應(yīng)用串聯(lián)油路技術(shù)實(shí)現(xiàn)液壓轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換同步的研究

周俊偉 寧 洪 施俊明

目前我國(guó)鐵路道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備主要有電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)和電液轉(zhuǎn)轍機(jī)，電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)大量使用的是ZD6、ZD （J）9、S700K等型號(hào)；電液轉(zhuǎn)轍機(jī)主要有ZY（J）4、ZY （J）6、ZY （J）7等型號(hào)。隨著鐵路提速、重載和客運(yùn)專線大號(hào)碼道岔的發(fā)展，對(duì)道岔轉(zhuǎn)換同步的要求越來(lái)越高。為提高客車過(guò)岔速度、平穩(wěn)性和舒適度，客運(yùn)專線道岔已經(jīng)發(fā)展到60kg／m鋼軌62號(hào)道岔，需要12個(gè)牽引點(diǎn)實(shí)現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換的同步動(dòng)作，其中僅尖軌就需要8個(gè)牽引點(diǎn)；而且鐵路運(yùn)行的速度將進(jìn)一步提高，更大號(hào)碼道岔將不斷研發(fā)應(yīng)用，所以在保持既有控制電路不變、節(jié)省電纜控制器材、節(jié)約能源需求、降低工程投資的條件下，采用新技術(shù)滿足道岔發(fā)展和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)牽引道岔轉(zhuǎn)換的同步非常必要。

1 既有多點(diǎn)牽引道岔同步轉(zhuǎn)換的現(xiàn)狀

目前，在實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)牽引道岔轉(zhuǎn)換同步技術(shù)上，電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)是采用不同的動(dòng)程和順序啟動(dòng)，以及多機(jī)分路控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰啟動(dòng)和同步轉(zhuǎn)換，需要改變控制電路或增加控制器材，投資較大；電液轉(zhuǎn)轍機(jī)則采用流量調(diào)節(jié)閥，通過(guò)調(diào)整道岔轉(zhuǎn)換阻力，實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換。但由于受外界因素和氣候變化的影響，道岔阻力始終處于動(dòng)態(tài)變化之中，不易達(dá)到同步轉(zhuǎn)換的要求，且調(diào)整難度大，僅能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換過(guò)程宏觀同步。為此，作為電液轉(zhuǎn)轍機(jī)的生產(chǎn)研制單位，研究液壓轉(zhuǎn)轍機(jī)同步轉(zhuǎn)換技術(shù)，進(jìn)一步適應(yīng)大號(hào)碼道岔發(fā)展和滿足多點(diǎn)牽引道岔轉(zhuǎn)換同步的要求迫在眉睫。

2 串聯(lián)油路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換同步的設(shè)計(jì)原理

為充分發(fā)揮電動(dòng)液壓轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、機(jī)械磨損小、壽命長(zhǎng)、維護(hù)工作量少、控制簡(jiǎn)單、整體工程投資小的特點(diǎn)，利用既有控制電路原理，采用油路系統(tǒng)串聯(lián)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)牽引道岔轉(zhuǎn)換的同步。

從理論上分析，只要有足夠的動(dòng)力，一組道岔采用1臺(tái)液壓動(dòng)力單元，就可滿足多點(diǎn)牽引道岔同步轉(zhuǎn)換的需要。但考慮到在滿足既有成熟控制電路方式不變、動(dòng)作電流不變的前提下，實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)信號(hào)設(shè)備大修、更新和新線建設(shè)的無(wú)縫銜接，需著重對(duì)1臺(tái)液壓動(dòng)力單元驅(qū)動(dòng)3個(gè)牽引點(diǎn)的液壓轉(zhuǎn)換設(shè)備的同步設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分析。

