楊建昌 王建宏 朱紅軍 向鵬霖 黃 干 周明翔

1.株洲時代電氣股份有限公司軌道工程機械事業(yè)部，株洲，4120002.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 ，武漢，430063

0 引言

現(xiàn)有鋼軌打磨車基本是以內(nèi)燃機為動力，采用液壓/液力傳動方式[1-2]來進行作業(yè)。實際運用過程中，在封閉環(huán)境(特別是在長大隧道內(nèi))打磨作業(yè)時因通風不良，柴油發(fā)動機自身排放的廢氣循環(huán)進入通風冷卻系統(tǒng)經(jīng)常會造成發(fā)動機停機，從而嚴重影響作業(yè)效率，甚至導致車輛無法在長大隧道內(nèi)作業(yè)。且柴油機排放廢氣中的有害氣體對作業(yè)人員的人身安全也構(gòu)成了威脅。

此外，盡管經(jīng)過多年的快速發(fā)展，通過技術(shù)引進或是與外國公司合作等方式，多種類型的鋼軌打磨設(shè)備在我國逐步實現(xiàn)了國產(chǎn)化，但諸如軌道打磨裝置、牽引控制技術(shù)、打磨控制技術(shù)等關(guān)鍵部件及核心技術(shù)依然被國外公司壟斷，車輛維護難度大、維護周期長且成本高昂[3-7]。

雙動力48磨頭鋼軌打磨車是一款全新概念且具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的的鋼軌打磨車，旨在通過采用電傳動技術(shù)解決現(xiàn)有內(nèi)燃鋼軌打磨車存在的一系列問題。整車配備有柴油發(fā)電機組供電和接觸網(wǎng)供電兩種動力源，采用交流-直流-交流的傳動方式，車輛既可在有電區(qū)作業(yè)，也可在無電區(qū)作業(yè)，在行駛或作業(yè)過程中兩種動力源之間可進行無縫轉(zhuǎn)換。

1 技術(shù)實施路線的確定

將雙動力技術(shù)應(yīng)用于鋼軌打磨車在國內(nèi)屬于首創(chuàng)性技術(shù)，在考慮技術(shù)實施路線時主要有以下3種方案。

(1)方案1：柴油發(fā)電機組+接觸網(wǎng)供電+液壓/液力傳動。方案1的技術(shù)原理見圖1，由柴油發(fā)電機組或接觸網(wǎng)提供的交流電經(jīng)整流逆變后為液壓站提供電源，再由液壓站為走行馬達及打磨系統(tǒng)提供動力。方案1的主要優(yōu)點是更加接近現(xiàn)有鋼軌打磨車，技術(shù)相對成熟，且液壓元件相對體積較小，便于整車布置；缺點是傳動效率相對較低，且在兩種動力源之間進行轉(zhuǎn)換時需要停機，無法在車輛運行過程中進行。

圖1 柴油發(fā)電機組+接觸網(wǎng)+液壓/液力傳動技術(shù)原理圖Fig.1 Schematic of diesel generator set+overhead contact system +hydraulic transmission technology

(2)方案2：動力蓄電池組+接觸網(wǎng)供電+交流電傳動。方案2的技術(shù)原理見圖2，由動力蓄電池組或接觸網(wǎng)提供的電源經(jīng)整流逆變后為走行牽引電機及打磨系統(tǒng)提供動力。方案2的主要優(yōu)點是相比于液壓/液力傳動，車內(nèi)環(huán)境更加衛(wèi)生、更加安全與可靠，且易于維護、傳動效率高，兩種動力源可在車輛運行過程中實現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)換；缺點是打磨作業(yè)時所需的功率大，蓄電池體積龐大且成本高昂。

圖2 動力蓄電池組+接觸網(wǎng)+交流電傳動技術(shù)原理圖Fig.2 Schematic of power battery+overhead contact system +AC drive technology

