王　鵬，高春雷

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081)

我國的大型養(yǎng)路機械經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，通過整車進口、引進技術(shù)國產(chǎn)化、自主研制和與國外公司聯(lián)合設(shè)計制造等方式，已經(jīng)形成了多個種類多種型號的車型，作業(yè)功能包括：道砟清篩、搗固、配砟整形、穩(wěn)定，鋼軌打磨、銑磨、焊接、探傷，橋梁檢查，隧道檢查，物料運輸，路基整治、換軌與換枕[1]。目前，全路已經(jīng)裝備了各類大型養(yǎng)路機械共計約 2 300 臺，為我國鐵路的提速和高鐵建設(shè)發(fā)揮了重大作用。

QS650型全斷面道床清篩機作為主力清篩機型，是引進奧地利普拉塞公司技術(shù)在國內(nèi)生產(chǎn)的，在我國鐵路系統(tǒng)共計有120多臺。其綜合作業(yè)能力為650 m3/h，挖掘?qū)挾葹?4 030，4 530，5 030 mm，挖掘深度為枕底下350 mm[2]。柴油機驅(qū)動、全液壓傳動的軌行式大型養(yǎng)路機械是利用挖掘鏈的扒齒切割道床上的道砟以及道砟振動篩分的原理進行工作的[3-6]。但是，對于道床清篩機各系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論問題，目前尚未進行深入的研究。為了提高我國大型清篩機的設(shè)計水平，應(yīng)該深入進行相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究，并對關(guān)鍵參數(shù)進行測試與分析。

本文將建立一套針對清篩機的走行系統(tǒng)、挖掘系統(tǒng)等工作裝置和系統(tǒng)的測試系統(tǒng)，監(jiān)測清篩作業(yè)時各系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，形成完整的清篩機作業(yè)系統(tǒng)性能參數(shù)測試方法，并利用該系統(tǒng)進行線路作業(yè)實測，研究分析作業(yè)參數(shù)對清篩作業(yè)性能和挖掘效率的影響。

1　測試分析基礎(chǔ)

測試分析前需先作基本的參數(shù)計算。

所監(jiān)測液壓驅(qū)動系統(tǒng)的流量qv、輸出轉(zhuǎn)速n、輸出扭矩T、輸出功率P的計算公式如下[7-10]：

式中：qv為流量，L/min；Vg為排量，mL/r；n為輸出轉(zhuǎn)速，r/m；ηv為容積效率；T為輸出扭矩，N·m；Δp為壓差,MPa；P為輸出功率，kW；ηmh為機械-液壓效率；ηt為機械效率。

2　測試系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(如圖1)配置了壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速、加速度傳感器，對清篩機性能進行綜合監(jiān)測。該系統(tǒng)主要由采集儀、傳感器和軟件平臺組成。

圖1　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

采集儀可由多個測試單元組合而成，其中有應(yīng)變/電壓測試單元、轉(zhuǎn)速測試單元、任意波形發(fā)生器單元、CAN總線接口單元等。應(yīng)變/電壓測試單元的通道具有很強的通用性，配合使用各種調(diào)理器，可完成應(yīng)變、應(yīng)力、振動、壓力、流量、扭矩、電壓、電荷、溫度等信號的測量。轉(zhuǎn)速/計數(shù)器通道單元，可接各種脈沖/頻率輸出型傳感器或計數(shù)器，用于轉(zhuǎn)速的測量或脈沖數(shù)/頻率值的統(tǒng)計。

軟件平臺包括底層驅(qū)動程序、通訊協(xié)議等，集數(shù)據(jù)采集、基本分析、階次分析、現(xiàn)場動平衡、沖擊波形檢測、試驗?zāi)B(tài)分析、聲學(xué)分析等多種工程應(yīng)用與分析功能于一體，采用模塊化管理機制，使用更加簡單便捷；能自動識別系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)置濾波及采樣參數(shù)、完全程控儀器量程，完成信號的實時采集分析處理；可實現(xiàn)虛擬儀器的功能、多功能模塊化管理和“一鍵設(shè)定”式的操作。