2．1 既有并聯(lián)油路技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換的難點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)外既有電液轉(zhuǎn)轍機(jī)主要有L700H、美國(guó)SPX公司生產(chǎn)的液壓轉(zhuǎn)轍機(jī)和我國(guó)自主研發(fā)的ZY系列等。L700H轉(zhuǎn)轍機(jī)采用一臺(tái)主機(jī)，通過(guò)導(dǎo)桿牽引實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)道岔轉(zhuǎn)換同步。該方案由于導(dǎo)桿傳動(dòng)系統(tǒng)的磨損和調(diào)整維護(hù)的困難，在國(guó)內(nèi)無(wú)論是電液轉(zhuǎn)轍機(jī)，還是電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)，基本上已經(jīng)逐步淘汰；SPX公司生產(chǎn)的液壓轉(zhuǎn)轍機(jī)和我國(guó)的ZY系列電液轉(zhuǎn)轍機(jī)是采用流量調(diào)節(jié)閥技術(shù)，實(shí)現(xiàn)道岔宏觀同步轉(zhuǎn)換。

以ZY （J）7型電動(dòng)液壓轉(zhuǎn)轍機(jī)為例，油路系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1。它是采用一套控制電路，驅(qū)動(dòng)一套油泵電機(jī)組，既可實(shí)現(xiàn)多個(gè)牽引點(diǎn)動(dòng)作，亦可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)道岔的轉(zhuǎn)換。其液壓動(dòng)力部分是利用溢流閥調(diào)整系統(tǒng)工作壓力，以及各個(gè)牽引點(diǎn)的油缸組動(dòng)程、轉(zhuǎn)換力等，通過(guò)活塞桿與缸筒之間的截面積與油路系統(tǒng)的壓力、參數(shù)匹配，以滿足道岔轉(zhuǎn)換的需要。各個(gè)牽引點(diǎn)采用油路系統(tǒng)的并聯(lián)方案，理論上可以根據(jù)道岔設(shè)計(jì)或制造單位提出的轉(zhuǎn)換力要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)轉(zhuǎn)換力的轉(zhuǎn)換設(shè)備。

圖1 ZY （J）7型電動(dòng)液壓轉(zhuǎn)轍機(jī)油路系統(tǒng)圖

而道岔在實(shí)際使用中，受制造工藝、使用環(huán)境、日常養(yǎng)護(hù)水平的限制，每個(gè)牽引點(diǎn)的轉(zhuǎn)換阻力不能保持理論設(shè)計(jì)阻力不變。當(dāng)通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)各個(gè)牽引點(diǎn)的轉(zhuǎn)換同步后，由于受上述因素影響，很難保持道岔轉(zhuǎn)換始終做到嚴(yán)格同步，現(xiàn)場(chǎng)道岔在轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)蛇形運(yùn)動(dòng)。

2．2 串聯(lián)油路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換

為了達(dá)到在不改變現(xiàn)有控制電路模式，不增加工作電流的前提下，滿足道岔轉(zhuǎn)換同步的要求，在分析探討油路原理時(shí)，借鑒油路系統(tǒng)與電路工作原理有相似之處，設(shè)計(jì)了串聯(lián)油路系統(tǒng)電液轉(zhuǎn)轍機(jī)。

串聯(lián)油路電液轉(zhuǎn)轍機(jī)的油路系統(tǒng)見(jiàn)圖2（以3個(gè)牽引點(diǎn)為例），其工作原理為：液壓動(dòng)力單元采用開(kāi)式油路，在吸油口設(shè)置濾芯，保證進(jìn)入油泵油液的清潔度；泵出的高壓油打開(kāi)控制閥，使油路系統(tǒng)的出、入口處于正常工作狀態(tài)；在進(jìn)出油路上設(shè)置溢流閥，用于設(shè)定動(dòng)力單元的系統(tǒng)工作壓力。

動(dòng)力單元與各個(gè)轉(zhuǎn)轍機(jī)的油路連接方式為：動(dòng)力單元的油路輸出口與第1牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)轍機(jī)的油缸輸入口連接，該油缸的出口與第2牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)轍機(jī)的油缸入口連接，其出口與第3牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)轍機(jī)的油缸入口連接，第3牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)轍機(jī)的油缸出口與動(dòng)力單元的回油口連接，形成了串聯(lián)油路系統(tǒng)。串聯(lián)油路電液轉(zhuǎn)轍機(jī)每個(gè)牽引點(diǎn)油缸的容積相等，所以高壓油能驅(qū)動(dòng)各牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)轍機(jī)的油缸同時(shí)啟動(dòng)、同步動(dòng)作、同時(shí)到位。根據(jù)每個(gè)牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)換設(shè)備的轉(zhuǎn)換力和動(dòng)程不同，選擇合理的參數(shù)、壓力匹配，就能從理論上做到各個(gè)點(diǎn)的嚴(yán)格同步動(dòng)作，徹底解決電液轉(zhuǎn)轍機(jī)在多點(diǎn)牽引道岔中存在蛇形運(yùn)動(dòng)，即同步不良的問(wèn)題。