(3)方案3：柴油發(fā)電機組+接觸網(wǎng)供電+交流電傳動。方案3的技術(shù)原理見圖3，由柴油發(fā)電機組或接觸網(wǎng)提供的電源經(jīng)整流逆變后分別給牽引電機和打磨系統(tǒng)提供動力。方案3同時兼顧考慮了方案1和方案2的優(yōu)缺點，且兩種動力源共用一套牽引傳動系統(tǒng)，僅在供電電源端有所不同，最大程度保證了整車的可靠性與經(jīng)濟性。

圖3 柴油發(fā)電機組+接觸網(wǎng)供電+交流電傳動技術(shù)原理圖Fig.3 Schematic of diesel generator set+overhead contact system +AC drive technology

綜上考慮，雙動力48磨頭鋼軌打磨車確定采用柴油發(fā)電機組+接觸網(wǎng)供電+交流電傳動的技術(shù)(方案3)實施路線。

2 解決的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 雙動力源無縫轉(zhuǎn)換技術(shù)

如圖3所示，兩種動力源共用一套牽引傳動系統(tǒng)，主電路設(shè)計時將兩路電源在直流端進行并聯(lián)，轉(zhuǎn)換時僅需對供電電源進行轉(zhuǎn)換，同時控制系統(tǒng)可根據(jù)負載的變化自動調(diào)整相關(guān)參數(shù)，因此轉(zhuǎn)換過程中整車性能參數(shù)保持不變，車載設(shè)備均能夠維持正常工作的狀態(tài)。

2.2 兼容高速走行及低恒速大扭矩作業(yè)的牽引控制技術(shù)

為保證系統(tǒng)的可靠性，牽引控制系統(tǒng)采用和諧電力機車運用多年的成熟技術(shù)，同時，為兼顧鋼軌打磨車高速走行時的高轉(zhuǎn)速、大功率輸出以及低速作業(yè)時的恒速、大扭矩輸出要求，在車軸齒輪箱只具有一級變速比的情況下，對牽引電機進行了全新研發(fā)。

2.3 打磨系統(tǒng)的研制

打磨系統(tǒng)是鋼軌打磨車的核心系統(tǒng)，主要包括打磨控制系統(tǒng)、打磨液壓系統(tǒng)、集塵系統(tǒng)和打磨小車。打磨控制系統(tǒng)采用自主研發(fā)且已經(jīng)在其他大型養(yǎng)路機械上運用多年的網(wǎng)絡(luò)控制平臺，集塵系統(tǒng)采用唐納森成熟產(chǎn)品，打磨液壓系統(tǒng)及打磨小車均根據(jù)車輛自身特性進行自主研發(fā)。

2.4 整車系統(tǒng)集成

整車設(shè)計以故障導向安全為原則，在滿足功能及性能要求的前提下，充分保證設(shè)備的安全性、可靠性、可維護性、經(jīng)濟性、工藝性和互換性，車輛主要部件如車體、電傳動轉(zhuǎn)向架、通風系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等均根據(jù)車輛總體要求進行自主研發(fā)。

3 車輛主要結(jié)構(gòu)與性能

3.1 主要性能參數(shù)

本文車輛符合GB 146.1—1983《標準軌距鐵路機車車輛限界》規(guī)定及科技裝函[2003]62號《高速鐵路機車車輛限界暫行規(guī)定》的要求，車輛動力學性能符合GB/T 17426的要求。車輛的主要性能參數(shù)見表1。供電方式為柴油發(fā)電機組+接觸網(wǎng)(AC 25 kV)，車輪踏面型式為LM磨耗型。

3.2 主要結(jié)構(gòu)

雙動力48磨頭鋼軌打磨車由三節(jié)車組成，包括一節(jié)動力牽引車和兩節(jié)打磨作業(yè)車。作業(yè)車位于列車兩端，兩節(jié)作業(yè)車的結(jié)構(gòu)相同，可完全互換使用；牽引車位于列車中部，為整車走行提供動力。整車共設(shè)置有兩套打磨裝置共48個磨頭，分布于兩節(jié)作業(yè)車車架下方。

