鐘372 mm，經(jīng)過調(diào)試測定后應用效果較好，可以作為實踐環(huán)節(jié)參考。

3 固定式架車機機械系統(tǒng)結構設計

固定式架車機運行時，A舉升單元首先發(fā)揮作用，托住轉向架完成提升，高度由控制臺統(tǒng)一設定，接著B舉升單元啟動，上升到一定高度后，對車體形成支撐，拆除目標轉向架后，借助A舉升單元的力量，降低轉向架高度，使之回到軌面，待到檢修完成再重新安裝至車體底部，此時系統(tǒng)自動解除車體支撐，B舉升單元高度降低，A舉升單元下降，列車組同步返回軌面，完成整個檢修流程。對上述步驟進行梳理可以發(fā)現(xiàn)，地下固定式架車機中，機械系統(tǒng)運轉情況至關重要，因此必須對其材質(zhì)、結構等進行嚴格把控。

3.1 鋼結構設計

在固定式架車機運轉過程中，鋼結構是重要的安裝平臺與載體，主要由單元承載底座、軌道橋等構件組成。承載底座設計時，應當配備必要的走行軌，為主體單元的縱向移動創(chuàng)造條件，同時，考慮到車輛停放環(huán)節(jié)對精準性要求較高，停放不到位容易使車輛遭受損傷，因此上部還必須安裝定位機構，盡可能減少風險因素。軌道橋同樣采用固定安裝模式，與車間軌道呈現(xiàn)聯(lián)通、平齊的狀態(tài)，對于轉向架架升軌來說，經(jīng)常性的應力作用可能導致其材質(zhì)疲勞、老化。因此，在舉升單元尚未啟動的零位階段時，架升軌實際上是低于軌道橋的，高差大致為4 mm，若架升檢修已經(jīng)完成，固定軌道橋會完全承載車輛重力，架升軌則是不受力的，這種設計方式能夠顯著延長架車機工作壽命。

3.2 轉向架舉升單元結構設計

轉向架舉升單元是較為核心的部分，實踐操作環(huán)節(jié)對同步性要求較高，因此主要依托單個電機供能，中部設置傳動機構，在絲杠、螺母等部件的協(xié)同運動下，帶動并分配一組舉升柱工作，一組通常為4個。為確保轉向架移動通路的順暢，轉向架舉升柱頂部會直接與軌道梁相連接，由導向箱體把控運動軌跡，主要負責垂直方向上的升降。導向輪的存在還能夠有效緩解載荷應力，減小柱體本身受到的彎矩作用，此階段要重點關注B型地鐵車軸距參數(shù)，要能夠滿足軸距規(guī)格為2 200 mm、2 300 mm車輛的使用需求。至于絲杠、螺母結構，則要采用有自鎖功能的部件，以確保其在機械系統(tǒng)運行到任何位置時，均能高效、穩(wěn)定地完成自鎖，提升安全性能。承載螺母是主要的應力承擔、抵抗結構，當其過度損耗導致功能下降時，安全螺母會接替其完成承載工作，其上設置有磨損傳感器，若磨損超過一定臨界值，系統(tǒng)會自動開啟安全模式，停機并發(fā)出告警信號[4]，提示工作人員及時更換，其間還配備了自動潤滑裝置，可以降低更換操作的難度，提升維護工作的效率。

3.3 車體舉升單元結構設計

車體舉升單元主要由6個部分構成，整體采用懸臂結構，內(nèi)側空間十分寬敞，車下推出轉向架的難度較小，車體舉升柱上的托頭則采用伸縮設計，架車墊板位置受限情況得到明顯好轉，布局更加靈活。在正式運作階段，三合一電機帶動絲杠旋轉進而促成升降，舉升柱四周同樣裝配有導向輪結構，可以對升降作業(yè)起到規(guī)范、約束的作用。在走行階段，彈性支撐機構擔負了主要的承重任務，驅動機構兩端分別固定于鋼結構、舉升單元之上，借助鏈輪、鏈條連接，可以滿足多數(shù)B型車輛的舉升需求。在舉升柱的頂端，增加限位開關裝置，當舉升柱上升到一定高度，與抬車墊板相觸碰，限位開關就會相應啟動，該舉升單元停止移動，防止車輛損壞。機械系統(tǒng)承載力受結構、舉升速度等影響較大，因此，同時設置了載荷傳感器，可以在原始狀態(tài)下對車輛進行稱重，并跟蹤監(jiān)控升降全過程，工作人員借助控制臺顯示屏就可以直觀地獲取舉升柱的實時受力情況，防止危險因素的滋生與蔓延[5-7]。