2．3 串聯(lián)油路系統(tǒng)電液轉(zhuǎn)轍機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)

考慮到道岔號(hào)碼大小不同，為了盡量減少轉(zhuǎn)換設(shè)備的品種、規(guī)格，方便現(xiàn)場(chǎng)管理、維護(hù)和減少備機(jī)備品數(shù)量，設(shè)計(jì)了2種規(guī)格的不同壓力和排量的動(dòng)力單元，分別用于單點(diǎn)和2個(gè)牽引點(diǎn)的轉(zhuǎn)換設(shè)備，及3個(gè)牽引點(diǎn)的轉(zhuǎn)換設(shè)備。動(dòng)力單元設(shè)有系統(tǒng)溢流閥，既保證有足夠的輸出壓力，又考慮過(guò)載保護(hù)。這2種規(guī)格的動(dòng)力液壓?jiǎn)卧吐废到y(tǒng)工作原理完全一致，僅是排量和壓力有所不同。各牽引點(diǎn)的轉(zhuǎn)轍機(jī)除了根據(jù)每個(gè)牽引點(diǎn)動(dòng)程、轉(zhuǎn)換力和功能要求有所不同外，油路工作原理均為一致。這樣的設(shè)計(jì)理念既便于工廠生產(chǎn)制造，也方便現(xiàn)場(chǎng)使用維護(hù)。串聯(lián)油路系統(tǒng)電液轉(zhuǎn)轍機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

圖2 串聯(lián)油路系統(tǒng)電動(dòng)液壓轉(zhuǎn)轍機(jī) （3個(gè)牽引點(diǎn)）油路系統(tǒng)圖

表1 3點(diǎn)牽引電液轉(zhuǎn)轍機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)表

該串聯(lián)油路系統(tǒng)電液轉(zhuǎn)轍機(jī)，油泵、電機(jī)的參數(shù)選擇分別為：油泵排量1．4ml／r，電機(jī)轉(zhuǎn)速1440r／min相當(dāng)于24r／s，根據(jù)表1參數(shù)，計(jì)算各點(diǎn)的轉(zhuǎn)換時(shí)間分別為：

第1牽引點(diǎn)：t1＝油缸容積／（排量×轉(zhuǎn)速）＝286．96／ （1．4×24）＝8．54s

第2 牽引點(diǎn)：t2＝278．83／ （1．4×24）＝8．30s

第3 牽引點(diǎn)：t3＝ 286．23／ （1．4×24）＝8．52s

由此可知，3個(gè)牽引點(diǎn)之間油缸到位的轉(zhuǎn)換時(shí)間之差，最大為第1牽引點(diǎn)和第2牽引點(diǎn)之差：

t1－t2＝8．54－8．30＝0．24 s

換算為動(dòng)程之差為：

轉(zhuǎn)換時(shí)間之差× （轉(zhuǎn)數(shù)／秒）× （排量／轉(zhuǎn)）／截面積＝0．24×24×1．4／12．56＝8．064／12．56＝6．42mm。

從以上分析可知，采用串聯(lián)油路系統(tǒng)電液轉(zhuǎn)轍機(jī)，牽引3點(diǎn)道岔的轉(zhuǎn)換時(shí)間之差最大為0．24s，動(dòng)程之差為6．42mm，滿足多點(diǎn)牽引道岔轉(zhuǎn)換同步要求。如果對(duì)表1中的參數(shù)進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)，理論上可以達(dá)到嚴(yán)格同步。

3 采用油路串聯(lián)技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

1．各牽引點(diǎn)液壓油缸組采用等容積設(shè)計(jì)，通過(guò)拉力、動(dòng)程、參數(shù)的匹配，可以滿足不同規(guī)格、型號(hào)道岔同步轉(zhuǎn)換的要求。

