鋼軌打磨綜合試驗臺的設計及應用

趙宇晨，羅旦，李從祥，郭平

鋼軌打磨綜合試驗臺的設計及應用

趙宇晨，羅旦，李從祥，郭平

（株洲時代電子技術有限公司，湖南 株洲 412007）

打磨裝置作為鋼軌打磨車的核心作業(yè)機構，其結構功能對整車性能具有重要影響?；诖蚰パb置機構、液壓、控制等系統(tǒng)相對鋼軌打磨整車獨立，且具有獨立輪對、能夠完成自走行，本文設計了一種軌道可移動的綜合打磨試驗臺，用于鋼軌打磨裝置各系統(tǒng)功能驗證及調試。設計了試驗臺的滑動軌道系統(tǒng)、試驗臺架、驅動系統(tǒng)及限位系統(tǒng)，并對試驗臺分別進行了靜態(tài)提升工況和打磨試驗工況下的靜力學分析。實際應用證明，該打磨試驗臺能夠應用于多種打磨裝置調試試驗，為打磨裝置設計研究提供了較好的獨立試驗平臺。

試驗臺；打磨裝置；滑動軌道；靜強度；模態(tài)分析

鐵路運輸系統(tǒng)是運輸體系的重要組成。鋼軌直接承受運行車輛的載荷，是組成鐵路系統(tǒng)安全高效運行的關鍵部件，也是軌道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)[1]。常見的鐵路線路傷損有波磨、魚鱗裂紋、車輪擦傷、肥邊等[2]。鋼軌打磨設備通過預防性、修復性打磨功能，能夠有效消除鋼軌病害、改善輪軌關系、延長鋼軌使用壽命，由此獲得較為廣泛的應用[3-5]。打磨裝置為鋼軌打磨車的核心作業(yè)機構，其結構性能對于整車性能具有重要影響。

打磨裝置的主要組成如圖1所示。其中提升機構、牽引機構為打磨裝置上部安裝接口，與打磨車車體底部連接；走行輪為打磨裝置下部支撐部件，與鋼軌接觸實現(xiàn)打磨裝置沿鋼軌方向的走行運動。相較于一體式大型養(yǎng)路設備，鋼軌打磨車作業(yè)裝置為獨立走行的四輪小車結構[6]，其特有的自走行小車式結構使得打磨裝置能夠脫離鋼軌打磨車車體進行試驗。

目前針對打磨裝置結構功能的調試主要依靠鋼軌打磨車整車進行，即打磨裝置生產裝配完成后安裝于整車車體下方，對完整狀態(tài)下的鋼軌打磨車開展試驗。整車運行試驗的主要目的是驗證鋼軌打磨車的總體性能，如運行性能、作業(yè)性能及動力學性能等[7]，對于結構功能較為復雜的打磨裝置，僅依靠整車平臺來進行調試存在以下不足：

（1）根據(jù)TB/T 3520－2018[8]，打磨裝置各系統(tǒng)需要滿足多項動靜態(tài)性能要求，而現(xiàn)有打磨裝置生產裝配過程中只能檢查具有配合關系零部件之間的相對運動及配合精度，無法進行完整結構性能測試，由此導致裝車之后調試難度加大、試驗周期延長；

（2）如圖2所示，打磨裝置前后安裝有轉向架、集塵通道、油箱等部件，頂部為大車橫梁和底板，操作、觀察、測試空間局限；

（3）打磨裝置作業(yè)狀態(tài)、控制策略等打磨試驗線路占用時間長[9]、對周邊環(huán)境影響較大，利用整車進行調試成本較高，且實際使用的軌道線路受使用條件限制，無法充分滿足打磨裝置試驗要求。

圖1 打磨裝置結構圖

圖2 某型鋼軌打磨車示意圖

對打磨裝置設計研發(fā)過程中的獨立試驗需求，本文設計了一種可移動軌道式鋼軌打磨綜合試驗臺，通過有限元法對試驗臺架進行仿真分析，得到不同工作情況下試驗臺的強度和剛度，保證試驗臺結構功能的可靠性與安全性。最后通過打磨裝置在試驗臺上的實際應用，驗證試驗臺能夠滿足不同結構形式打磨裝置應用需求，具有較好的使用價值及推廣意義，能夠為后續(xù)打磨裝置設計開發(fā)提供試驗基礎平臺。

