王清標， 呂國慶， 張育平

(湖大海捷(湖南)工程技術(shù)研究有限公司， 湖南 長沙 410205)

引言

鐵路鋼軌在長時間、高負荷的運行過程中會出現(xiàn)諸如表面疲勞開裂、側(cè)向肥邊和波形磨損等缺陷，會影響行車安全和鋼軌使用壽命，因此需要對其進行整形修護作業(yè)[1-4]。目前，鋼軌在線修復技術(shù)主要有鋼軌在線打磨和鋼軌在線銑削。相比鋼軌在線打磨，鋼軌在線銑削修復具有明顯的優(yōu)勢，尤其是在鋼軌出現(xiàn)較嚴重的缺陷狀況時[5-7]。本研究介紹HDX-900鋼軌銑裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計、計算及關(guān)鍵液壓原件的選型，為類似的液壓系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 HDX-900結(jié)構(gòu)原理

HDX-900鋼軌銑裝置工作部件為立式安裝結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。該銑裝置最終目的是控制銑刀盤2相對于鋼軌3的相對位置以及定位靴6對鋼軌3的預加壓力，來實現(xiàn)對鋼軌的銑削加工作業(yè)。作業(yè)時液壓油缸1無桿腔必須始終通有壓力油，當液壓油缸1有桿腔加壓時，整個銑裝置向下運動，當其釋壓時，整個銑裝置向上運動。伺服電機4、絲桿螺母副5和定位靴6構(gòu)成銑刀盤2相對于鋼軌3位置控制的進給機構(gòu)。

1.液壓油缸 2.銑刀盤 3.鋼軌4.伺服電機 5.絲桿螺母副 6.定位靴圖1 鋼軌銑裝置結(jié)構(gòu)原理

2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計、計算和主要元件選型

2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計及其工作原理描述

根據(jù)圖1鋼軌銑裝置及其工作原理，設(shè)計其液壓原理圖[8-9]，如圖2所示。

1.減壓閥 2.單向閥 3.蓄能器 4.壓力傳感器 5、13.單向電磁閥6.電磁換向閥 7.安全閥 8.平衡閥 9.液控單向閥10.過濾器 11.比例伺服閥 12.節(jié)流閥 14.液壓油缸圖2 鋼軌銑裝置液壓原理圖

如圖2所示鋼軌銑裝置液壓原理圖，其目的是控制液壓油缸14有桿腔和無桿腔油液的流量和壓力，以實現(xiàn)鋼軌銑裝置的下壓、上抬動作及銑削作業(yè)時對定位靴的預加壓力控制。

安全可靠是鐵路作業(yè)機械設(shè)計的一項重要指標，因此要確保裝置在規(guī)定的作業(yè)窗口期間完成作業(yè)并安全撤離，以保證鐵路運行的通暢，液壓工作原理的設(shè)計也充分考慮了這一點。首先在初始狀態(tài)、緊急狀態(tài)或突發(fā)斷電狀態(tài)下，系統(tǒng)所有電磁閥都將處于斷電狀態(tài)，P口或蓄能器儲存壓力油分兩路進入到液壓油缸14無桿腔，其中一路經(jīng)單向電磁閥5和單向閥2-2；另一路經(jīng)電磁換向閥6、平衡閥8和液控單向閥9。液壓油缸14有桿腔回油同樣分兩路，其中一路經(jīng)節(jié)流閥12、單向電磁閥13接通回油T口，另一路經(jīng)比例伺服閥11與T口接通。此時整個銑裝置在液壓油缸14的驅(qū)動下快速向上移動，并保持在最上端的安全位置狀態(tài)。在此過程中，無論是液壓油缸14的無桿腔進油還是有桿腔回油，均具有雙通道，任何單一通道出現(xiàn)故障，都不會影響整個銑裝置回到并處在最上端的安全位置。

銑裝置作業(yè)時，電磁鐵1YA,2YA,4YA均通電，液壓油缸14的無桿腔通有壓力油pA，其有桿腔在比例伺服閥11的控制下通有壓力油pB，液壓油缸14在pA,pB和銑單元重力G的共同作用下向下移動至定位靴與鋼軌接觸并給定位靴預加一定的壓力。在不同作業(yè)工況下，如上下坡、凸凹點等，液壓油缸14的無桿腔和有桿腔均有補油和排油的要求，其無桿腔的補油通過單向電磁閥5和單向閥2-2進行，而其排油則通過液控單向閥9、平衡閥8和電磁換向閥6與T口連接；其有桿腔的進油和排油則全部通過控制比例伺服閥11的開口大小和開口方向?qū)崿F(xiàn)。數(shù)控系統(tǒng)通過采集壓力傳感器4-1,4-2和4-3的壓力反饋信息，對比例伺服閥11的開口大小和開口方向進行控制，以滿足液壓油缸14的有桿腔在不同的作業(yè)工況下對油液壓力和流量的要求。

