一種移動磨削裝置液壓系統設計

王清標，呂國慶，陽湘湘

(國家高效磨削中心－湖南海捷精密工業有限公司，湖南長沙410205)

鐵路軌道銑磨車自1995年起開始應用于歐洲鐵路的鋼軌整形作業，該方法是高速鐵路鋼軌修理的主要技術措施。采用銑磨車定期對鋼軌進行銑磨，不僅能消除鋼軌波形磨耗，同時也可清除鋼軌表面的接觸疲勞層，具有作業效率高、作業精度高、作業效果好等優點[1]。軌道銑磨車主要針對磨損變形較大的軌道進行修復，整車首先由銑單元進行銑削，將軌道的主要磨損余量去除。由于銑削后，軌道表面會留存銑刀接痕，列車在高速行駛時會產生較大的噪聲，不符合高速列車的行駛要求，所以需要采用磨裝置來將軌道上表面進行磨削。文中主要介紹海捷公司研發的應用于導軌銑磨車上的移動磨削裝置液壓系統的設計與計算及工作原理，對同類設備的設計和改造具有參考價值。

1 液壓系統的相關計算

該單元工作部件為立式放置結構，其工作原理如圖1所示。液壓缸的密封裝置產生的摩擦阻力、滾珠絲杠和導軌摩擦力較小，因此忽略其影響。考慮機械效率η、重力G、徑向磨削力Fn、導軌對定位靴支撐力Fz、慣性力Fm的影響。

式中:m=3 000 kg;Δv為快退速度;Δt為加速時間。

圖1 銑磨車磨裝置結構原理圖

取液壓缸的機械效率η=0.95，Fz+Fn=15 000 N，G=29 400 N，則液壓缸在各工作階段的總機械負載可以算出，見表1。

表1 液壓缸各運動階段負載表

2 液壓系統的參數計算

2.1 初選液壓系統參數

參考同類型機床，初定液壓缸的工作壓力p=6.3 MPa，單缸流量q=10 L/min，活塞桿直徑d=36 mm。

2.2 確定液壓缸的主要結構尺寸

由表1可知最大負載為加速階段的負載F=31 474 N，按此式計算有桿腔面積A 及液壓缸直徑D則:

計算得有桿腔面積A=4 996 mm2，液壓缸直徑D=87.5 mm，為使系統更安全可靠，取D=100 mm。

2.3 液壓油缸提升和下降速度計算

2.3.1 最大向上提升速度

式中:v為油缸提升速度;

q為進入液壓油缸的流量;

A為液壓油缸的有效面積。

缸徑D=100 mm，桿徑d=36 mm，流量q=10 L/min時算得:

vu=0.024 m/s

2.3.2 最大向下移動速度

D=100mm，流量q=10 L/min時算得:

vd=0.021 m/s

2.4 調整壓力計算

2.4.1 平衡狀態

將平衡閥壓力調到微高于系統壓力，pd=6.5 MPa，鐵軌的支持力與徑向磨削力之和Fn+Fz=15 000 N，此時的平衡方程如下式:

在磨單元質量取m=3 000 kg時，計算得工作時有桿腔的壓力pu=3.75 MPa。

因此，應將減壓閥出口壓力調為3.7 MPa，而將安全閥的壓力調為3.8 MPa。

2.4.2 向下定位狀態

快速向下定位過程中液壓缸有桿腔所需壓力計算:

其中:A1為液壓油缸有桿腔面積;

A2為液壓油缸無桿腔面積;

m為磨單元質量。

當m=3 000 kg時，˙pu=1.84 MPa;

當m=4 000 kg時，˙pu=0.2 MPa。

2.5 節流小孔孔徑計算

液壓油缸向上抬起時，其無桿腔的回油路需要設定一定的阻尼以減小換向沖擊，通過小孔節流的方式即可靠又便捷。

如果阻尼孔太小，將影響磨單元向上抬起的速度;如果阻尼孔太大，將達不到緩沖的效果。因此，該孔的設計原則是在不影響磨單元上抬速度的基礎上將阻尼孔盡量做小。

當液壓油缸有桿腔進油流量Q1=10 L/min時，無桿腔排油量為:

當液壓油缸向上抬起，在受力平衡時，p1=6.3 MPa，m=3 000 kg 下算出無桿腔壓力

滿足最大流量的最小阻尼薄壁孔直徑為:

其中:Cd為流量系數，取Cd=0.62;

ρ為油液密度，取ρ=900 kg/m3;

Δp為薄壁孔前后壓差，取Δp=p2=1.66 MPa。

將以上參數代入到式(9)得:d=1.22 mm

為便于制作，并考慮到薄壁孔的壁厚不可能很薄，以及其他因素引起的阻尼作用取d=2 mm，孔長6 mm。

3 液壓系統的工作原理及控制說明

該磨單元液壓原理如圖2所示。

圖2 磨裝置液壓系統原理圖

3.1 始起狀態

主液壓站啟動，系統壓力油P口和回油T口與液壓站接通。1YA，2YA，3YA，4YA 均未得電，系統處于初始狀態。此時壓力油通電磁換向閥3，平衡閥4 和液控單向閥5 進入到液壓油缸11的有桿腔;回油從液壓油缸11的無桿腔經φ2 阻尼孔和電磁換向閥10 通T口回油箱。此時液壓油缸11驅動整個磨單元運動至并處在最上端。

