高速動(dòng)車(chē)組液壓起復(fù)機(jī)具的研究和應(yīng)用*

馬　林， 周先平， 白付維， 任導(dǎo)之， 黃宏偉

(太原鐵路局　科學(xué)技術(shù)研究所， 山西太原 030013)

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高速動(dòng)車(chē)組液壓起復(fù)機(jī)具的研究和應(yīng)用*

馬林， 周先平， 白付維， 任導(dǎo)之， 黃宏偉

(太原鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所， 山西太原 030013)

對(duì)發(fā)生一般性脫軌事故的動(dòng)車(chē)車(chē)輛實(shí)施頂復(fù)作業(yè)是一種重要的救援方法。結(jié)合我國(guó)高速鐵路的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)和動(dòng)車(chē)車(chē)輛結(jié)構(gòu)，提出了高速動(dòng)車(chē)組液壓起復(fù)機(jī)具的工作原理及主要技術(shù)關(guān)鍵，介紹了主頂升油缸、側(cè)頂升油缸、橫移裝置、液壓泵站、油管總成等部件的主要技術(shù)參數(shù)、機(jī)具的性能檢驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果等。

動(dòng)車(chē)車(chē)輛； 無(wú)砟軌道； 脫軌事故； 救援方法； 起復(fù)機(jī)具

安全是鐵路運(yùn)輸?shù)挠篮阒黝}。在發(fā)生機(jī)車(chē)車(chē)輛脫軌事故的本線上開(kāi)通線路主要有拉復(fù)、頂復(fù)、吊復(fù)等救援方法[1]。

拉復(fù)：用機(jī)車(chē)或其他牽引動(dòng)力、復(fù)軌器、牽引套鉤等拉拽事故車(chē)復(fù)軌。

頂復(fù)：用液壓起復(fù)機(jī)具將事故車(chē)頂起，向線路中心橫移直至車(chē)輪落軌。

吊復(fù)：用軌道起重機(jī)、吊具和索具等將事故車(chē)吊起復(fù)軌。

頂復(fù)法是美國(guó)人Able在1925年發(fā)明并申請(qǐng)專(zhuān)利的。目前世界各國(guó)使用的頂復(fù)機(jī)具都是在此基礎(chǔ)上演化或派生出來(lái)的。所謂頂復(fù)法是指用特制液壓千斤頂和輔助機(jī)具從脫軌機(jī)車(chē)車(chē)輛下部的一端中部或一端兩側(cè)頂起脫軌車(chē)，當(dāng)轉(zhuǎn)向架輪對(duì)的輪緣高于軌面時(shí)，平面移動(dòng)事故車(chē)至線路上方的正確位置后落下，使其復(fù)軌的方法。在幾種傳統(tǒng)的作業(yè)方法中，液壓起復(fù)機(jī)具利用便攜式的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)(或電動(dòng)機(jī))為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，通過(guò)頂升—橫移—落位完成復(fù)軌作業(yè)，以其具有的復(fù)軌距離大、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

與普速鐵路相比，高速鐵路的相當(dāng)一部分區(qū)段采用了板式或塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，而且橋梁和隧道在線路總長(zhǎng)度中占有相當(dāng)大的比例；動(dòng)車(chē)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜、型號(hào)較多、價(jià)格昂貴，既有救援設(shè)備不能有效發(fā)揮作用，因此，重新研究高速鐵路動(dòng)車(chē)組救援技術(shù)裝備和救援方法勢(shì)在必行。

根據(jù)原鐵道部科技開(kāi)發(fā)計(jì)劃要求，太原鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所成立課題組，專(zhuān)項(xiàng)研究高速動(dòng)車(chē)組液壓起復(fù)機(jī)具(項(xiàng)目編號(hào)：2012J005-C)，實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是：頂升千斤頂采用輕質(zhì)合金材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低裝備自重；采用雙點(diǎn)頂起、橫移落位的作業(yè)方式，優(yōu)化作業(yè)程序；解決高速動(dòng)車(chē)組下部空間狹窄，傳統(tǒng)起復(fù)機(jī)具難以作業(yè)的問(wèn)題。

1　工作原理及主要技術(shù)關(guān)鍵

1.1工作原理

頂復(fù)作業(yè)的實(shí)施依賴于頂點(diǎn)的選擇，主要分為單點(diǎn)頂復(fù)、雙點(diǎn)頂復(fù)兩種方式。單點(diǎn)頂復(fù)作業(yè)可適用于大部分的主型機(jī)車(chē)車(chē)輛和線路條件，其優(yōu)點(diǎn)是：機(jī)具部件少，準(zhǔn)備時(shí)間短，操作簡(jiǎn)單方便。但是對(duì)一些新型的或特殊的車(chē)體，無(wú)法找到合適的單點(diǎn)頂升的位置；另外對(duì)于脫軌在小半徑曲線上的機(jī)車(chē)車(chē)輛，受外軌超高的影響，單點(diǎn)頂升復(fù)軌作業(yè)也較難實(shí)現(xiàn)。在這些情況下，需采用雙點(diǎn)頂復(fù)的作業(yè)方法。