2.2 主要設(shè)計計算與元件選型

HDX-900鋼軌銑裝置液壓油缸根據(jù)安裝空間、主機所能夠提供的液壓源的壓力和流量、裝置重量等因素，選取缸徑D為80 mm、桿徑d為56 mm、行程300 mm的油缸，進行相關(guān)參數(shù)計算及主要元件選型如下：

1) 最小提升壓力

(1)

式中，pAmin—— 最小提升壓力，MPa

G—— 銑裝置上、下移動部件的重力，N

AD—— 油缸無桿腔有效面積,mm2

如圖2所示鋼軌銑裝置液壓原理圖中，P口壓力必須大于pAmin才能夠保證系統(tǒng)正常工作。當G=35000 N時，求得pAmin=7.0 MPa。

2) 工作狀態(tài)下定位靴承受的最大預壓力

如圖1鋼軌銑裝置結(jié)構(gòu)原理圖中，其定位靴6必須始終與鋼軌3在一定預壓力作用下保持接觸，預壓力過大則加速定位靴6的磨損破壞，也會導致絲桿螺母副5損壞或降低其使用壽命；反之如果預壓力過小則會直接影響鋼軌銑削作業(yè)效果。作業(yè)狀態(tài)當銑刀盤懸空時，定位靴所承受預壓力最大。由如圖2軌道銑裝置液壓原理圖得出:

Fmax=pBAd-pAAD+G

(2)

式中，F(xiàn)max—— 定位靴承受最大預壓力，N

pA—— 油缸無桿腔油液壓力，MPa

pB—— 油缸有桿腔油液壓力，MPa

Ad—— 油缸有桿腔有效面積，mm2

當單向閥2-2開啟壓力為0或忽略其開啟壓力不計時，由式(2)得知，當pB=pA=p0時，定位靴所受預加壓力最大，即：

Fmax=(Ad-AD)p0+G

(3)

式中，p0為系統(tǒng)壓力，MPa。

由于Ad

Fmax=15305 N

由式(3)得知，定位靴所受最大預加壓力隨著p0的增加而減小直至為0，此時：

Fmax=(Ad-AD)p0max+G=0

(4)

由此得出：

(5)

當取缸徑D=80 mm、桿徑d=56 mm時，算得：p0max=14.2 MPa。

根據(jù)鋼軌銑削作業(yè)要求[10-11]，定位靴預加壓力要求大于5000 N，即Fmax≥5000 N，由此算出：p0max≤12.2 MPa。

因此整個液壓系統(tǒng)工作壓力必須滿足：

pAmin≤p0≤p0max，即：7.0 MPa ≤p0≤12.2 MPa，系統(tǒng)設(shè)計壓力取p0=9.0 MPa。

3) 蓄能器容量計算

在如圖2所示鋼軌銑裝置液壓原理圖中，蓄能器3的作用[12-13]主要是在主機液壓源突發(fā)故障如斷電、油源斷供等時，為整個銑裝置提供足夠的壓力油，驅(qū)動其上升至安全位置以便收車及時離開作業(yè)現(xiàn)場。蓄能器通常有重錘式、彈簧式和氣囊式等，系統(tǒng)采用氣囊式蓄能器，對其有容積進行計算如下：

首先，油缸驅(qū)動銑裝置上升至安全位置所需蓄能器最小工作容積為：

Vxmin=LAD×10-6

(6)

式中，Vxmin—— 蓄能器最小工作容積，L

L—— 油缸行程，mm

取缸徑D=80 mm、行程L=300 mm時，算得：Vxmin=1.5 L。

蓄能器作為應急動力源時，所需的蓄能器容積應滿足[14]：

(7)

式中，V0—— 蓄能器容積，L

Vxmin—— 蓄能器最小工作容積，L

p1—— 蓄能器充氣壓力，取p1=0.471pA，MPa

當液壓油缸無桿腔工作壓力為pA=9.0 MPa時，算得蓄能器容積V0≥13.8 L，因此選用NXQ1-16/20型蓄能器，其公稱容積16 L，公稱壓力20 MPa。

4) 比例伺服閥的選型

比例伺服閥11在如圖2所示鋼軌銑裝置液壓原理圖中屬于核心元件，其性能直接影響整個鋼軌銑裝置的作業(yè)效果和穩(wěn)定性[15-16]。

作業(yè)時比例伺服閥最大通過流量:

