適用于城市軌道交通的鋼軌銑磨車的研制

任曉剛

(中車洛陽機(jī)車有限公司 河南 洛陽 471002)

軌道交通行業(yè)迅猛發(fā)展，鋼軌性能保持是全球軌道交通行業(yè)的重大課題, 隨著鋼軌服役期的增長，鋼軌表面會(huì)產(chǎn)生多種病害損傷，給交通運(yùn)營帶來重大隱患，影響車輛安全性、舒適性。對鋼軌進(jìn)行科學(xué)維護(hù)，可以改善輪軌關(guān)系，延長鋼軌使用壽命，提高運(yùn)行舒適性，保障運(yùn)行安全。

目前,在城市軌道交通領(lǐng)域，進(jìn)行鋼軌維護(hù)的設(shè)備為鋼軌打磨車，打磨車以打磨頭包絡(luò)鋼軌輪廓進(jìn)行打磨作業(yè)，加工精度低，單次磨削量小，對鋼軌的重大傷害處理效果不佳，打磨車作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，在封閉環(huán)境中，會(huì)對作業(yè)人員產(chǎn)生極大危害，打磨時(shí)產(chǎn)生的明火也存在安全風(fēng)險(xiǎn)，因此越來越多的地鐵公司采用鋼軌銑磨車進(jìn)行鋼軌維護(hù)作業(yè)[1]。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼軌銑磨車是基于電驅(qū)動(dòng)的大型軌道養(yǎng)護(hù)車輛， 通過智能檢測識別鋼軌輪廓病害， 并采取“自裁決”修復(fù)作業(yè)方式， 恢復(fù)鋼軌橫斷面輪廓形狀,提高縱向平順性, 可一次性消除鋼軌病害。車輛從接觸網(wǎng)或蓄電池兩種直流電源接入， 經(jīng)變換后實(shí)現(xiàn)整車電牽引系統(tǒng)的控制， 并為銑磨作業(yè)裝置及車上輔助設(shè)備供電，以滿足自牽引運(yùn)行行駛及作業(yè)的動(dòng)力需要。

鋼軌銑磨車由動(dòng)力車和作業(yè)車組成一列，如圖1所示，配備1銑1磨單元，銑磨作業(yè)一次成型，恢復(fù)鋼軌橫斷面輪廓形狀，提高鋼軌的縱向平順性，消除軌面部分側(cè)磨、波磨、碾壓層、表面細(xì)小裂紋、剝離等缺陷。

動(dòng)力車設(shè)置有牽引司機(jī)室、動(dòng)力間。車頂設(shè)置受電弓、空調(diào)，空調(diào)位于司機(jī)室的上方。車內(nèi)布置蓄電池組、牽引電器柜組、牽引電機(jī)通風(fēng)機(jī)、車輛電器柜等。車下布置兩臺動(dòng)力轉(zhuǎn)向架以及風(fēng)缸、打磨裝置等。

作業(yè)車設(shè)置有牽引作業(yè)司機(jī)室、電氣室、設(shè)備間。車頂設(shè)置一臺空調(diào)，位于司機(jī)室的上方。電氣室布置銑磨作業(yè)電氣柜，設(shè)備間布置液壓泵組、空壓機(jī)、制動(dòng)閥柜和集屑裝置等。車下布置2臺非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架以及銑磨裝置、制動(dòng)電阻、風(fēng)缸等。

鋼軌銑磨車主要參數(shù)如下：

外形尺寸(長×寬×高) 29 344 mm×2 580

mm×3 700 mm

自行最高速度 80 km/h(接觸網(wǎng)

供電)

30 km/h(蓄電池

供電)

連掛最高速度 100 km/h

低恒速作業(yè)速度 0.3～3 km/h

作業(yè)方式 雙向行駛，單向

作業(yè)，一次成型

軸列式 動(dòng)力車(B0-B0)

作業(yè)車(B-B)

軸重 ≤14 t

軌距 1 435 mm

允許通過的最小曲線半徑R100 m

限界 地鐵B型車限界

1—?jiǎng)恿嚕?—作業(yè)車；3—銑削裝置；4—作業(yè)轉(zhuǎn)向架；5—操縱臺；6—制動(dòng)系統(tǒng)；7—折棚風(fēng)擋；8—電力牽引系統(tǒng)；9—?jiǎng)恿π铍姵兀?0—打磨裝置；11—?jiǎng)恿D(zhuǎn)向架；12—受電弓。圖1 鋼軌銑磨車布局圖