1 綜合試驗臺整體方案及工作原理

1.1 整體方案設計

試驗廠區(qū)內能夠鋪設的鋼軌長度有限，且打磨裝置試驗過程中需要安裝液壓管路、閥組和電氣線纜等連接件。若采用移動臺架式結構，試驗過程中打磨裝置相對電氣柜、液壓泵等固定組件移動，走線難度大，管路、線纜容易相互干涉造成混亂；而采用固定臺架式結構，無法開展打磨裝置走行動態(tài)試驗。

為了解決線纜、管路等布置問題，同時兼顧動態(tài)打磨需求，試驗臺采用固定臺架與滑動軌道相結合的結構形式，如圖3所示。試驗臺架、滑動底座均固定在地面上，打磨裝置安裝在試驗臺架上，相對臺架固定。打磨作業(yè)試驗時，由驅動系統(tǒng)帶動鋼軌沿軌道方向滑動，從而實現(xiàn)打磨裝置相對鋼軌的走行運動。

1.2 試驗臺設計

1.2.1 滑動軌道系統(tǒng)

滑動軌道系統(tǒng)的組成如圖4所示，其中軌枕和基座為固定件，滑動平臺及固定在平臺上的鋼軌組成運動部件，可沿基座導軌方向滑動?；瑒榆壍老到y(tǒng)的主要功能為支撐打磨裝置重力；移動鋼軌使走行輪與鋼軌產生相對運動，模擬打磨裝置運動狀態(tài)。

1.2.2 試驗臺架

試驗臺架的主要組成如圖5所示，其整體為對稱龍門結構，通過螺栓固定在地面上。連接座為試驗臺架與打磨裝置的連接組件，承受打磨裝置運動時的牽引力及提升下放時的重力?？v梁和連接座均采用長度方向可調節(jié)的結構形式，以滿足不同尺寸及安裝接口打磨裝置的需求。頂部設有走踏板，為試驗人員提供頂部活動空間，保障人員操作安全。

圖3 綜合試驗臺結構圖

圖4 滑動軌道系統(tǒng)

圖5 試驗臺架結構圖

1.2.3 驅動系統(tǒng)

試驗臺采用電機－減速機－鋼絲繩卷筒的組合形式，實現(xiàn)滑動平臺組件的運動控制。動態(tài)打磨試驗時，滑動平臺由電機與鋼絲繩牽引沿導向軌做往復運動。電機牽引功率主要由滑動平臺與基座之間摩擦力和打磨裝置走行磨削阻力組成。試驗場內供電電壓AC 380 V/50 Hz，打磨試驗要求鋼軌移動速度3～5 km/h，初步選用50 Hz、30 kW的三相異步交流電機。

滑動平臺驅動系統(tǒng)功率核算如下：

（1）滑動組件摩擦功耗

鋼軌移動過程中，有：

F＝(m＋m＋m) （1）

1＝·F·（2）

式中：F為滑動組件負載總質量，N；m為打磨裝置重量，t；m為鋼軌重量，t；m為滑動板重量，t；1為導向軌與滑動支撐架之間的摩擦力功耗，kW；為摩擦系數(shù)；為鋼軌最大移動速度，km/h。

根據(jù)文獻[10]，?。?i>m＝8 t，m＝1.5 t，m＝2.1 t，＝0.05，＝5 km/h。

計算得：F＝1.16×105N，1＝8.06 kW。

（2）打磨裝置走行打磨阻力

F＝·(F＋F) （3）

F＝1F（5）

式中：F為打磨作業(yè)時的磨頭阻力，N；為磨頭總數(shù)；F為單個磨頭切削力的縱向分力，N；

計算得：F＝10.70 N，F＝1.04×103N，F＝1.05×104N。

又因為：

F＝m··1＋F（6）

2＝F·（7）

式中：F打磨裝置所需輪周牽引力，N；1為單位基本阻力，N/kN；2為驅動打磨裝置走行磨削所需功率，kW。

根據(jù)文獻[12-13]，取：1＝1.93 N/kN。

計算得：F＝1.067×104N，2＝14.82 kW。

驅動電機負載為：

＝1＋2（8）

計算得：＝22.88 kW。

根據(jù)上述核算可知，所選電機滿足打磨試驗需求。

1.2.4 限位系統(tǒng)

限位系統(tǒng)采用雙重限位形式，包含電氣控制限位和機械結構限位兩部分。電氣控制方面，在導向軌兩側安裝限位開關，當滑動架移動到限位開關對應位置，限位開關控制信號改變，滑動平臺減速；機械結構方面，在試驗臺底座的行程極限位置安裝限位止擋，當限位開關失效時，通過機械結構限制滑動板移動，避免滑動平臺運動控制失效對周邊試驗設備造成損壞。

