王清標(biāo)，呂國慶，陽湘湘

(國家高效磨削中心－湖南海捷精密工業(yè)有限公司，湖南長沙410205)

鐵路軌道銑磨車自1995年起開始應(yīng)用于歐洲鐵路的鋼軌整形作業(yè)，該方法是高速鐵路鋼軌修理的主要技術(shù)措施。采用銑磨車定期對鋼軌進(jìn)行銑磨，不僅能消除鋼軌波形磨耗，同時(shí)也可清除鋼軌表面的接觸疲勞層，具有作業(yè)效率高、作業(yè)精度高、作業(yè)效果好等優(yōu)點(diǎn)[1]。軌道銑磨車主要針對磨損變形較大的軌道進(jìn)行修復(fù)，整車首先由銑單元進(jìn)行銑削，將軌道的主要磨損余量去除。由于銑削后，軌道表面會(huì)留存銑刀接痕，列車在高速行駛時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，不符合高速列車的行駛要求，所以需要采用磨裝置來將軌道上表面進(jìn)行磨削。文中主要介紹海捷公司研發(fā)的應(yīng)用于導(dǎo)軌銑磨車上的移動(dòng)磨削裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算及工作原理，對同類設(shè)備的設(shè)計(jì)和改造具有參考價(jià)值。

1 液壓系統(tǒng)的相關(guān)計(jì)算

該單元工作部件為立式放置結(jié)構(gòu)，其工作原理如圖1所示。液壓缸的密封裝置產(chǎn)生的摩擦阻力、滾珠絲杠和導(dǎo)軌摩擦力較小，因此忽略其影響?？紤]機(jī)械效率η、重力G、徑向磨削力Fn、導(dǎo)軌對定位靴支撐力Fz、慣性力Fm的影響。

式中:m=3 000 kg;Δv為快退速度;Δt為加速時(shí)間。

圖1 銑磨車磨裝置結(jié)構(gòu)原理圖

取液壓缸的機(jī)械效率η=0.95，F(xiàn)z+Fn=15 000 N，G=29 400 N，則液壓缸在各工作階段的總機(jī)械負(fù)載可以算出，見表1。

表1 液壓缸各運(yùn)動(dòng)階段負(fù)載表

2 液壓系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算

2.1 初選液壓系統(tǒng)參數(shù)

參考同類型機(jī)床，初定液壓缸的工作壓力p=6.3 MPa，單缸流量q=10 L/min，活塞桿直徑d=36 mm。

2.2 確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸

由表1可知最大負(fù)載為加速階段的負(fù)載F=31 474 N，按此式計(jì)算有桿腔面積A 及液壓缸直徑D則:

計(jì)算得有桿腔面積A=4 996 mm2，液壓缸直徑D=87.5 mm，為使系統(tǒng)更安全可靠，取D=100 mm。

2.3 液壓油缸提升和下降速度計(jì)算

2.3.1 最大向上提升速度

式中:v為油缸提升速度;

q為進(jìn)入液壓油缸的流量;

A為液壓油缸的有效面積。

缸徑D=100 mm，桿徑d=36 mm，流量q=10 L/min時(shí)算得:

vu=0.024 m/s

2.3.2 最大向下移動(dòng)速度

D=100mm，流量q=10 L/min時(shí)算得:

vd=0.021 m/s

2.4 調(diào)整壓力計(jì)算

2.4.1 平衡狀態(tài)

將平衡閥壓力調(diào)到微高于系統(tǒng)壓力，pd=6.5 MPa，鐵軌的支持力與徑向磨削力之和Fn+Fz=15 000 N，此時(shí)的平衡方程如下式:

在磨單元質(zhì)量取m=3 000 kg時(shí)，計(jì)算得工作時(shí)有桿腔的壓力pu=3.75 MPa。

因此，應(yīng)將減壓閥出口壓力調(diào)為3.7 MPa，而將安全閥的壓力調(diào)為3.8 MPa。

2.4.2 向下定位狀態(tài)

