一種用于鐵路養(yǎng)護(hù)機(jī)械走行的液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

， (北京二七軌道交通裝備有限責(zé)任公司 工程機(jī)械研發(fā)中心， 北京　100070)

引言

鐵路鋼軌在使用時(shí)間長(zhǎng)以后，會(huì)產(chǎn)生不同程度的損害，如剝離、磨耗、肥邊、焊縫凹陷及魚鱗裂紋等。對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨修復(fù)，可以使鋼軌恢復(fù)良好的工作狀態(tài)。同時(shí)，對(duì)新鋪鐵路鋼軌還需要進(jìn)行防御性打磨，以延緩產(chǎn)生損害的時(shí)間，如圖1所示。

圖1　鋼軌打磨前后對(duì)比

打磨裝置安裝在作業(yè)車上，作業(yè)車在鐵路鋼軌上行走，隨著作業(yè)車的行走，打磨裝置上的砂輪對(duì)鋼軌進(jìn)行連續(xù)打磨。作業(yè)車行走牽引是由機(jī)車來?yè)?dān)當(dāng)。六節(jié)作業(yè)車由一臺(tái)機(jī)車牽引，組成整列車，該列車為GMC-96B型鋼軌打磨列車。目前GMC-96B鋼軌打磨列出車已在鐵路養(yǎng)護(hù)中批量運(yùn)用。

根據(jù)作業(yè)車上打磨裝置的工作特性，要求作業(yè)車的運(yùn)行時(shí)速度，也即用來牽引的機(jī)車速度低，速度范圍為3～15 km/h，并且速度平穩(wěn)恒定，即精度要高，速度誤差為：5 km/h(含)以下為±0.5 km/h；5 km/h以上為設(shè)定速度±10%。

設(shè)定速度的±10%，并且速度無(wú)級(jí)可調(diào)。因此機(jī)車作業(yè)時(shí)的動(dòng)力傳遞采用了低速負(fù)荷特性好、調(diào)速性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于布置的液壓傳動(dòng)。

1　液壓系統(tǒng)的功能

機(jī)車的動(dòng)力源為柴油機(jī)，通過液壓傳動(dòng)以及傳動(dòng)比合適的變速箱，將動(dòng)力傳遞到前、后兩個(gè)轉(zhuǎn)向架上的6對(duì)車輪上，從而使車輪旋轉(zhuǎn)，牽引列出運(yùn)行。動(dòng)力傳遞路線見圖2。

圖2　動(dòng)力傳遞路線

柴油機(jī)扭矩傳遞給分動(dòng)箱的輸入軸，再通過分動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)液壓泵，兩個(gè)液壓泵通過高壓油將扭矩傳遞給液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)經(jīng)減速箱及轉(zhuǎn)向架上的齒輪箱，將扭矩傳遞給各車輪。 前后轉(zhuǎn)向架各有3對(duì)車輪，共6對(duì)車輪。

鐵路線路路況是變化的，經(jīng)常有坡道，坡道會(huì)產(chǎn)生坡道阻力，因此機(jī)車的負(fù)載隨不同路況也是變化的。液壓系統(tǒng)除了在負(fù)載大時(shí)能牽引列車外，還應(yīng)該控制使保持速度精度。

2　液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)的主回路就是液壓泵驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的工作油路，另外還有冷卻回路，閥組回路等。

系統(tǒng)工作壓力設(shè)定為40 MPa。采用閉式回路。調(diào)速采用變量泵-變量馬達(dá)的容積調(diào)速回路，以滿足大負(fù)載和相對(duì)來說較高速度的要求。馬達(dá)的轉(zhuǎn)速=流量/排量，所以通過改變馬達(dá)的流量和排量，來控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。

2.1　液壓馬達(dá)的選型計(jì)算

已知條件為，最大坡度33‰，機(jī)車重量P=1380 kN，作業(yè)車總重量G=4800 kN，打磨附加阻力Q=40 kN，車輪直徑(半磨耗)1.013 m。終端驅(qū)動(dòng)齒輪箱的傳動(dòng)比為4.087。