2 綜合試驗臺靜力學分析

綜合試驗臺各個系統(tǒng)、部件之間的連接形式、位置關系不盡相同，為了減少仿真計算工作量，同時保證結構設計滿足產品安全性、可靠性要求，將主要承載且安裝部分結構相對薄弱的試驗臺架提取出來進行分析計算。

試驗臺架多由方管、H型鋼組成，整體結構較為規(guī)則，因此使用六面體網格結構進行網格劃分[14]，設置單元尺寸20 mm、關鍵接觸面及安裝座單元尺寸12 mm，打磨試驗臺架網格劃分共有節(jié)點1928682個，單元394674個。

由于打磨裝置只有下放在鋼軌位置時才會進行打磨作業(yè)，因此分別針對試驗臺架靜態(tài)提升和動態(tài)試驗兩種工況進行分析計算。

2.1 靜態(tài)提升工況

靜態(tài)提升工況時，提升油缸縮回，試驗臺架通過前后安裝座固定打磨裝置，承受裝置的垂向靜載荷。定義各部分接觸和約束，臺架立柱處添加固定支撐，并在四個提升油缸安裝位置分別添加2×104N的垂向載荷。得到靜態(tài)提升工況下的分析結果如圖6所示。

圖6 靜態(tài)提升工況下的分析結果

打磨裝置提升過程中，可能出現(xiàn)油缸運動不同步，導致提升過程試驗臺架承受一定沖擊載荷。為保證試驗臺架結構可靠性，根據(jù)標準TB/T 1335－1996[14]，計算垂向兩倍沖擊載荷情況下試驗臺架極限應力情況，如圖7所示。

由圖6（a）、圖7可知，試驗臺架沖擊載荷工況下最大等效應力遠大于靜態(tài)提升工況。沖擊載荷時打磨裝置最大應力為211.88 MPa，為出現(xiàn)在安裝座與縱梁接觸邊緣的集中應力，關鍵承載縱梁最大應力為95 MPa，出現(xiàn)在橫梁中部。試驗臺架主要材料Q235的許用應力為168 MPa，屈服強度為235 MPa，即極限沖擊載荷條件下的最大應力小于材料屈服強度，且關鍵承載縱梁最大應力小于材料許用應力。由圖6（b）可知，試驗臺架最大變形為2.0 mm，出現(xiàn)在橫梁中部。此時橫梁的變形處于材料彈性變形范圍內，而提升狀態(tài)時打磨裝置為靜態(tài)測試，因此該變形不會對調試試驗產生影響。

綜上，靜態(tài)提升工況下，試驗臺架強度、剛度均滿足要求。

圖7 沖擊載荷應力云圖

2.2 打磨試驗工況

打磨試驗工況時，打磨裝置相對鋼軌運動，處于走行打磨狀態(tài)，此時試驗臺架承受打磨裝置牽引系統(tǒng)帶來的牽引力。試驗臺接觸及約束定義與靜態(tài)工況相同，在臺架立柱處添加固定支撐。根據(jù)驅動系統(tǒng)設計部分計算結果，在左側牽引桿安裝座位置處添加橫向牽引載荷。

計算得到打磨工況下的分析結果如圖8所示?？芍?，試驗臺架最大應力67.85 MPa，小于材料許用應力168 MPa，最大應力出現(xiàn)在牽引安裝座部位；試驗臺架最大變形2.21 mm，出現(xiàn)在牽引機構安裝座延伸板處。其中最大變形分量為沿鋼軌方向的變形2.18 mm，該方向變形對打磨單元偏轉、下壓等動作影響較小。

因此，打磨試驗工況下試驗臺架強度、剛度均滿足要求。

圖8 打磨試驗工況下的分析結果

2.3 結構模態(tài)分析

有限元模態(tài)分析用于得到結構的振動特性，是評價結構動態(tài)特性的重要指標之一[15]。在產品設計開發(fā)過程中，應盡量避免結構固有頻率與工作頻率重合，避免發(fā)生共振，對設備結構造成破壞。

在靜力強度基礎上進行模態(tài)分析，試驗臺立柱添加固定約束，定義關鍵接觸部分約束。由于在結構的振動特性中低階模態(tài)和高階模態(tài)所占百分比呈指數(shù)分布關系，即低階模態(tài)能比較準確地反映系統(tǒng)自然振動特性，因此提取試驗臺架前六階模態(tài)進行分析，各階頻率大小及主振型如表1、圖9所示。