高速動(dòng)車(chē)組液壓起復(fù)機(jī)具的工作原理是：在動(dòng)車(chē)組脫軌轉(zhuǎn)向架下架設(shè)橫移梁、橫移小車(chē)、主頂升油缸、橫移油缸等，采用2只主頂升油缸同時(shí)頂起轉(zhuǎn)向架側(cè)架底面，將脫軌事故車(chē)輛抬高至輪緣高于軌面，然后進(jìn)行橫移，使事故車(chē)輛輪對(duì)位于軌道上方并與軌道對(duì)正，落下主頂升油缸，將事故車(chē)輛復(fù)軌。當(dāng)事故動(dòng)車(chē)組脫軌距離較遠(yuǎn)或車(chē)體傾斜，主頂升油缸及橫移裝置不能放入轉(zhuǎn)向架側(cè)架底面時(shí)，先在車(chē)體兩側(cè)邊梁架車(chē)位架設(shè)2只側(cè)頂升油缸及輔件，將脫軌事故車(chē)輛扶正抬高至主頂升油缸和橫移裝置能夠放到轉(zhuǎn)向架側(cè)架底面下，再進(jìn)行頂升—橫移—落車(chē)復(fù)軌，見(jiàn)圖1。

1-轉(zhuǎn)向架側(cè)架; 2-橫移油缸; 3-連接桿件;4-主頂升油缸; 5-側(cè)頂升油缸;6-橫移小車(chē);7-橫移梁。

圖1高速動(dòng)車(chē)組液壓起復(fù)機(jī)具工作原理圖

1.2主要技術(shù)關(guān)鍵

(1) 復(fù)軌距離的確定

我國(guó)高速鐵路線路采用了5種板式或雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，圖2為CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道標(biāo)準(zhǔn)斷面示意圖[2]，圖中軌枕板寬度為2 550 mm。當(dāng)事故動(dòng)車(chē)組的車(chē)輛外側(cè)車(chē)輪脫軌超出軌枕板邊緣時(shí)(即脫軌距離大于500 mm)，車(chē)輪懸空，車(chē)體發(fā)生傾斜并在鋼軌或線路上摩擦滑行，必然造成轉(zhuǎn)向架?chē)?yán)重?fù)p壞。而當(dāng)脫軌距離小于500 mm時(shí)，脫軌輪對(duì)仍然保持在軌枕板上滾動(dòng)，不會(huì)造成轉(zhuǎn)向架的嚴(yán)重?fù)p壞，事故車(chē)輛救援復(fù)軌后，基本能夠恢復(fù)運(yùn)行。因此，將高速動(dòng)車(chē)組液壓起復(fù)機(jī)具的最大復(fù)軌距離確定為500 mm。

圖2　CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道標(biāo)準(zhǔn)斷面示意圖

(2) 油缸材料的選擇

油缸材料的性能決定了油缸的外形尺寸和本體質(zhì)量。目前制作油缸的材料主要有兩種，一種是高強(qiáng)合金鋼，一種是鈦合金。

高強(qiáng)合金鋼與鈦合金材料的強(qiáng)度相當(dāng)，但價(jià)格較低，加工性能優(yōu)良，有利于推廣使用。鈦合金具有較好的耐蝕性、韌性和焊接性以及較小的密度等，在航空航天、石油化工、船舶、汽車(chē)、醫(yī)藥等行業(yè)都得到成功的應(yīng)用。鈦合金的工作溫度為：-100℃～550℃，密度為：4.5 g/cm3(只接近合金鋼的60%)，選用鈦合金可在保證同等強(qiáng)度的情況下降低油缸的質(zhì)量，但其價(jià)格很高，加工性能較差。在綜合考慮了高鐵救援的特殊性及兩種材料的性價(jià)比等因素后，課題組選用鈦合金制作了機(jī)具的各種油缸。