快速向下定位過程中液壓缸有桿腔所需壓力計(jì)算:

其中:A1為液壓油缸有桿腔面積;

A2為液壓油缸無桿腔面積;

m為磨單元質(zhì)量。

當(dāng)m=3 000 kg時(shí)，˙pu=1.84 MPa;

當(dāng)m=4 000 kg時(shí)，˙pu=0.2 MPa。

2.5 節(jié)流小孔孔徑計(jì)算

液壓油缸向上抬起時(shí)，其無桿腔的回油路需要設(shè)定一定的阻尼以減小換向沖擊，通過小孔節(jié)流的方式即可靠又便捷。

如果阻尼孔太小，將影響磨單元向上抬起的速度;如果阻尼孔太大，將達(dá)不到緩沖的效果。因此，該孔的設(shè)計(jì)原則是在不影響磨單元上抬速度的基礎(chǔ)上將阻尼孔盡量做小。

當(dāng)液壓油缸有桿腔進(jìn)油流量Q1=10 L/min時(shí)，無桿腔排油量為:

當(dāng)液壓油缸向上抬起，在受力平衡時(shí)，p1=6.3 MPa，m=3 000 kg 下算出無桿腔壓力

滿足最大流量的最小阻尼薄壁孔直徑為:

其中:Cd為流量系數(shù)，取Cd=0.62;

ρ為油液密度，取ρ=900 kg/m3;

Δp為薄壁孔前后壓差，取Δp=p2=1.66 MPa。

將以上參數(shù)代入到式(9)得:d=1.22 mm

為便于制作，并考慮到薄壁孔的壁厚不可能很薄，以及其他因素引起的阻尼作用取d=2 mm，孔長6 mm。

3 液壓系統(tǒng)的工作原理及控制說明

該磨單元液壓原理如圖2所示。

圖2 磨裝置液壓系統(tǒng)原理圖

3.1 始起狀態(tài)

主液壓站啟動(dòng)，系統(tǒng)壓力油P口和回油T口與液壓站接通。1YA，2YA，3YA，4YA 均未得電，系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。此時(shí)壓力油通電磁換向閥3，平衡閥4 和液控單向閥5 進(jìn)入到液壓油缸11的有桿腔;回油從液壓油缸11的無桿腔經(jīng)φ2 阻尼孔和電磁換向閥10 通T口回油箱。此時(shí)液壓油缸11驅(qū)動(dòng)整個(gè)磨單元運(yùn)動(dòng)至并處在最上端。

3.2 磨單元快速向下定位

磨單元向下移動(dòng)直至定位靴與鐵軌接觸并承載約14.7 kN。此時(shí)2YA，3YA 和4YA得電，壓力油經(jīng)電磁換向閥6，減壓閥7 和節(jié)流閥8 進(jìn)入到液壓油缸11的無桿腔，回油從液壓油缸11的有桿腔經(jīng)液控單向閥5，平衡閥4 和電磁換向閥3 通T口回油箱。此時(shí)液壓油缸11驅(qū)動(dòng)整個(gè)磨單元向下運(yùn)動(dòng)直至定位靴與鐵軌接觸。

定位靴與鐵軌接觸后，壓力油繼續(xù)向液壓油缸11無桿腔供液，液壓油缸11無桿腔的油液壓力繼續(xù)升高直至減壓閥7 關(guān)閉，此時(shí)液壓油缸11無桿腔的壓力為減壓閥7的調(diào)定壓力。整個(gè)磨單元這個(gè)時(shí)候的受力主要有:磨單元重力G，鐵軌的支撐力Fz，液壓油缸11有桿腔的平衡力Fu，液壓油缸11無桿腔的正壓力Fd。此四力平衡。平衡閥4 在此過程中的作用是平衡磨單元向下移動(dòng)的背壓力，保證整個(gè)磨單元向下移動(dòng)的平穩(wěn)性;節(jié)流閥8 在此過程中的作用是調(diào)節(jié)磨單元向下移動(dòng)的速度。

