王　鵬，高春雷

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081)

我國(guó)的大型養(yǎng)路機(jī)械經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，通過(guò)整車進(jìn)口、引進(jìn)技術(shù)國(guó)產(chǎn)化、自主研制和與國(guó)外公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造等方式，已經(jīng)形成了多個(gè)種類多種型號(hào)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(yùn)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(jī)械共計(jì)約 2 300 臺(tái)，為我國(guó)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(jī)作為主力清篩機(jī)型，是引進(jìn)奧地利普拉塞公司技術(shù)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的，在我國(guó)鐵路系統(tǒng)共計(jì)有120多臺(tái)。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(jī)驅(qū)動(dòng)、全液壓傳動(dòng)的軌行式大型養(yǎng)路機(jī)械是利用挖掘鏈的扒齒切割道床上的道砟以及道砟振動(dòng)篩分的原理進(jìn)行工作的[3-6]。但是，對(duì)于道床清篩機(jī)各系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論問(wèn)題，目前尚未進(jìn)行深入的研究。為了提高我國(guó)大型清篩機(jī)的設(shè)計(jì)水平，應(yīng)該深入進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究，并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)試與分析。

本文將建立一套針對(duì)清篩機(jī)的走行系統(tǒng)、挖掘系統(tǒng)等工作裝置和系統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)清篩作業(yè)時(shí)各系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，形成完整的清篩機(jī)作業(yè)系統(tǒng)性能參數(shù)測(cè)試方法，并利用該系統(tǒng)進(jìn)行線路作業(yè)實(shí)測(cè)，研究分析作業(yè)參數(shù)對(duì)清篩作業(yè)性能和挖掘效率的影響。

1　測(cè)試分析基礎(chǔ)

測(cè)試分析前需先作基本的參數(shù)計(jì)算。

所監(jiān)測(cè)液壓驅(qū)動(dòng)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(jì)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(jī)械-液壓效率；ηt為機(jī)械效率。

2　測(cè)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(duì)清篩機(jī)性能進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)主要由采集儀、傳感器和軟件平臺(tái)組成。

圖1　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

采集儀可由多個(gè)測(cè)試單元組合而成，其中有應(yīng)變/電壓測(cè)試單元、轉(zhuǎn)速測(cè)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(cè)試單元的通道具有很強(qiáng)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(dòng)、壓力、流量、扭矩、電壓、電荷、溫度等信號(hào)的測(cè)量。轉(zhuǎn)速/計(jì)數(shù)器通道單元，可接各種脈沖/頻率輸出型傳感器或計(jì)數(shù)器，用于轉(zhuǎn)速的測(cè)量或脈沖數(shù)/頻率值的統(tǒng)計(jì)。

軟件平臺(tái)包括底層驅(qū)動(dòng)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(chǎng)動(dòng)平衡、沖擊波形檢測(cè)、試驗(yàn)?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(jī)制，使用更加簡(jiǎn)單便捷；能自動(dòng)識(shí)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(hào)的實(shí)時(shí)采集分析處理；可實(shí)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?duì)清篩作業(yè)效率的影響

3.1　作業(yè)工況

測(cè)試線路長(zhǎng)650 m，2008年清篩過(guò)，線路坡度17‰。

測(cè)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(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試得到工況1和工況2下QS650清篩機(jī)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(shí)，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)?？芍?，在此工況下進(jìn)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(shí)，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(jìn)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(cè)得的連續(xù)清篩作業(yè)時(shí)挖掘鏈驅(qū)動(dòng)馬達(dá)進(jìn)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(dòng)馬達(dá)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(dòng)馬達(dá)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(dòng)馬達(dá)流量在挖掘?qū)挾?4 030 mm 時(shí)，挖掘鏈驅(qū)動(dòng)馬達(dá)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(dòng)馬達(dá)功率在挖掘?qū)挾?4 030 mm 工況下，挖掘鏈驅(qū)動(dòng)馬達(dá)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(dòng)馬達(dá)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(dòng)系統(tǒng)測(cè)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(jī)按挖掘?qū)挾?4 030 mm 和 4 530 mm 進(jìn)行清篩作業(yè)時(shí)，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(dòng)系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)值。

表1　不同挖掘?qū)挾裙r下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)值

4　起道高度對(duì)清篩作業(yè)效率的影響

4.1　作業(yè)工況

測(cè)試線路長(zhǎng)1 km，該段線路在2008年清篩過(guò)。

測(cè)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(cè)試結(jié)果分析

工況3下QS650清篩機(jī)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(jī)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(shí)進(jìn)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(shí)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(shí)，起道高度50 mm工況下，挖掘驅(qū)動(dòng)馬達(dá)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(dòng)馬達(dá)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(dòng)馬達(dá)流量在起道高度50 mm時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(dòng)馬達(dá)功率在起道高度50 mm工況下，挖掘鏈驅(qū)動(dòng)馬達(dá)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(dòng)馬達(dá)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(dòng)系統(tǒng)測(cè)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(jī)按起道高度50 mm和80 mm 進(jìn)行清篩作業(yè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)值見表2。

表2　不同起道高度下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)值

5　結(jié)論

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

1)QS650清篩機(jī)挖掘?qū)挾葹?4 030 mm 時(shí)，挖掘作業(yè)效率為684.1 m3/h，挖掘驅(qū)動(dòng)功率為172.0 kW；挖掘?qū)挾葹?4 530 mm 時(shí)，挖掘作業(yè)效率為532.1 m3/h，挖掘驅(qū)動(dòng)功率為129.4 kW。挖掘?qū)挾仍龃?，挖掘阻力增大，作業(yè)效率降低。

2)QS650清篩機(jī)起道高度為50 mm時(shí)，挖掘作業(yè)效率為622.9 m3/h，挖掘驅(qū)動(dòng)功率為187.6 kW；起道高度為50 mm時(shí)，挖掘作業(yè)效率為820.9 m3/h，挖掘驅(qū)動(dòng)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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