3.4 固定式架車機附件設計

除架車機、車體舉升機構外，機械系統(tǒng)內(nèi)還配備有功能多樣、規(guī)格迥異的附件裝置，為系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運行提供保障。跟隨遮蓋機構主要是為了彌補固定蓋板空隙，它采用氣彈簧支撐技術，單個彈簧可支撐高達100 kg的應力，方便檢修工作的開展。檢修平臺負責為固定式架車機檢修提供空間，通常采用方管鋼結構形式，十分堅固、耐用。自動潤滑系統(tǒng)主要安裝在舉升螺母上，通常容量設置為100 mL，可以對工作狀態(tài)下的構件進行潤滑保養(yǎng)，使部件始終處于清潔、潤滑的狀態(tài)，降低磨損風險?？紤]到地下工作環(huán)境較為復雜，螺桿等部件可能受到塵土、水汽等的侵襲，出現(xiàn)銹蝕、老化等狀況，因此，額外配備了風琴式防塵罩，隔絕外界的不良影響，保障其使用效率的提升[8-10]。

3.5 安全防護單元設計

安全、可靠是地下固定式架車機較為突出的優(yōu)勢特征，上文中已經(jīng)就雙螺母結構自鎖性能、告警性能進行了闡述，但機械系統(tǒng)實際設計環(huán)節(jié)，還會采取一些通用的安全防護措施，常見的主要有以下幾種。

3.5.1 同步安全控制

固定式架車機作業(yè)過程中，同步情況是衡量其性能優(yōu)劣的關鍵指標，舉升、下降環(huán)節(jié)不同步，很容易發(fā)生車輛傾覆事件，導致嚴重的人身、財產(chǎn)損失。因此，對于同類舉升柱來說，減速機、絲杠應當最大限度保持一致，選型階段就要做好準備。同時，設置高度檢測系統(tǒng)，借助先進的傳感器設備，對舉升柱高度進行實時、動態(tài)監(jiān)控，可以根據(jù)實際情況，設置高度差限值，當超過該臨界點時，系統(tǒng)會自動停機并發(fā)出聲光警告，防止危險情況出現(xiàn)。

3.5.2 低位停機保護

低位停機保護同樣有賴于限位開關的安裝，其功能主要體現(xiàn)在安全防護方面，可以降低車底異物對車體及軌道造成損傷的概率。當車輛處于下降狀態(tài)時，傳感器會自動監(jiān)控車輛最低點與軌道頂面的間距，該距離達到400 mm后，下落進程自動停止，并且發(fā)出提醒信號，經(jīng)由現(xiàn)場人員檢查、確認后，按下低位保護按鈕，下降進程繼續(xù)運行，直至停放穩(wěn)固為止。

3.5.3 故障自診斷

隨著科技手段的進步，地下固定式架車機安全防護手段還在持續(xù)涌現(xiàn)，故障自診斷就是其中較為常見的渠道。該功能主要借助了PLC控制器的記憶算法，可以對日常工況、參數(shù)等進行自動存儲，并以此為依據(jù)監(jiān)控、提示異常狀況，減小因部件磨損、鏈條老化等細微因素導致的安全風險。

4 結構計算分析

對于城軌車輛來說，固定式架車機的重要性十分顯著，是大型架修、臨修環(huán)節(jié)中必不可少的設備類型，應用頻率極高，作為與車體結構直接聯(lián)系的單元，機械系統(tǒng)功能直接關系車輛的安全性。因此，在設計研制的基礎上，還進一步采用有限元分析方法進行了物理學計算，車體舉升單元導向箱體分析結果如圖1所示，整體上滿足強度和安全需求，能夠適應地下城軌車輛的檢修維護應用。

圖1 車體舉升單元導向箱體有限元計算結果

5 結論

綜上所述，地下固定式架車機具有安全性能高、起升轉向靈活等優(yōu)勢，在B型城軌車輛運維檢修中有著極高的適用性。研制階段要對機械系統(tǒng)給予充分關注，事先進行系統(tǒng)的B型車輛運行參數(shù)分析，提升鋼結構設計合理性，為轉向單元的安裝做好鋪墊；同時采用雙螺母結構，優(yōu)化轉向架舉升單元性能；在舉升單元設計上，也要裝設配套的走行輪，為高兼容、高效率的運維檢修奠定扎實基礎。