表1 試驗臺架前六階模態(tài)固有頻率

打磨電機的轉速為3600 r/min，電機實際工作頻率在55～60 Hz范圍內，根據(jù)模態(tài)分析結果，試驗臺前六階頻率為7～15 Hz。

因此打磨電機工作頻率不會與試驗臺架產生共振。但該打磨試驗臺整體固有頻率偏低，后續(xù)可通過調整試驗臺架結構布局改善其結構剛度。

圖9 模態(tài)分析前六階主振型圖

3 應用分析

上述設計開發(fā)方案得到的綜合試驗臺，現(xiàn)已進入實際應用階段。圖10為打磨裝置落于試驗臺鋼軌上，且電氣控制、液壓系統(tǒng)、集塵系統(tǒng)等均已配置完成后的試驗現(xiàn)場?；诖藸顟B(tài)分別進行了打磨裝置提升下放、打磨裝置走行、打磨單元功能驗證、液壓系統(tǒng)調試、打磨程序調試等試驗。打磨裝置試驗過程圖11所示，鋼軌打磨前后效果如圖12所示。

通過實際使用驗證，利用試驗臺具有以下特點：

（1）移動軌道式試驗臺能夠模擬低速走行情況下打磨裝置運動和實際打磨作業(yè)工作，在滿足試驗需求的情況下減少了試驗所需線路長度，能夠在室內廠房環(huán)境下對打磨裝置進行裝車前的全面功能驗證和調試，能夠有更加合理地調配試驗安排時間及資源，容錯率較高，避免了實際使用中線路受天窗時間、氣候、安全性等因素限制。

（2）采用龍門式結構，液壓閥組、電氣控制系統(tǒng)等走線布置空間充足，且不受鋼軌打磨車車體高度限制，有利于打磨裝置的內部結構調整和檢測測量，能有效提高打磨試驗效率。

（3）能夠通過較完整的液壓、電氣系統(tǒng)進行控制調試，綜合考察打磨裝置結構性能。避免裝車后由于功能部件問題出現(xiàn)的整體拆卸修正問題，降低試驗成本。

綜合打磨試驗臺目前應用于國鐵、地鐵、道岔等多種車型的打磨裝置調試試驗，實際使用過程中也在不斷改進優(yōu)化試驗臺配套設施，如層架頂部防護欄、臺架兩側增加防護網、配套安裝集塵裝置等，減少打磨試驗過程中產生的鐵屑、粉塵對試驗場地工作環(huán)境的影響，進一步保障試驗人員安全。

圖10 打磨裝置安裝圖

圖11 打磨試驗圖

圖12 打磨前后鋼軌對比圖

4 總結

本文設計制造了一種綜合打磨試驗臺，通過移動式軌道與固定打磨裝置的相對運動，實現(xiàn)打磨裝置動態(tài)作業(yè)模擬。實際應用表明，該打磨裝置綜合試驗臺適用于多種類型的打磨裝置，能夠滿足打磨裝置結構性能測試使用需求，提高了打磨裝置結構可靠性和安全性，可以有效減少裝車后的調試時間，提高工作效率。

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Design and Application of Rail Grinding Comprehensive Test-Bed

ZHAO Yuchen，LUO Dan，LI Congxiang，GUO Ping

( Zhuzhou Times Electronic Technology Co., Ltd., Zhuzhou412007, China)

The structure and function of grinding device, which is the core operating mechanism of rail grinding vehicles, has an important impact on the performance of the vehicle. Based on the fact that the mechanism, hydraulic and control systems of the grinding device are independent of the vehicle with independent wheel sets, a track movable comprehensive grinding test-bed used for functional verification and the commissioning of each system of the rail grinding device is designed. The sliding track system, test-bed, driving system and limit system of the test-bed are designed, and the static analysis of the test-bed under static lifting condition and grinding test condition is carried out. The application shows that the modified grinding test-bed can be applied to the commissioning test of a variety of grinding devices, and provides a better independent experimental platform for the design and research of grinding devices.

test bed；grinding device；sliding track；static strength；modal analysis

TH69；U216.65

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.05.011

1006-0316 (2022) 05-0068-07

2021-11-24

趙宇晨（1994－），女，湖南常德人，碩士研究生，主要從事鋼軌打磨車等軌道工程機械結構研發(fā)工作，E-mail：yuan824377563@126.com。