雙動力48磨頭鋼軌打磨車主要由車體、轉(zhuǎn)向架、打磨系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、柴油發(fā)電機組、空氣系統(tǒng)、通風系統(tǒng)及安全裝置等組成，其結(jié)構(gòu)及主要設(shè)備布置見圖4。

3.2.1車體組成

車體采用整體承載式全鋼焊接結(jié)構(gòu)，作業(yè)車車體主要由車架、車體骨架、地板、外蒙皮、門窗、頂蓋、百葉窗、檢修門、內(nèi)裝飾等組成，見圖5。牽引車車體主要由底架、側(cè)墻結(jié)構(gòu)、隔墻、頂蓋、車梯等組成，見圖6。

圖6 牽引車車體組成Fig.6 The car body composition of the tractor vehicle

3.2.2轉(zhuǎn)向架

轉(zhuǎn)向架采用拉桿式定位焊接構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架，一系懸掛裝置采用圓柱螺旋彈簧，二系懸掛裝置采用橡膠旁承承載。動力轉(zhuǎn)向架采用交流電傳動轉(zhuǎn)向架，主要由整體式構(gòu)架、驅(qū)動裝置、牽引裝置、基礎(chǔ)制動裝置、輪對軸箱裝置、懸掛裝置、軸溫報警傳感器、接地裝置、管路附屬件等組成。非動力轉(zhuǎn)向架在動力轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)上取消了驅(qū)動裝置。兩種轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)分別見圖7和圖8。

1.構(gòu)架 2.輪對 3.牽引電機 4.單元制動器 5.橫向止擋 6.齒輪箱 7.垂向減振器 8.垂向止擋 9.旁承 10.牽引拉桿 11.橫向減振器 12.軸箱拉桿 13.聯(lián)軸節(jié) 14.軸箱組成 15.鋼彈簧圖7 動力轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of power bogie

1.構(gòu)架 2.輪對 3.單元制動器 4.橫向止擋 5.垂向減振器 6.垂向止擋 7.旁承 8.牽引拉桿 9.橫向減振器 10.軸箱拉桿 11.軸箱組成 12.鋼彈簧圖8 非動力轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of non-power bogie

3.2.3打磨系統(tǒng)

每節(jié)作業(yè)車下均設(shè)置有一套打磨裝置，每套打磨裝置均由3個8磨頭的打磨小車通過鉸接而成，每個打磨小車均對應(yīng)設(shè)置有一套集塵系統(tǒng)。打磨小車由小車車架、打磨單元、走行輪對、集塵通道、小車提升裝置以及防脫鏈、防火防塵裝置和輔助裝置等組成，見圖9。其中集塵系統(tǒng)主要由吸塵罩、波紋管補償器、通風管道、除塵器、風機等組成。

1.彈性牽引桿 2.提升油缸 3.防脫落鏈 4.剛性牽引桿 5.雙軸打磨小車 6.單軸打磨小車圖9 打磨裝置結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of grinding device

3.3 整車牽引特性

為確認該鋼軌打磨車能夠滿足在平直道自運行工況下速度達到100 km/h，以及能夠在限制坡道自運行及打磨作業(yè)工況下運行，需對整車的牽引特性進行計算。

整車牽引計算依據(jù)TB/T 1407—1998《列車牽引計算規(guī)程》的規(guī)定(以下簡稱“牽規(guī)”)進行，計算工況包括以下3種工況：平直道等速自運行、以平衡速度通過限制坡道以及在各種坡道進行打磨作業(yè)。計算結(jié)果取以上3種工況的最大值。

列車單位阻力包含單位運行基本阻力ω0、單位坡道阻力ωi、單位曲線附加阻力ωr，按牽規(guī)中的北京型(DFH3型)機車的參數(shù)進行取值，各單位阻力(N/kN)的表達式分別如下：