(8)

式中，Qmax—— 比例伺服閥最大通過流量，L/min

imax—— 鋼軌最大允許坡度

vmax—— 銑裝置最大作業(yè)速度，km/h

取imax=5.5%，vmax=1.5 km/h，得：Qmax=3.52 L/min。

選用伺服閥型號為：4WRPNH 6 C3 B24L。其流量特性：閥單口δpA為3.5 MPa或雙口δpAB壓差7 MPa時，額定流量為24 L/min,且為線性曲線。閥符號及特性曲線如圖3所示，安全位(斷電位)時A、B口均通T口。

伺服閥的頻率響應如圖4所示，通過曲線可看出，該閥在5%信號值時的頻率約為130 Hz，在100%信號幅值為-3 dB時的頻率約為75 Hz，相位差-90°時約為60 Hz。

鋼軌銑裝置液壓系統(tǒng)的主要功能，是實現(xiàn)定位靴壓在鐵路鋼軌上的壓力保持恒定，并且在其沿鋼軌做水平移動時，不因鋼軌上方的凸起或者凹陷而引起壓力變化。該伺服閥具備壓差控制的功能，可以通過如圖5所示伺服閥控制器功能模塊，對閥的采集壓力進行差值計算，使其保持恒定的壓差。

圖3 伺服閥符號圖及流量曲線圖

圖4 伺服閥的Bode圖

圖5 伺服閥的控制器功能模塊圖

伺服閥接口如圖6所示，X1,X4,X7都為模擬量接口，X3為現(xiàn)場總線接口。可從X4口引出兩路壓力信號，分別采集油缸的無桿腔和有桿腔的壓力。當通過X3口總線輸入特定控制信號，且在閥內(nèi)軟件設(shè)置為壓差控制模式時，通過閥內(nèi)部控制器進行PID運算后，使其輸出的壓力差值為一定值，此值不隨外部各種干擾因素而變化，只隨輸入的要求信號值變化。

1.主閥 2.控制器圖6 伺服閥的接口圖

3 應用效果

3.1 液壓系統(tǒng)的調(diào)試與跟隨特性

本系統(tǒng)在銑磨車銑裝置的樣機上首次應用，聯(lián)機調(diào)試各動作順暢，蓄能器斷電提升供油正常。按目前作業(yè)最大速度1.5 km/h的作業(yè)速度，定位靴長度為400 mm，可以得出伺服系統(tǒng)響應頻率在1.04 Hz就能滿足控制要求，系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整界面如圖7所示。通過監(jiān)控給定與輸出的變化情況，調(diào)整相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)輸出值跟隨輸入一致變化，無超調(diào)，無震蕩，當給定發(fā)生變化時，輸出信號能及時準確跟隨，其跟隨效果圖8所示。從圖可以觀察出實際壓差值很好的跟隨了給定壓差值的變化，無明顯沖擊。在現(xiàn)場以0.5～1.0 km/h 速度進行作業(yè)試驗，銑裝置向前作業(yè)走行時，整個液壓系統(tǒng)都很好的跟隨了鋼軌的曲線起伏變化，作業(yè)效果良好。

圖7 伺服系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整界面

3.2 樣機檢測精度和試驗作業(yè)效果

HDX-900樣機主要精度檢測結(jié)果如表1所示。在銑削量在0.1～2.0 mm，銑削速度在0.5～1.0 km/h之間對標準鋼軌軌進行銑削加工試驗，連續(xù)性達到100%，銑削后鋼軌縱向波磨度小于0.1 mm/m，表面粗糙度Ra<3.0 μm，輪廓度小于±0.2 mm，各項指標均達到設(shè)計要求，銑削作業(yè)效果良好。將來還需要在鋼軌常規(guī)銑削修復作業(yè)中進一步試驗驗證。

1.給定壓差值 2.實際壓差值圖8 伺服系統(tǒng)壓差控制的跟隨效果圖

表1 樣機主要精度檢測結(jié)果

4 結(jié)論

本液壓系統(tǒng)在關(guān)鍵回路采用雙通道設(shè)計，同時在系統(tǒng)進油口增設(shè)蓄能器作為應急油源，滿足了鐵路作業(yè)裝備高可靠性方面的要求。采用比例伺服閥和壓力傳感器形成閉環(huán)控制，可靠的控制執(zhí)行油缸上下腔壓力差值，從而有效控制銑裝置定位靴對鋼軌的壓力值的大小，滿足了不同鋼軌銑削修復作業(yè)工況的要求，樣機試驗取得了很好的效果。