由此算出驅(qū)動(dòng)整列車的馬達(dá)所承受的最大扭矩為32 kNm。當(dāng)列車速度為15 km/h時(shí)，馬達(dá)轉(zhuǎn)速超過3000 r/min。由于扭矩大、轉(zhuǎn)速高，需要選用高速大扭矩馬達(dá)，并且配以減速箱，將馬達(dá)轉(zhuǎn)速降低，扭矩加大。同時(shí)，結(jié)合車的結(jié)構(gòu)，以及液壓產(chǎn)品樣本，經(jīng)過計(jì)算，選定采用4個(gè)馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)，每個(gè)馬達(dá)的實(shí)際扭矩850 N·m，可選用排量160 cm3的馬達(dá)。

根據(jù)流量公式：Q=Vn/ηMV[2]，計(jì)算每個(gè)馬達(dá)最大流量約為200 L/min。

2.2　液壓泵的選型計(jì)算

根據(jù)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1720 r/min，分動(dòng)箱傳動(dòng)比1.396，計(jì)算出泵的轉(zhuǎn)速約2400 r/min。

泵的選型根據(jù)馬達(dá)的工況，已經(jīng)根據(jù)負(fù)載扭矩，計(jì)算出系統(tǒng)的流量，系統(tǒng)采用閉式回路，考慮上最大流量和系統(tǒng)的泄漏，計(jì)算出一個(gè)泵的排量：

2.3　液壓泵、馬達(dá)型號(hào)

根據(jù)排量，考慮到在運(yùn)用的可靠行，泵、馬達(dá)選型型號(hào)及主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　泵和馬達(dá)主要技術(shù)參數(shù)

液壓泵為斜盤結(jié)構(gòu)軸向柱塞變量泵，流量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，輸出流量可為從零到最大值，帶比例電磁鐵，采用EP電氣控制。當(dāng)泵的斜盤擺過中位，即可改變液壓油的流向，從而改變馬達(dá)的轉(zhuǎn)向，也就是改變車輪轉(zhuǎn)向，使列車按不同的方向改變。泵內(nèi)設(shè)有壓力切斷閥限制系統(tǒng)壓力，設(shè)定值40 MPa。每個(gè)高壓側(cè)配有防止系統(tǒng)壓力過載溢流閥，設(shè)定值為 42.5 MPa；還配有內(nèi)置補(bǔ)油泵和補(bǔ)油溢流閥，補(bǔ)油壓力由補(bǔ)油溢流閥限制，設(shè)為2.5 MPa。

液壓馬達(dá)為斜軸結(jié)構(gòu)軸向柱塞馬達(dá)，排量從零到最大無(wú)級(jí)可調(diào)，旋轉(zhuǎn)方向雙向可逆，對(duì)應(yīng)列車不同運(yùn)行方向，帶比例電磁鐵，采用EP電氣控制，帶有沖洗和補(bǔ)油閥。

2.4　液壓閥選型

液壓閥用于控制液壓油的流向，壓力，流量等。系統(tǒng)壓力、液壓泵和馬達(dá)確定后，可以根據(jù)各閥的功能[3]，按需要，依據(jù)壓力和流量，選用液壓閥。

系統(tǒng)的液壓閥選用的液壓閥型號(hào)及主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2　液壓閥型號(hào)及壓力

2.5　液壓系統(tǒng)回路

液壓系統(tǒng)原理圖見圖3。

1、2.液壓泵　3～6.液壓馬達(dá)　7.溢流閥　8、9.液壓方向閥 10.順序閥　11.梭閥　12、13.電磁方向閥　14、15.分流集流塊圖3　液壓系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)采用了2個(gè)液壓泵，4個(gè)液壓馬達(dá)，以及5個(gè)液壓閥。另外，采用了分流集流塊，對(duì)系統(tǒng)的流量進(jìn)行均衡分配。