ω0=1.96+0.010 5v+0.000 549v2

(1)

ωi=i

(2)

ωr=600/R

(3)

式中，v為列車運行速度,km/h；i為坡度的千分值；R為列車通過的曲線半徑,m。

列車運行基本阻力Fω0按下式計算：

Fω0=ω0(2Q+P)g

(4)

式中，P為牽引車車體質(zhì)量，在整備情況下取P=92 t；Q為作業(yè)車車體質(zhì)量，在整備情況下取Q=92 t；g為重力加速度，本文取g=9.81 m/s2。

此外，列車還包含坡道阻力Fi和曲線附加阻力Fr，計算方法與列車運行基本阻力Fω0的計算方法基本相同，具體計算表達式見牽規(guī)。

打磨阻力[8]按以下經(jīng)驗公式計算：

Fg=N(Ff+Fu)

(5)

(6)

Fu=FPμ

(7)

式中，F(xiàn)g為列車打磨阻力;N為磨頭數(shù)量;Ff為單個磨頭切削力的縱向分力;Fu為單個磨頭與鋼軌間的縱向摩擦力;Nd為打磨功率;vg為打磨作業(yè)速度;vf為砂輪切削線速度;FP為磨頭與鋼軌之間作用力;μ為摩擦因數(shù)。

依據(jù)牽規(guī)取值，分別計算電力機車和內(nèi)燃機車的計算黏著系數(shù)μj，表達式如下：

電力機車：

μj=0.24+12/(100+8v)

(8)

內(nèi)燃機車：

μj=0.248+5.9/(75+20v)

(9)

依據(jù)黏著系數(shù)，可以計算得到黏著牽引力

Fμ=Pgμj

(10)

其中，在車內(nèi)消防用水全部消耗狀態(tài)下，取P=82 t。

本文以柴油發(fā)電機組供電工況為例，采用內(nèi)燃機車黏著系數(shù)計算表達式(式9)得到列車的計算黏著系數(shù)，并依據(jù)式(10)得到黏著牽引力結(jié)果，見表2。

表2 黏著牽引力結(jié)果

要求打磨電機以額定打磨功率Nd=22 kW工作，且在極限工況下，車輛打磨作業(yè)速度vg=16 km/h。磨頭與鋼軌之間作用力FP=2 000 N為恒定值，磨頭與鋼軌的摩擦因數(shù)μ取0.52，依據(jù)式(7)計算得到Fu=1 040 N。打磨電機轉(zhuǎn)速n=3 600 r/min，磨頭半徑Rg=130 mm，計算得到磨頭線速度vf=2πRgn/(60×1 000)=49 m/s。依據(jù)式(6)計算得到單個磨頭縱向分力Ff=40.8 N，進而根據(jù)式(5)計算得到打磨阻力Fg=52 kN。

依據(jù)式(1)～式(3)可計算得到列車的各單位阻力，結(jié)果見表3。

表3 列車運行阻力結(jié)果

注：v=0～5 km/h時的單位運行基本阻力ω0未依據(jù)式(1)進行計算，此時的ω0認為與單位啟動阻力相等(即ω0=5 N/kN)。因打磨作業(yè)時的牽引力遠遠大于高速自運行時的牽引力，而打磨作業(yè)時速度較低，因此計算時對隧道附加阻力未作考慮。

依據(jù)式(4)可計算得到列車運行基本阻力，并可通過牽規(guī)中的計算表達式得到列車其他阻力，在此基礎(chǔ)上，可以計算得到相應(yīng)的阻力總和F1、輪周牽引力F2和輪周功率Nk，計算表達式分別如下：

F1=Fω0+Fi+Fr+Fg

(11)

F2=F1/λ

(12)

Nk=5F2v/18

(13)