(3) 頂升油缸參數(shù)的確定

目前，我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)的動(dòng)車(chē)組有6個(gè)系列16種車(chē)型，動(dòng)車(chē)車(chē)輛下部封閉懸掛了多種設(shè)備，并且各車(chē)型結(jié)構(gòu)差異較大。動(dòng)車(chē)組的限制軸重為170 kN[3]，考慮到一定的安全系數(shù)(1.5倍)，將頂升油缸的最小頂升力設(shè)計(jì)為250 kN。受轉(zhuǎn)向架側(cè)架底面與軌面間高度的制約，主頂升油缸與橫移裝置組裝后的整體高度不得大于300 mm，因此需將頂升油缸設(shè)計(jì)為多級(jí)結(jié)構(gòu)。在油缸承重過(guò)程中，為防止意外情況(如油管破裂、接頭松脫)導(dǎo)致的負(fù)載突降，采用可靠性很高的液控單向閥(亦稱液壓鎖)作為頂升油缸的自鎖保護(hù)裝置。主頂升油缸和側(cè)頂升油缸的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(4) 橫移油缸及柱塞支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

橫移油缸以橫移梁為依托，推、拉橫移小車(chē)實(shí)現(xiàn)車(chē)體的橫向移動(dòng)。受橫移裝置的結(jié)構(gòu)限制及橫移油缸的強(qiáng)度制約，將橫移油缸的行程確定為300 mm。為達(dá)到最大復(fù)軌距離500 mm，橫移油缸必須完成兩個(gè)行程作業(yè)。為此，在橫移油缸的一端設(shè)計(jì)了柱塞式油缸支撐結(jié)構(gòu)，并在橫移梁上設(shè)計(jì)了等距離方孔(方孔間距為250 mm)。當(dāng)柱塞落入方孔中時(shí)，橫移油缸以橫移梁為支撐，推、拉橫移小車(chē)移動(dòng)一個(gè)行程；當(dāng)柱塞縮回退出方孔后，橫移油缸移動(dòng)柱塞至橫移梁另一方孔位置，再使柱塞落入方孔中，橫移油缸繼續(xù)推、拉橫移小車(chē)移動(dòng)第2個(gè)行程，從而增大了復(fù)軌距離。橫移油缸的推、拉及柱塞的伸縮均通過(guò)液壓泵站遠(yuǎn)程操控。橫移油缸及柱塞支撐的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

(5) “凹”形橫移梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為有效降低主頂升油缸與橫移裝置組裝后的整體高度，在確保主頂升油缸工作行程的基礎(chǔ)上，將橫移梁截面由原來(lái)的“口”形結(jié)構(gòu)更改為“凹”形結(jié)構(gòu)，使橫移小車(chē)落入橫移梁的凹槽中，不僅減少了組裝高度，而且約束了橫移小車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)有限元分析優(yōu)化，確定了橫移梁的外觀及尺寸。當(dāng)單根橫移梁長(zhǎng)度不足時(shí)，可將兩根橫移梁拼接使用。橫移梁的外觀及受力分析結(jié)果如圖5所示。

圖3　主頂升油缸和側(cè)頂升油缸的結(jié)構(gòu)圖

1-橫移油缸; 2-柱塞。

圖5　橫移梁的外觀及受力分析結(jié)果

3　部件組成及主要技術(shù)參數(shù)

高速動(dòng)車(chē)組液壓起復(fù)機(jī)具主要由主頂升油缸、側(cè)頂升油缸、橫移裝置、液壓泵站、油管及輔件等組成。

3.1主頂升油缸

主頂升油缸放在橫移裝置的橫移小車(chē)上，位于動(dòng)車(chē)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架側(cè)架底面下方，用于起降動(dòng)車(chē)車(chē)體，并隨橫移裝置橫向移動(dòng)。油缸采用二級(jí)雙作用活塞式結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)較大的行程，并有效降低油缸本體高度，適用于在狹小空間內(nèi)作業(yè)。油缸主體采用高強(qiáng)度輕質(zhì)鈦合金材料制造，減輕了油缸質(zhì)量。油缸裝配有液壓鎖和上腔安全閥，確保油缸平穩(wěn)可控下降和作業(yè)安全。作業(yè)示意見(jiàn)圖6，主要技術(shù)指標(biāo)為：

推力：一級(jí)610 kN，二級(jí)250 kN；

行程：一級(jí)68 mm，二級(jí)72 mm，總行程140 mm；

本體高度：160 mm；質(zhì)量：17 kg。

圖6　主頂升油缸作業(yè)示意圖

3.2側(cè)頂升油缸

側(cè)頂升油缸架設(shè)在車(chē)體邊梁下，與邊梁頂頭和油缸底座配合，用于抬升動(dòng)車(chē)車(chē)體及轉(zhuǎn)向架，擴(kuò)大車(chē)體下部空間，使主頂升油缸及橫移裝置能夠順利地組裝在線路鋼軌與轉(zhuǎn)向架側(cè)架底面之間。側(cè)頂升油缸采用與主頂升油缸相同的結(jié)構(gòu)型式及材料。油缸也裝配有液壓鎖和上腔安全閥，確保油缸平穩(wěn)可控下降和作業(yè)安全。作業(yè)示意見(jiàn)圖7，主要技術(shù)指標(biāo)為：