3.2 磨單元快速向下定位

磨單元向下移動直至定位靴與鐵軌接觸并承載約14.7 kN。此時2YA，3YA 和4YA得電，壓力油經電磁換向閥6，減壓閥7 和節流閥8 進入到液壓油缸11的無桿腔，回油從液壓油缸11的有桿腔經液控單向閥5，平衡閥4 和電磁換向閥3 通T口回油箱。此時液壓油缸11驅動整個磨單元向下運動直至定位靴與鐵軌接觸。

定位靴與鐵軌接觸后，壓力油繼續向液壓油缸11無桿腔供液，液壓油缸11無桿腔的油液壓力繼續升高直至減壓閥7 關閉，此時液壓油缸11無桿腔的壓力為減壓閥7的調定壓力。整個磨單元這個時候的受力主要有:磨單元重力G，鐵軌的支撐力Fz，液壓油缸11有桿腔的平衡力Fu，液壓油缸11無桿腔的正壓力Fd。此四力平衡。平衡閥4 在此過程中的作用是平衡磨單元向下移動的背壓力，保證整個磨單元向下移動的平穩性;節流閥8 在此過程中的作用是調節磨單元向下移動的速度。

3.3 工作動態平衡

磨單元工作時，系統起到重力平衡作用。此時1YA，2YA，3YA，4YA 均得電，壓力油同時存在于液壓油缸11有桿腔和無桿腔。在磨單元重力G，鐵軌的支撐力Fz，液壓油缸11有桿腔的平衡力Fu，液壓油缸11無桿腔的正壓力Fd和砂輪的徑向力Fn等作用下處于動態平衡狀態。

當砂輪磨損變小時，砂輪的徑向力Fn減小，鐵軌的支撐力Fz增大。為了確保磨削力的大小恒定以保證軌道的磨削質量，伺服電機通過滾珠絲桿帶動定位靴往上微量提升，鐵軌的支撐力Fz減小，砂輪的徑向力Fn增大，液壓油缸11無桿腔補油，有桿腔排油，整個磨單元動態受力平衡。

當鐵軌的磨削量過大，磨單元控制系統控制伺服電機通過滾珠絲桿帶動定位靴往下壓，整個磨單元向上抬起，鐵軌的支撐力Fz增大，砂輪的徑向力Fn減小。此時液壓油缸11有桿腔通過和電磁換向閥1 和單向閥2 補油，液壓油缸11無桿腔通過溢流閥9 排油。

3.4 磨單元快速向上移動

當工作完成或工作中出現突發情況時，整個磨單元需要快速向上移動。此時1YA得電，2YA，3YA和4YA 失電，壓力油經電磁換向閥1 和電磁換向閥3兩路進入液壓油缸11有桿腔，回油從液壓油缸11的無桿腔經φ2 阻尼孔和電磁換向閥10 通T口回油箱。液壓油缸11驅動整個磨單元向上移動，φ2 阻尼孔在此過程中的作用是避免液壓油缸11無桿腔的壓力瞬間釋放，從而避免造成壓力沖擊和產生噪聲，以保證磨單元向上移動的平穩性。

3.5 斷電狀態保護

當整個磨單元在工作狀態遇到突然斷電或主液壓站故障失壓時，液控單向閥5 無法打開，液壓油缸11有桿腔的壓力油與T口無法連通，液壓油缸11和整個磨單元將保持原位不動。補油路同時竄連兩個單向閥2，對防止整個磨單元因自重而下行而起到雙重保險作用。

4 系統壓力調節

系統壓力調節過程如下:

(1)接通主油路，將P口壓力MP 調為6.3 MPa;

(2)將節流閥8 關小，執行磨單元向下定位步驟，將MA 處壓力調到6.5 MPa;

(3)磨單元定位靴接觸鐵軌后，調節減壓閥7和背壓閥9，使MB 處壓力顯示為4 MPa;

(4)調節松背壓閥9，使MB 處壓力顯示為3.8 MPa;

(5)調節松減壓閥7，使MB 處壓力顯示為3.7 MPa;

(6)調節松節流閥8，使磨單元向下定位速度滿足使用要求。

5 結束語

移動模型裝置液壓系統在銑磨車工作過程中有著重要的作用。該系統可以實現磨單元工作所需的多種運動，并保證了設備的安全可靠，為銑磨車的研究提供了參考。

【1】金衛鋒.鋼軌銑磨車作業性能和效果分析[J].上海鐵道科技，2009(4):8－9.

【2】許福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動[M].北京:機械工業出版社，2005.

【3】孫驊，王業潘.新式輕巧型曲臂高空工程作業車液壓控制系統的設計與分析[J].機床與液壓，2010，38(14):31－34.