式中，λ為牽引力使用系數(shù)，一般取λ=0.9。

以平直道自運行工況為例，由于該工況不存在坡道、曲線附加等阻力，因此Fi、Fr和Fg的取值均為0，則F1=Fω0，并依據(jù)式(12)、式(13)得到輪周牽引力及輪周功率的結(jié)果，見表4。

圖10為鋼軌打磨車在自運行工況下的牽引力與阻力曲線，牽引力與阻力曲線顯示了打磨車牽引力與所受阻力之間的關(guān)系。由圖10可以看出，當整車的牽引力曲線位于各線路自運行阻力曲線上側(cè)時，表明牽引力Ft大于阻力總和F1，整車具備在該線路上自運行的能力，在3.3%坡道的平衡速度可達29 km/h，在2.0%坡道的平衡速度為41 km/h，在平直道上的平衡速度可以達到100 km/h。

表4 輪周牽引力及輪周功率結(jié)果

注：v=0～5 km/h時的輪周功率Nk按v=5 km/h進行計算。

圖10 牽引力與阻力曲線(自運行)Fig.10 Tractive effort curve and resistance curve(self-running)

圖11 牽引力與阻力曲線(打磨作業(yè))Fig.11 Tractive effort curve and resistancecurve(grinding working)

圖11所示為鋼軌打磨車在作業(yè)速度小于16 km/h打磨作業(yè)時，不同線路的阻力曲線與牽引力曲線的關(guān)系。鋼軌打磨車在各種坡道工況下進行打磨作業(yè)時，阻力總和F1考慮Fi(0%坡道工況下，F(xiàn)i=0)、Fr和Fg等阻力。由圖11 可以看出，在0%坡道、1.0%坡道、2.0%坡道條件下，列車均可滿足2～16 km/h的作業(yè)速度，在3.3%坡道條件下也可完成低速打磨作業(yè)，滿足長大坡道作業(yè)要求。

4 針對客運專線鐵路的適應(yīng)性設(shè)計

4.1 車輛限界

相比于普通干線鐵路，客運專線鐵路機車車輛限界的區(qū)別主要在于下部限界。整車限界校核、計算時綜合考慮了GB 146.1—1983《標準軌距鐵路機車車輛限界》以及科技裝函[2003]62號《高速鐵路機車車輛限界暫行規(guī)定》，整車外形尺寸可同時滿足上述兩種限界的要求。

4.2 線路條件

客運專線鐵路在曲線半徑、線路超高、軌枕類型等各方面均有別于普通干線鐵路。為了使車輛能夠適應(yīng)客運專線鐵路的打磨作業(yè)，特別針對武廣和京滬客運專線的線路狀況進行了調(diào)研，同時結(jié)合《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(高速鐵路部分)》、《新建時速200公里客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》、《新建時速200—250公里客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》、《新建時速300—350公里客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》的要求對整車結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)進行了適應(yīng)性設(shè)計，使整車具備在現(xiàn)有各種速度等級客運專線進行打磨作業(yè)的能力[9-11]。

5 產(chǎn)品優(yōu)勢與經(jīng)濟效益分析

5.1 產(chǎn)品優(yōu)勢

(1)節(jié)能環(huán)保，使用維護成本低。以電能作為動力源，能有效減少排放，降低噪聲污染，節(jié)約資源。同時整車完全自主化研制，能顯著減少使用維護成本。

(2)更加適用于長大隧道。在長大隧道內(nèi)，因通風不良易造成發(fā)動機過熱甚至停機，從而影響作業(yè)效率，且會縮短內(nèi)燃機壽命。同時內(nèi)燃機產(chǎn)生的廢氣有毒物質(zhì)難以排出隧道，嚴重影響作業(yè)人員身體健康。

(3)更加適用于高海拔地區(qū)。內(nèi)燃機在高海拔地區(qū)應(yīng)用時存在降功(功率降低)的現(xiàn)象，海拔每上升1 000 m，降功10%左右。而電氣設(shè)備適應(yīng)高海拔地區(qū)能力較強，只需要對電氣部件進行適應(yīng)性改進設(shè)計即可。