3　挖掘?qū)挾葘η搴Y作業(yè)效率的影響

3.1　作業(yè)工況

測試線路長650 m，2008年清篩過，線路坡度17‰。

測試工況分2種：工況1，挖掘?qū)挾?4 030 mm，起道高度50 mm；工況2，挖掘?qū)挾?4 530 mm，起道高度50 mm。

Numerical simulation study on the impact of a tropical cyclone on the ending of Meiyu

3.2　測試結(jié)果分析

測試得到工況1和工況2下QS650清篩機作業(yè)走行速度曲線。工況1下，最大速度為416.0 m/h，最小速度為370.6 m/h，平均速度為395.4 m/h。工況2下，最大速度為294.2 m/h，最小速度為267.9 m/h，平均速度為284.5 m/h。

挖掘?qū)挾葹? 030 mm時，Ⅱ型枕、50 kg/m鋼軌下道床斷面面積為1.76 m2，由挖掘斷面乘以作業(yè)速度即得到挖掘效率曲線[11]，如圖2(a)。可知，在此工況下進行連續(xù)清篩作業(yè)，挖掘效率最大值為719.7 m3/h，最小值為641.2 m3/h，平均值為684.1 m3/h。

挖掘?qū)挾葹? 530 mm時，Ⅱ型枕、50 kg/m鋼軌下道床斷面面積為1.87 m2，由挖掘斷面乘以作業(yè)速度即得到挖掘效率曲線，如圖2(b)?？芍?，在此工況下進行連續(xù)清篩作業(yè)，挖掘效率最大值為550.2 m3/h，最小值為501.0 m3/h，平均值為532.1 m3/h。

圖2　不同挖掘?qū)挾裙r下挖掘效率曲線

由測得的連續(xù)清篩作業(yè)時挖掘鏈驅(qū)動馬達進出口油壓力差曲線，可知挖掘?qū)挾?4 030 mm 工況下，挖掘驅(qū)動馬達壓力最大值為31.0 MPa，最小值為19.7 MPa，平均值為22.9 MPa。挖掘?qū)挾?4 530 mm 工況下，挖掘驅(qū)動馬達壓力最大值為23.5 MPa，最小值為14.3 MPa，平均值為16.8 MPa。

挖掘鏈驅(qū)動馬達流量在挖掘?qū)挾?4 030 mm 時，挖掘鏈驅(qū)動馬達流量最大值為514.2 L /min，最小值為346.8 L /min，平均值為464.5 L /min。挖掘?qū)挾?4 530 mm 時，最大值為502.1 L /min，最小值為458.3 L /min，平均值為472.8 L /min。

挖掘鏈速在挖掘?qū)挾?4 030 mm 時，挖掘鏈速最大值為3.7 m/s，最小值為2.6 m/s，平均值為3.3 m/s。挖掘?qū)挾?4 530 mm 時，挖掘鏈速最大值為3.6 m/s，最小值為3.3 m/s，平均值為3.4 m/s。

挖掘鏈驅(qū)動馬達功率在挖掘?qū)挾?4 030 mm 工況下，挖掘鏈驅(qū)動馬達功率最大值為210.9 kW，最小值為122.7 kW，平均值為172.0 kW。挖掘?qū)挾?4 530 mm 工況下，挖掘鏈驅(qū)動馬達功率最大值為171.8 kW，最小值為110.4 kW，平均值為129.4 kW。

3.3　驅(qū)動系統(tǒng)測試參數(shù)

綜上所述，同一線路條件、同一起道高度50 mm下，QS650清篩機按挖掘?qū)挾?4 030 mm 和 4 530 mm 進行清篩作業(yè)時，主要工作參數(shù)見表1。表1為不同挖掘?qū)挾裙r下驅(qū)動系統(tǒng)測試參數(shù)值。