2．采用開(kāi)式油路系統(tǒng)，在油泵的入口和系統(tǒng)的回油通道設(shè)計(jì)了濾芯，有利于達(dá)到系統(tǒng)凈化要求。同時(shí)油液是從油箱吸油又回到油箱系統(tǒng)中，能得到交替更換，保持油路系統(tǒng)的清潔。

3．設(shè)計(jì)有帶彈簧自復(fù)位功能的液壓控制閥，在動(dòng)作時(shí)保持油路正常開(kāi)放，動(dòng)作結(jié)束后控制閥自動(dòng)關(guān)閉并切斷進(jìn)出油路，防止油缸反彈。

4．每個(gè)牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)轍機(jī)油路上并聯(lián)有啟動(dòng)油缸，在鎖閉狀態(tài)下，達(dá)到改善電機(jī)啟動(dòng)性能和平衡轉(zhuǎn)轍機(jī)油缸兩側(cè)壓力波動(dòng)的作用。

5．動(dòng)力單元中設(shè)計(jì)了手動(dòng)泵，方便現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，滿足電路故障或油泵失效時(shí)，快速手動(dòng)操作道岔的要求。對(duì)多點(diǎn)牽引道岔 （3點(diǎn)）僅需一人操作，而不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換過(guò)程的不同步現(xiàn)象。

6．每個(gè)牽引點(diǎn)的轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)有機(jī)械手扳裝置，便于各點(diǎn)的施工、安裝調(diào)整，同時(shí)在油路故障時(shí)能快速轉(zhuǎn)換道岔，壓縮故障延時(shí)。

7．每臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)油缸兩側(cè)分別設(shè)計(jì)有帶壓力標(biāo)識(shí)、限定工作壓力上限的溢流閥，實(shí)現(xiàn)每個(gè)牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)轍機(jī)的定、反位拉力分別調(diào)整，簡(jiǎn)單、方便、直觀，能更好適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)需要。

8．動(dòng)作桿、表示桿采用圓形截面設(shè)計(jì)，各外部連接處增加密封圈、密封墊，提高整機(jī)的防塵、防水性能。

9．油路系統(tǒng)設(shè)計(jì)有油位傳感器、壓力傳感器、電流傳感器、缺口監(jiān)測(cè)裝置等，既可自成體系，也可與相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備接口，滿足轉(zhuǎn)轍機(jī)智能監(jiān)測(cè)工廠化生產(chǎn)要求，為現(xiàn)場(chǎng)逐步實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維護(hù)提供參考。

4 串聯(lián)油路系統(tǒng)電液轉(zhuǎn)轍機(jī)的試驗(yàn)效果

應(yīng)用串聯(lián)油路系統(tǒng)研制的ZYJ9型電液轉(zhuǎn)轍機(jī)，在廠內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)，在每個(gè)牽引點(diǎn)牽引額定轉(zhuǎn)換力范圍內(nèi)，對(duì)于不同的負(fù)載，均能達(dá)到同步轉(zhuǎn)換要求，3個(gè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換到位時(shí)間誤差實(shí)測(cè)均小于0．3s。在道岔廠配合60kg／m 42號(hào)道岔進(jìn)行試驗(yàn)同步效果良好。通過(guò)在石太客專陽(yáng)泉北站客專60kg／m 18號(hào)道岔和京哈線虎石臺(tái)站提速60kg／m 18號(hào)道岔5年來(lái)的實(shí)際運(yùn)用，道岔轉(zhuǎn)換過(guò)程動(dòng)作平穩(wěn)、同步到位，有效解決了道岔轉(zhuǎn)換過(guò)程中的扭曲和蛇形運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用串聯(lián)油路系統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換設(shè)備，可以在不改變?cè)锌刂齐娐返臈l件下，實(shí)現(xiàn)各種道岔轉(zhuǎn)換同步的要求。尤其每個(gè)牽引點(diǎn)的轉(zhuǎn)換力可分別調(diào)整，能更好適應(yīng)道岔的要求。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、借鑒了成熟的液壓轉(zhuǎn)轍機(jī)技術(shù)，有利于設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)，與現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝、施工維護(hù)模式、檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)施，具有較強(qiáng)的通用性，便于生產(chǎn)制造和現(xiàn)場(chǎng)的推廣使用。

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