1) 主油路

帶有壓力的液壓油從2個(gè)泵流出后在一個(gè)分流集流塊合流，再同時(shí)分到4個(gè)液壓馬達(dá)，經(jīng)液壓馬達(dá)釋放能量后，匯集在另一個(gè)分流集流塊，回到2個(gè)液壓泵，開始新的工作循環(huán)。采用分流塊的目的是使2個(gè)泵的液壓油匯集后再流向4個(gè)馬達(dá)，使流向各馬達(dá)的流量基本均衡，并且可以互相補(bǔ)償壓力，從而使各馬達(dá)轉(zhuǎn)速基本一致，以保證各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速一致，6對(duì)車輪旋轉(zhuǎn)的同步性得到保證，則牽引力得到充分發(fā)揮行駛速度更加穩(wěn)定。

2) 補(bǔ)油及冷卻回路

每個(gè)液壓泵內(nèi)置的補(bǔ)油泵從油箱吸油，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)油，同時(shí)帶走系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，從泵的殼體內(nèi)流出，經(jīng)液壓油冷卻器冷卻后，回到液壓油箱。同時(shí)補(bǔ)充泄漏引起的流量損失。另外，液壓馬達(dá)帶有內(nèi)置的沖洗閥，將一定流量的熱油經(jīng)沖洗閥，從馬達(dá)殼體泄出，也帶走系統(tǒng)的部分熱量。

3) 液壓閥組回路

當(dāng)列車作業(yè)走行時(shí)，閥組不動(dòng)作；當(dāng)實(shí)施制動(dòng)時(shí)，電氣控制的液壓泵的電磁鐵斷電，液壓泵不再向液壓馬達(dá)供油；但這時(shí)由于慣性，列車仍未停止，馬達(dá)仍在轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)反帶液壓泵旋轉(zhuǎn)，為保護(hù)液壓泵和向液壓馬達(dá)繼續(xù)供油，列車實(shí)施制時(shí)閥組同時(shí)動(dòng)作，通過液壓泵的控制油口，使液壓泵繼續(xù)向回路供油，直到液壓馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，列車停止為止。

2.6　液壓系統(tǒng)的控制

液壓系統(tǒng)采用電氣、閉環(huán)控制。系統(tǒng)配有電氣控制器。液壓泵和液壓馬達(dá)分別帶有電液比例閥，排量的控制為EP電氣控制?？刂破黝A(yù)先輸入好控制程序。

司機(jī)室旋轉(zhuǎn)速度手輪，電信號(hào)傳遞給控制器，然后經(jīng)機(jī)車上的控制柜，傳給液壓泵和液壓馬達(dá)的比例電磁鐵，從而調(diào)節(jié)泵或馬達(dá)的排量，達(dá)到控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速的目的。當(dāng)速度設(shè)定后，系統(tǒng)通過閉環(huán)控制，來自動(dòng)調(diào)整泵或馬達(dá)的排量，從而使馬達(dá)轉(zhuǎn)速保持恒定。同時(shí)，控制添加了電信號(hào)的起動(dòng)和停止斜坡，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的平穩(wěn)無(wú)沖擊[5，6]。

3　液壓系統(tǒng)安裝

液壓系統(tǒng)安裝是否安全可靠，合理，對(duì)液壓系統(tǒng)的工作性能有很大影響[4]。根據(jù)車的總體布局，使液壓系統(tǒng)的安裝盡量集中，便于維護(hù)和保養(yǎng)，同時(shí)注意系統(tǒng)遠(yuǎn)離熱源，即柴油機(jī)及其排氣管，確保安全。系統(tǒng)主要大部件安裝示意圖見圖4。

圖4　液壓系統(tǒng)安裝

4　結(jié)論

列車已生產(chǎn)和運(yùn)用十余臺(tái)，五年多的運(yùn)用表明，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足使用要求，在各種鐵路線路上，都能進(jìn)行動(dòng)力傳遞，并且滿足速度和速度精度的要求。

參考文獻(xiàn)：

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