表1　不同挖掘?qū)挾裙r下驅(qū)動系統(tǒng)測試參數(shù)值

4　起道高度對清篩作業(yè)效率的影響

4.1　作業(yè)工況

測試線路長1 km，該段線路在2008年清篩過。

測試工況分2種：工況3,挖掘?qū)挾?4 030 mm，起道高度50 mm；工況4,挖掘?qū)挾?4 030 mm，起道高度80 mm。

4.2　測試結(jié)果分析

工況3下QS650清篩機作業(yè)走行速度最大速度為370.1 m/h，最小速度為335.6 m/h，平均值為353.9 m/h。

工況4下QS650清篩機作業(yè)走行速度最大速度為522.2 m/h，最小速度為450.3 m/h，平均值為474.5 m/h。

起道高度50 mm時進行連續(xù)清篩作業(yè)，挖掘效率最大值為651.3 m3/h，最小值為590.6 m3/h，平均值為622.9 m3/h。起道高度80 mm時連續(xù)清篩作業(yè)，挖掘效率最大值為903.4 m3/h，最小值為779.0 m3/h，平均值為820.9 m3/h。

連續(xù)清篩作業(yè)時，起道高度50 mm工況下，挖掘驅(qū)動馬達壓力最大值為32.8 MPa，最小值為19.3 MPa，平均值為26.3 MPa。起道高度80 mm工況下，挖掘驅(qū)動馬達壓力最大值為32.8 MPa，最小值為23.3 MPa，平均值為27.5 MPa。

挖掘鏈驅(qū)動馬達流量在起道高度50 mm時，其最大值為470.6 L /min，最小值為417.6 L /min，平均值為442.6 L /min。起道高度80 mm時，其最大值為488.6 L /min，最小值為437.6 L /min，平均值為466.6 L /min。

挖掘鏈速在起道高度50 mm時，挖掘鏈速最大值為3.6 m/s，最小值為2.7 m /s，平均值為3.2 m /s。起道高度80 mm時，挖掘鏈速最大值為3.8 m /s，最小值為2.9 m /s，平均值為3.4 m /s。

挖掘鏈驅(qū)動馬達功率在起道高度50 mm工況下，挖掘鏈驅(qū)動馬達功率最大值為223.0 kW，最小值為142.2 kW，平均值為187.6 kW。起道高度80 mm工況下，挖掘鏈驅(qū)動馬達功率最大值為240.2 kW，最小值為176.7 kW，平均值為204.8 kW。

4.3　驅(qū)動系統(tǒng)測試參數(shù)

綜上所述，同一線路條件、同一挖掘?qū)挾?4 030 mm 下，QS650清篩機按起道高度50 mm和80 mm 進行清篩作業(yè)時，驅(qū)動系統(tǒng)測試參數(shù)值見表2。

表2　不同起道高度下驅(qū)動系統(tǒng)測試參數(shù)值

5　結(jié)論

本文首先建立一套針對清篩機的走行系統(tǒng)、挖掘系統(tǒng)等工作裝置和系統(tǒng)的測試系統(tǒng)，監(jiān)測清篩作業(yè)時各系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，形成完整的清篩機作業(yè)系統(tǒng)性能參數(shù)測試方法。經(jīng)測試得到的QS650清篩機作業(yè)性能參數(shù)如下：

1)QS650清篩機挖掘?qū)挾葹?4 030 mm 時，挖掘作業(yè)效率為684.1 m3/h，挖掘驅(qū)動功率為172.0 kW；挖掘?qū)挾葹?4 530 mm 時，挖掘作業(yè)效率為532.1 m3/h，挖掘驅(qū)動功率為129.4 kW。挖掘?qū)挾仍龃螅诰蜃枇υ龃?，作業(yè)效率降低。

2)QS650清篩機起道高度為50 mm時，挖掘作業(yè)效率為622.9 m3/h，挖掘驅(qū)動功率為187.6 kW；起道高度為50 mm時，挖掘作業(yè)效率為820.9 m3/h，挖掘驅(qū)動功率為204.8 kW。起道高度越大，挖掘阻力越小，作業(yè)效率越高。

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