推力：一級(jí)610 kN,二級(jí)250 kN；

行程：一級(jí)252 mm、二級(jí)258 mm，總行程510 mm；

本體高度：450 mm；質(zhì)量：42 kg。

圖7　側(cè)頂升油缸作業(yè)示意圖

3.3橫移裝置

橫移裝置由橫移油缸、橫移梁、橫移小車(chē)及連接輔件等組成。橫移裝置架設(shè)在線路鋼軌與轉(zhuǎn)向架側(cè)架底面之間，通過(guò)組裝在橫移小車(chē)上的主頂升油缸承載車(chē)體質(zhì)量，并為車(chē)體橫向移動(dòng)提供導(dǎo)向和動(dòng)力。

橫移油缸采用單級(jí)雙作用活塞式結(jié)構(gòu)，其一端裝配有柱塞式油缸，操作液壓泵站的對(duì)應(yīng)控制閥使柱塞落入橫移梁的方孔內(nèi)為橫移油缸提供支撐，另一端與橫移小車(chē)連接，在橫移油缸的推、拉作用下，使橫移小車(chē)相對(duì)于橫移梁移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)體的橫向移動(dòng)。在橫移梁上加工有等距離(小于橫移油缸的行程)的若干方孔，通過(guò)操作控制閥使柱塞縮回并脫離橫移梁的方孔，在橫移油缸的作用下，使柱塞移動(dòng)到橫移梁的另一方孔處做支撐，繼續(xù)移動(dòng)橫移小車(chē)，從而增大車(chē)體的橫移量和機(jī)具的復(fù)軌距離。作業(yè)示意見(jiàn)圖8，主要技術(shù)指標(biāo)為：

圖8　橫移裝置作業(yè)示意圖

橫移油缸：推、拉力：140 kN/80 kN，行程：300 mm；

長(zhǎng)橫移梁：2 m×380 mm×(50/100) mm(長(zhǎng)×寬×高)；

短橫移梁：1 m×380 mm×(50/100) mm(長(zhǎng)×寬×高)；

橫移小車(chē)：400 mm×260 mm×90 mm(長(zhǎng)×寬×高)。

3.4液壓泵站

機(jī)具液壓原理如圖9所示。

液壓泵站主要由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、柱塞式泵體、油箱、溢流閥、調(diào)壓閥、卸載閥、方向控制閥組、壓力表及行走機(jī)構(gòu)等組成。液壓泵站由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，為系統(tǒng)中的各油缸提供穩(wěn)定的動(dòng)力，方向控制閥組提供4個(gè)雙作用回路和1個(gè)單作用回路，分別控制各油缸的伸出或縮回。行走機(jī)構(gòu)方便液壓泵站沿鋼軌或路肩推行。作業(yè)示意見(jiàn)圖10，主要技術(shù)指標(biāo)為：

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)功率：9.0 HP(6.6 kW)；

額定工作壓強(qiáng)：50 MPa，輸出流量：5 dm3/min；

1-汽油發(fā)動(dòng)機(jī); 2-油箱；3-濾油器; 4-柱塞式泵體；5-溢流閥; 6-壓力表；7-調(diào)壓閥; 8-卸載閥；9-方向控制閥; 10-側(cè)頂升油缸；11-主頂升油缸; 12-油管；13-橫移油缸(含支撐柱塞)。

圖9機(jī)具液壓原理圖

控制回路：4個(gè)雙作用回路和1個(gè)單作用回路；

油箱儲(chǔ)油量：≥40 dm3，油箱出油量：≥11 dm3。

圖10　液壓泵站作業(yè)示意

3.5油管總成

油管總成用于連接液壓泵站和油缸，采用強(qiáng)度高、外徑小、質(zhì)量輕的彩色聚氨酯材料油管和自封式快換接頭。各油缸的下腔均連接同一種顏色的油管，各油缸的上腔均連接另一種顏色的油管。為保證作業(yè)人員的安全操作距離，單根油管長(zhǎng)度為10 m。

4　性能檢驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1性能檢驗(yàn)

