鋼軌激光強化車的研究

鄭 燕

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北 武漢 430063)

0 引言

隨著我國鐵路的提速，重載運行和鐵路行車密度的不斷增大，鋼軌的負擔日益加重。目前我國鋼軌出現了鋼軌側磨、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重，已成為制約我國進一步提高軌道運輸能力的瓶頸，因而發展高性能激光表面強化技術勢在必行[1]。

鋼軌表面激光淬火車是一種集機、電、液、測控為一體的實用新型產品，以自帶發電機組為動力源，小車走行以液壓系統驅動，既能滿足直線段鋼軌表面的淬火作業，也能適應小曲線段鋼軌表面的淬火作業[2-3]。下文僅對鋼軌表面激光淬火車的車輛進行設計研究。

1 車輛總體布置及主要結構

1.1 車輛構成

鋼軌表面激光淬火車主要由動力集裝箱和作業集裝箱組成。動力集裝箱包括司機室和動力間，司機室內設置有操作臺，實現操作人員在車上對激光淬火作業機構的操控；動力間安裝有柴油發電機組，實現對整車的電力供應。作業集裝箱包括作業間和設備間Ⅰ、設備間Ⅱ，作業間設置有作業機器人，實現對線路上鋼軌表面激光淬火的作業功能；設備間Ⅰ設置有激光器、機器人電柜和機器人控制柜，實現對作業機器人的控制；設備間Ⅱ設置有冷水機和空壓機，實現對激光器的冷卻，及作業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部結構圖

1.2 作業單元

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

圖2 鋼軌表面淬火作業單元布置圖

1.3 動力單元

動力單元由發電機組、操作臺、液壓站、電控柜等組成(見圖3)，發電機組為整車提供持續動力。

圖3 鋼軌表面淬火動力單元布置圖

1.4 走行機構

走行機構(見圖4)包含牽引梁、牽引軸、走行架構、走行電機、升降油缸、走行輪對等構成，其中牽引梁與平車焊接。整個走行機構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 走行機構結構圖

走行機構工作原理如下：鋼軌表面激光淬火車到達工作區域后，啟動升降油缸將走行架構放下，使走行輪對與鋼軌表面接觸，當走行輪對與鋼軌緊密接觸后啟動走行電機，電機驅動走行輪對，走行輪對帶動牽引軸，牽引軸帶動牽引梁平穩、勻速運動。

2 主要技術參數

激光淬火車的主要技術參數如表1所示。

表1 激光淬火車主要技術參數

3 曲線通過性分析研究

3.1 幾何曲線通過能力研究

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

3.2 通過能力的計算

通過對輪對轉心位置的計算以及轉向架對車體的轉角、轉向架對外軌的沖角，進行車輛的通過能力計算

x2=x1-1 800=1 267 mm。

轉向架對車體的轉角和對外軌的沖角分別為：

最終得到

θ為轉向架相對車體的轉角，根據結構可以取3°。

經計算，Rmin=99.1 m。

根據上述計算表明：車輛可以幾何通過半徑為100 m的曲線。

3.3 動力曲線通過的計算

以下計算通過100 m曲線的動力學性能。

3.3.1曲線上轉向架的受力

(1)未平衡離心力

(1)

式中：C為轉向架上未平衡離心力；

G為整備質量(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軸的轉心距；

μ為輪軌間的摩擦因數，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為作用在轉向架上的合力；

∑M0為作用在轉向架上的合力矩；

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為轉向架的摩擦力矩，經試驗測量驗證，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)計算；

2s為左右輪滾動圓間距離，取1 499 mm；

C為作用于一個轉向架的未平衡離心力，按式(1)計算。

(2)側壓力

F′=F-|u|

(4)

式中：F′為車輪輪緣對鋼軌的側壓力；

F為車輪輪緣力，按式(3)中合力公式計算。

3.3.3計算結果

結合公式(1)～(4)， 再將表2中的不同速度值代入可計算出不同車速下的輪緣力，F1、F2、 側壓力F1′及脫軌系數， 其各計算結果如表2所示。 根據標準， 脫軌系數不大于1.2才能夠安全通過曲線， 而此時對應的速度， 即是通過該曲線的最大允許速度， 通過表中數值可以得出， 當車速超過45 km/h， 其脫軌系數均大于1.2的規定值， 故想要安全通過100 m曲線，所有車輛運行的最高時速不能超過45 km/h。

表2 動力通過100 m曲線的動力學性能表

4 車輛走行控制——恒低速控制

車輛作業時的走行速度為50 m/h，速度波動在±5%以內。由伺服電機驅動液壓泵，伺服電機保持轉速1 450 rad/min不變，通過速度控制器設定作業速度和走行方向，與速度傳感器、液壓比例控制閥放大器的信號形成閉環控制，控制作業速度，實現恒速運行。

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

1—液壓泵；2—高壓過濾器；3—補償器；4—比例換向閥；5—補油閥；6—馬達；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

采用柴油發電機組，供電電源為AC380 V、50 Hz 、128 kVA， 三相四線。

5.2 供電系統說明

該車采用柴油發電機組供電，總斷路器安裝在電柜中, 其額定容量根據裝機總容量選配, 具有短路、過載、失壓等保護功能。

整機工作電源(AC380 V)用來供應液壓電機動力，其他由(380 V)發電機引出，向機上各機構的主回路供電。在電柜中設置了AC380 V/AC220 V的控制變壓器，容量為1 500 kVA，為緊停回路、各機構控制回路、控制器、照明等提供電源。

5.3 主要技術參數

供電系統的主要技術參數如下：工作電壓，380 V 、50 Hz；設備控制電壓，DC24 V；環境溫度，-10 ℃～+50 ℃；最大空氣濕度，100%；工作環境，于室外工作。

5.4 車輛控制系統

機車控制系統采用西門子1500PLC系統，具有信號采集、數據運算、信號輸出、指令發送、故障診斷、人機交互等功能。各機構的動作是在作業控制系統的統一協調下完成的。

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

恒速控制技術：通過檢測車速傳感器進入西門子控制系統，檢測實際車速，與設定車速對比，控制電比例油泵的排量大小，使車輛始終在設定車速上運行。

5.5 監控系統

該監控系統取代傳統的控制面板功能，可節省PLC的I/O模組、按鈕開關、數字開關、指示燈等且能隨時顯示重要訊息，以利于操作人員、維修人員正確掌握工作狀況和避免錯誤，便于維修。該系統能

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，用以顯示設備各種狀態、操作指南、參數設定、動作流程、統計資料、警報訊息、簡易報表等。

6 結論

本文研發的激光強化車已經進行了在線示范應用(見圖6)。

圖6 激光強化車實體照片

該激光強化車能夠恒速、穩定地對鋼軌表面廓形進行自適應強化，強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化車的驗收評價，專家組一致認為該技術能夠有效提升鋼軌的使用壽命，同意該項目通過綜合績效評價。