2 鋼軌銑磨車主要結(jié)構(gòu)

2.1 轉(zhuǎn)向架

轉(zhuǎn)向架為兩軸焊接轉(zhuǎn)向架。動(dòng)力車為交流電傳動(dòng)轉(zhuǎn)向架，作業(yè)車為非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。兩種轉(zhuǎn)向架基本結(jié)構(gòu)相同，動(dòng)力轉(zhuǎn)向架加裝牽引電機(jī)和齒輪箱，牽引電機(jī)采用水冷方式，非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架設(shè)剛性支撐，其中一系支撐油缸4條，二系支撐油缸2條。

2.2 制動(dòng)系統(tǒng)

動(dòng)力車和作業(yè)車均采用JZ-7型空氣制動(dòng)機(jī)，兩節(jié)車在空氣制動(dòng)系統(tǒng)組成與布置基本一致。制動(dòng)機(jī)選用JZ-7型空氣制動(dòng)機(jī)，采用階段制動(dòng)一次緩解方式，主要包括：JZ-7型制動(dòng)閥、中繼閥、JZ-7型集中安裝板、各種風(fēng)缸和壓力表。

2.3 電氣系統(tǒng)

供電系統(tǒng)由主回路供電和輔助供電組成。主電路采用雙電源供電系統(tǒng)，即DC1 500 V接觸網(wǎng)供電或DC600 V牽引蓄電池供電。經(jīng)受電弓或牽引蓄電池輸入的直流電由牽引逆變器變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電，向異步牽引電動(dòng)機(jī)供電。車輛控制系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)解決方案，可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)車牽引系統(tǒng)和銑磨作業(yè)控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和控制, 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用PROFINET及MODBUS總線技術(shù)。

2.4 銑銷系統(tǒng)

鋼軌銑削作業(yè)系統(tǒng)是鋼軌銑磨車的主要作業(yè)系統(tǒng)，通過對鋼軌軌頂面金屬進(jìn)行切削，實(shí)現(xiàn)鋼軌養(yǎng)護(hù)作業(yè)的預(yù)防性銑削、定期銑削和損傷修復(fù)銑削。鋼軌銑削作業(yè)系統(tǒng)主要包括銑刀盤、銑刀盤驅(qū)動(dòng)及進(jìn)給裝置、液壓系統(tǒng)、檢測定位裝置、輔助系統(tǒng)和作業(yè)控制系統(tǒng)等。

檢測定位裝置包括垂向檢測定位機(jī)構(gòu)和橫向檢測定位機(jī)構(gòu)。垂向檢測定位機(jī)構(gòu)由仿形靴、仿形靴支撐、固定塊、垂向位置傳感器及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成；橫向檢測定位機(jī)構(gòu)由仿形指、擺臂、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、復(fù)位彈簧、終端位置檢測裝置及橫向位置傳感器等組成，用于銑刀盤與鋼軌相對位置的檢測和定位。

作業(yè)控制系統(tǒng)用于銑削裝置、 集屑裝置、 轉(zhuǎn)向架剛性支撐等相關(guān)銑削作業(yè)裝置的協(xié)調(diào)控制； 與銑磨車牽引控制系統(tǒng)通訊， 完成整車的銑磨作業(yè)控制。 作業(yè)控制系統(tǒng)基于西門子SINUMERIK840Dsl數(shù)控系統(tǒng)， 可在司機(jī)室內(nèi)通過按鍵操作， 完成列車和銑削裝置的配合工作。 也可以在車兩側(cè)通過按鈕進(jìn)行調(diào)試操作。 作業(yè)單元MCU的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 作業(yè)單元MCU的系統(tǒng)框圖

3 鋼軌銑磨車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

基于交流傳動(dòng)的純電雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于大型軌道養(yǎng)護(hù)機(jī)械，綠色環(huán)保。

將智能控制技術(shù)應(yīng)用于軌道維護(hù)行業(yè)，形成智能鋼軌銑磨車。集成了機(jī)械、液壓、電氣、精密數(shù)控等多項(xiàng)技術(shù)，在統(tǒng)一的控制系統(tǒng)和控制軟件下協(xié)同工作，成為一體化設(shè)備。