2014年5月高速動(dòng)車(chē)組液壓起復(fù)機(jī)具在原鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心機(jī)車(chē)車(chē)輛檢驗(yàn)站進(jìn)行了送樣型式檢驗(yàn)。根據(jù)TB/T 3123.3-2005《鐵路行車(chē)事故救援設(shè)備 第3部分：液壓起復(fù)機(jī)具》和《高速動(dòng)車(chē)組液壓起復(fù)機(jī)具型式檢驗(yàn)大綱》，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了基本參數(shù)檢查、密封性能試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)和保壓試驗(yàn)，所檢項(xiàng)目均符合檢驗(yàn)依據(jù)規(guī)定的要求。

4.2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2014年2月高速動(dòng)車(chē)組液壓起復(fù)機(jī)具在太原鐵路局救援培訓(xùn)中心進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，起復(fù)對(duì)象為一節(jié)CRH1型動(dòng)車(chē)車(chē)輛。試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)具設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量較輕、使用方便，能滿足現(xiàn)場(chǎng)救援作業(yè)的實(shí)際需要。

5　結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)兩年時(shí)間的研究，高速動(dòng)車(chē)組液壓起復(fù)機(jī)具實(shí)現(xiàn)了《課題合同》約定的各項(xiàng)目標(biāo)。2014年7月中國(guó)鐵路總公司科技管理部組織中國(guó)鐵道科學(xué)研究院、青島四方車(chē)輛研究所、長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司、唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司、四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司、西南交通大學(xué)、北京交通大學(xué)的專(zhuān)家對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行了結(jié)題技術(shù)驗(yàn)收。

高速動(dòng)車(chē)組液壓起復(fù)機(jī)具的研制成功，豐富了我國(guó)高速鐵路脫軌事故救援的方法和手段，成果技術(shù)創(chuàng)新是：

(1) 采用以轉(zhuǎn)向架側(cè)架為頂點(diǎn)的雙點(diǎn)頂升-橫移-復(fù)軌的作業(yè)方法，克服了動(dòng)車(chē)組車(chē)輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜、下部懸掛設(shè)備多樣的難題，提高了機(jī)具的通用性。

(2) 通過(guò)頂升動(dòng)車(chē)組車(chē)輛邊梁，從而抬高車(chē)體及轉(zhuǎn)向架，擴(kuò)大了事故車(chē)輛下部作業(yè)空間，便于后續(xù)救援作業(yè)的開(kāi)展。

(3) 主頂升油缸及側(cè)頂升油缸均采用了液壓鎖和有桿腔安全閥結(jié)構(gòu)，確保車(chē)體降落時(shí)平穩(wěn)可控和油缸作業(yè)安全。

(4) 橫移油缸與橫移梁的支撐采用柱塞式油缸結(jié)構(gòu)，通過(guò)遠(yuǎn)程控制柱塞的伸出或回縮，改變橫移油缸在橫移梁上的支撐位置，增大車(chē)體橫移量，有效擴(kuò)大了復(fù)軌距離，提高了作業(yè)效率。

(5) 采用汽油機(jī)泵站和多控制回路型式，可同時(shí)操縱多個(gè)油缸工作，單件質(zhì)量輕、使用方便。

高速動(dòng)車(chē)組液壓起復(fù)機(jī)具適用于我國(guó)高速鐵路動(dòng)車(chē)組一般性脫軌事故的頂復(fù)救援作業(yè)，具有通用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、作業(yè)安全可靠等特點(diǎn)，可配屬于承擔(dān)高鐵救援任務(wù)的救援列車(chē)、救援隊(duì)，對(duì)提升我國(guó)鐵路救援裝備的現(xiàn)代化具有重要意義。

[1]馬林.鐵路行車(chē)事故應(yīng)急救援方法及裝備[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.

[2]鄧昌大，秦立朝.高速鐵路無(wú)砟軌道[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2012.

[3]孔慶春.鐵路交通事故應(yīng)急救援[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2013年：260-261.

Research and Application of Hydraulic Rerailing Equipment for EMU

MA Lin, ZHOU Xianping, BAI Fuwei, REN Daozhi, HUANG Hongwei

(Research Institute of Science & Technology, Taiyuan Railway Bureau, Taiyuan 030013 Shanxi, China)

Rerailing job for general derailed EMU is one of important rescue methods in china. According to the structure of unballasted track and EMU, this paper brings forward the working principle and main technical keys of hydraulic rerailing equipment for EMU, and introduces main specifications of basic lifting jack, side lifting jack, translational unit, oil pump set, oil pipe, the holistic results of performance inspection and practical test, and so on.

EMU; unballasted track; derailed accident; rescue method; rerailing equipment

1008-7842 (2015) 06-0034-05

男，高級(jí)工程師(

2015-07-17)

U269.6

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.08

*原鐵道部2012年重大科研課題(2012J005-C)