3.3 工作動(dòng)態(tài)平衡

磨單元工作時(shí)，系統(tǒng)起到重力平衡作用。此時(shí)1YA，2YA，3YA，4YA 均得電，壓力油同時(shí)存在于液壓油缸11有桿腔和無桿腔。在磨單元重力G，鐵軌的支撐力Fz，液壓油缸11有桿腔的平衡力Fu，液壓油缸11無桿腔的正壓力Fd和砂輪的徑向力Fn等作用下處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

當(dāng)砂輪磨損變小時(shí)，砂輪的徑向力Fn減小，鐵軌的支撐力Fz增大。為了確保磨削力的大小恒定以保證軌道的磨削質(zhì)量，伺服電機(jī)通過滾珠絲桿帶動(dòng)定位靴往上微量提升，鐵軌的支撐力Fz減小，砂輪的徑向力Fn增大，液壓油缸11無桿腔補(bǔ)油，有桿腔排油，整個(gè)磨單元?jiǎng)討B(tài)受力平衡。

當(dāng)鐵軌的磨削量過大，磨單元控制系統(tǒng)控制伺服電機(jī)通過滾珠絲桿帶動(dòng)定位靴往下壓，整個(gè)磨單元向上抬起，鐵軌的支撐力Fz增大，砂輪的徑向力Fn減小。此時(shí)液壓油缸11有桿腔通過和電磁換向閥1 和單向閥2 補(bǔ)油，液壓油缸11無桿腔通過溢流閥9 排油。

3.4 磨單元快速向上移動(dòng)

當(dāng)工作完成或工作中出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)，整個(gè)磨單元需要快速向上移動(dòng)。此時(shí)1YA得電，2YA，3YA和4YA 失電，壓力油經(jīng)電磁換向閥1 和電磁換向閥3兩路進(jìn)入液壓油缸11有桿腔，回油從液壓油缸11的無桿腔經(jīng)φ2 阻尼孔和電磁換向閥10 通T口回油箱。液壓油缸11驅(qū)動(dòng)整個(gè)磨單元向上移動(dòng)，φ2 阻尼孔在此過程中的作用是避免液壓油缸11無桿腔的壓力瞬間釋放，從而避免造成壓力沖擊和產(chǎn)生噪聲，以保證磨單元向上移動(dòng)的平穩(wěn)性。

3.5 斷電狀態(tài)保護(hù)

當(dāng)整個(gè)磨單元在工作狀態(tài)遇到突然斷電或主液壓站故障失壓時(shí)，液控單向閥5 無法打開，液壓油缸11有桿腔的壓力油與T口無法連通，液壓油缸11和整個(gè)磨單元將保持原位不動(dòng)。補(bǔ)油路同時(shí)竄連兩個(gè)單向閥2，對防止整個(gè)磨單元因自重而下行而起到雙重保險(xiǎn)作用。

4 系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)

系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)過程如下:

(1)接通主油路，將P口壓力MP 調(diào)為6.3 MPa;

(2)將節(jié)流閥8 關(guān)小，執(zhí)行磨單元向下定位步驟，將MA 處壓力調(diào)到6.5 MPa;

(3)磨單元定位靴接觸鐵軌后，調(diào)節(jié)減壓閥7和背壓閥9，使MB 處壓力顯示為4 MPa;

(4)調(diào)節(jié)松背壓閥9，使MB 處壓力顯示為3.8 MPa;

(5)調(diào)節(jié)松減壓閥7，使MB 處壓力顯示為3.7 MPa;

(6)調(diào)節(jié)松節(jié)流閥8，使磨單元向下定位速度滿足使用要求。

5 結(jié)束語

移動(dòng)模型裝置液壓系統(tǒng)在銑磨車工作過程中有著重要的作用。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)磨單元工作所需的多種運(yùn)動(dòng)，并保證了設(shè)備的安全可靠，為銑磨車的研究提供了參考。

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【2】許福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

【3】孫驊，王業(yè)潘.新式輕巧型曲臂高空工程作業(yè)車液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)床與液壓，2010，38(14):31－34.