(4)環(huán)境更加友好。電能作為清潔能源，無污染，不會產(chǎn)生CO2、NOX、SOX等有毒有害物質(zhì)，同時，整車電氣設(shè)備間具有良好的通風與密封性能，車內(nèi)環(huán)境更加干凈、舒適。

5.2 經(jīng)濟效益分析

根據(jù)目前運用考核過程中的實際情況統(tǒng)計，采用內(nèi)燃動力打磨作業(yè)時，平均燃油消耗約為300 L/h，采用接觸網(wǎng)供電進行打磨作業(yè)時，平均每小時用電消耗約為650 kW·h。

(1)成本節(jié)約。每次作業(yè)按3 h、每年作業(yè)按100次進行計算，采用內(nèi)燃動力時，每年燃油消耗為300×3×100=90 000(L)；采用接觸網(wǎng)供電時，每年用電消耗為650×3×100=19 500(kW·h)。燃油價格按6.5元/L、用電價格按1.5元/(kW·h)計算，每年可節(jié)約成本約55.6萬元。

(2)環(huán)境保護。依據(jù)碳排放量計算公式，車輛二氧化碳排放量(kg)=油耗(L)×二氧化碳排放系數(shù)，根據(jù)IPCC(政府間氣候變化專門委員會)2006年數(shù)據(jù)，柴油的排放系數(shù)為2.73 kg/L(CO2當量)，由此可計算出一列48磨頭鋼軌打磨車采用接觸網(wǎng)供電時，每年可減少二氧化碳排放約246 t。

6 試驗情況

6.1 車體及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強度試驗

根據(jù)TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》對牽引車和作業(yè)車車體分別進行了工作狀態(tài)下的車體應(yīng)力測試，見圖12。根據(jù)TB/T 2368—2005《動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度試驗方法》對動力及非動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進行了超常載荷及運營載荷的靜強度試驗，結(jié)果表明，車體及轉(zhuǎn)向架均滿足強度設(shè)計要求。

圖12 作業(yè)車車體靜強度試驗Fig.12 The static strength test of working car body

6.2 整車動力學性能試驗

根據(jù)GB/T 17426《鐵道特種車輛和軌行機械動力學性能評定及試驗方法》對打磨車整備載荷狀態(tài)下50～132 km/h速度的動力學性能進行了試驗，結(jié)果表明運行穩(wěn)定性均在限度值內(nèi)，運行平穩(wěn)性指標屬于優(yōu)級。

6.3 作業(yè)性能試驗

根據(jù)GB/T 25336《鐵路大型養(yǎng)路機械檢查與試驗方法》對打磨車在柴油發(fā)電機組驅(qū)動和弓網(wǎng)受流驅(qū)動模式下的作業(yè)性能進行了試驗，試驗指標包括低恒速牽引、最高作業(yè)速度、作業(yè)精度、作業(yè)效率、集塵器性能等，試驗結(jié)果表明各項指標滿足標準要求。

7 結(jié)論

(1)從現(xiàn)場運用情況來看，雙動力48磨頭鋼軌打磨車整體性能優(yōu)良，特別是在整車平穩(wěn)性、舒適性等方面表現(xiàn)得尤為突出。

(2)相比于現(xiàn)有內(nèi)燃動力鋼軌打磨車，雙動力48磨頭鋼軌打磨車在節(jié)能環(huán)保、使用維護成本及長大隧道作業(yè)等方面優(yōu)勢明顯，可有效解決現(xiàn)有內(nèi)燃動力鋼軌打磨車在長大隧道作業(yè)時因發(fā)動機過熱甚至停機而影響作業(yè)效率，以及產(chǎn)生噪聲污染、廢氣污染等一系列技術(shù)問題。

(3)雙動力48磨頭鋼軌打磨車的社會效益和經(jīng)濟效益明顯。