采用低恒速交流傳動(dòng)控制技術(shù)，低恒速作業(yè)速度達(dá)到0.3～3 km/h，滿足銑削作業(yè)的超低恒速運(yùn)行和高精度控制要求。

高精度鋼軌輪廓數(shù)字化重建。通過傳感器超前檢測、曲線預(yù)判、數(shù)據(jù)濾波等算法，實(shí)現(xiàn)鋼軌輪廓的高精度數(shù)字化重建。

鋼軌銑削“自裁決”智能控制。通過實(shí)時(shí)精度跟蹤鋼軌以確定加工基準(zhǔn)，通過伺服進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鋼軌的精確加工。

4 計(jì)算試驗(yàn)驗(yàn)證

采用SIMPACK動(dòng)力學(xué)分析軟件建立了車輛系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型，對鋼軌銑磨車的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了全面動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算，主要包括運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、運(yùn)行平穩(wěn)性和運(yùn)行安全性等內(nèi)容。計(jì)算結(jié)果表明該車不同工況下的性能指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性具有足夠的速度裕量，能夠滿足最高100 km/h速度內(nèi)正常安全平穩(wěn)運(yùn)行的要求。

車輛的臨界速度計(jì)算結(jié)果為187 km/h，能夠滿足連掛時(shí)最高100 km/h速度級運(yùn)行的要求且有一定的裕量[2]。

各種速度下鋼軌銑磨車車體橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于3.0，滿足TB/T 17426—1998的優(yōu)級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，乘坐舒適性指標(biāo)均滿足中等水平規(guī)定。

運(yùn)行安全性計(jì)算了不同速度和直線、道岔、不同半徑曲線運(yùn)行時(shí)整車各轉(zhuǎn)向架、各輪對的輪軸橫向作用力、輪軌垂向作用力、脫軌系數(shù)值、輪重減載率等，計(jì)算結(jié)果滿足GB/T 5599—1985規(guī)定的限度值。其中R100 m半徑曲線運(yùn)行安全性計(jì)算結(jié)果如表1所示[3]。

表1 R100 m半徑曲線運(yùn)行安全性計(jì)算結(jié)果

車輛研制完成后，依據(jù)GB 17426—1998等動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，分別考察了車輛運(yùn)行安全性指標(biāo)和運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)，車輛的最高試驗(yàn)速度為80 km/h，試驗(yàn)結(jié)果如下：

運(yùn)行安全性方面，車輛導(dǎo)向輪對的輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率和脫軌系數(shù)最大值均小于對應(yīng)的限值。動(dòng)力車的脫軌系數(shù)、輪軌垂向力和輪重減載率的最大值出現(xiàn)在R800 m的曲線半徑上，通過速度是60 km/h，輪軸橫向力出現(xiàn)在R150 m的曲線半徑上，通過速度是15 km/h；作業(yè)車的脫軌系數(shù)、輪軸橫向力、輪軌垂向力和輪重減載率的最大值均出現(xiàn)在R800 m的曲線半徑上。

運(yùn)行平穩(wěn)性方面，動(dòng)力車橫向平穩(wěn)性均值最大值為2.08，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均值最大值為2.15；作業(yè)車橫向平穩(wěn)性均值最大值為2.07，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均值最大值為2.11。動(dòng)力車和作業(yè)車的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于3.0，達(dá)到了GB 17426—1998規(guī)定的優(yōu)級標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

鋼軌銑磨車是基于交流傳動(dòng)的純電雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的大型軌道養(yǎng)護(hù)機(jī)械，整車作業(yè)過程污染零排放，節(jié)能環(huán)保，更適用于城市軌道交通環(huán)境。

2020年5月至11月，鋼軌銑磨車在南京地鐵投入運(yùn)用，作業(yè)里程12 km，作業(yè)期間整車性能穩(wěn)定、可靠，故障率較低；銑磨作業(yè)功能良好、各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)到達(dá)國際先進(jìn)水平，解決了南京地鐵線路的波磨、魚鱗紋、剝離掉塊、肥邊等病害；鐵屑收集率達(dá)到了95%以上；作業(yè)環(huán)境友好，污染少，噪音小，得到了南京地鐵用戶的認(rèn)可。