徐艷麗
(中鐵二十二局集團(tuán)第二工程有限公司,北京 100041)
在高鐵CRTSⅢ型無砟軌道板的生產(chǎn)過程中需要運(yùn)輸大量混凝土,而通常因生產(chǎn)基地的地形限制,2個(gè)制板車間與混凝土攪拌站呈L形布置,造成運(yùn)輸混凝土平車軌道呈十字交叉狀,見圖1。
圖1 生產(chǎn)基地布置示意
根據(jù)CRTSⅢ型無砟軌道板的生產(chǎn)工藝可知,混凝土的運(yùn)輸平車先進(jìn)入縱向軌道上方的混凝土攪拌站裝運(yùn)混凝土罐,裝好車后縱向下行至橫向軌道,再橫向運(yùn)行至2個(gè)制板車間進(jìn)行下一步作業(yè)。因此,需在縱橫向軌道上各配備1輛運(yùn)輸平車,設(shè)備投入費(fèi)用較高。而且該方法裝運(yùn)工序復(fù)雜,操作人員配置數(shù)量多,勞動強(qiáng)度大,運(yùn)輸效率低。
本文基于經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠的原則[1-2],設(shè)計(jì)ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動平車,以滿足混凝土罐裝運(yùn)及貨物運(yùn)輸要求,降低勞動強(qiáng)度,提高運(yùn)輸效率。
ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動平車是集成了機(jī)械、電氣、液壓等技術(shù)的無砟軌道板生產(chǎn)配套設(shè)備,適用于十字交叉軌道運(yùn)輸。既可裝運(yùn)2滿罐、2空罐,又可裝運(yùn)1滿1空罐,實(shí)現(xiàn)偏載轉(zhuǎn)向。該平車具有頂升、車輛自動轉(zhuǎn)向、自動對位落軌槽功能,有效提高了混凝土罐的運(yùn)輸效率,解決了機(jī)動平車在運(yùn)輸過程中停車位置不準(zhǔn)、回轉(zhuǎn)與橫向定位不準(zhǔn)及混凝土罐吊回落位不準(zhǔn)的問題[3-6]。
ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動平車主要由機(jī)械部分、蓄電池電源、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成,見圖2。其中,機(jī)械部分可分為走行機(jī)構(gòu)、車體組成、回轉(zhuǎn)與橫向定位裝置。
1-走行機(jī)構(gòu);2-車體組成;3-混凝土罐;4-回轉(zhuǎn)與橫向定位裝置; 5-蓄電池電源; 6-電氣控制系統(tǒng);7-液壓系統(tǒng)圖2 ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動平車組成示意(單位:mm)
工作原理:①檢查車輛縱向中心與軌道中心是否重合,若不重合可以調(diào)整橫移機(jī)構(gòu)使之重合;②頂升油缸開始工作,當(dāng)機(jī)動平車車輪離開鋼軌面約50 mm時(shí)停止工作;③驅(qū)動馬達(dá)開始工作,使回轉(zhuǎn)支承轉(zhuǎn)向90°,當(dāng)車體縱向與轉(zhuǎn)向的軌道方向一致時(shí)停止轉(zhuǎn)向;④頂升油缸開始下落,使車輪落入鋼軌。若車輪與鋼軌有少許偏差,可以通過橫移裝置微調(diào),直至車輪準(zhǔn)確落入鋼軌。
表1 主要技術(shù)參數(shù)
車體由型鋼和板材組焊而成,主要由縱梁、大橫梁、小橫梁、邊梁、底板等組成。型材的材質(zhì)為Q235A鋼,板材的材質(zhì)為Q345A鋼。車體的邊梁為承載梁,選用截面高446 mm的H形鋼;縱梁和大橫梁選用截面高200 mm的工字鋼;小橫梁選用角鋼。在車體上平面鋪設(shè)花紋板可以防滑。為保證落罐準(zhǔn)確,車體還應(yīng)設(shè)有限位措施。
走行機(jī)構(gòu)由輪箱安裝座、輪箱、輪對、傳動裝置等組成,是機(jī)動平車的支撐與走行執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中,帶電磁制動器的永磁直流電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)成傳動裝置,并由蓄電池組提供動力。機(jī)動平車使用時(shí)速度較低,可直接利用電機(jī)的電磁制動器制動。該制動器為失電制動,能夠保證駐車時(shí)不溜車。
回轉(zhuǎn)定位裝置由橫移機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)支架和頂升機(jī)構(gòu)組成(見圖3),主要作用是使機(jī)動平車在十字交叉軌道處轉(zhuǎn)向并保證走行輪落軌到位。橫移機(jī)構(gòu)與車體由滑槽聯(lián)接,通過橫向定位油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)車體與回轉(zhuǎn)定位裝置相對橫移?;剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)支承和驅(qū)動馬達(dá)組成,馬達(dá)驅(qū)動回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)動平車的轉(zhuǎn)向功能?;剞D(zhuǎn)支架為鋼結(jié)構(gòu)焊接件,是回轉(zhuǎn)定位裝置中各機(jī)構(gòu)的安裝基礎(chǔ)。頂升機(jī)構(gòu)的頂升油缸缸體連接回轉(zhuǎn)支架,活塞桿連接頂升底座,通過油缸升降實(shí)現(xiàn)對整個(gè)車體的頂升[7-8]。
1-橫移機(jī)構(gòu);2-回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);3-回轉(zhuǎn)支架;4-頂升機(jī)構(gòu)圖3 回轉(zhuǎn)定位裝置結(jié)構(gòu)
蓄電池電源由24節(jié)2 V440 A·h動力鉛蓄電池組成,可以輸出48 V和24 V直流電壓。DC48 V為機(jī)動平車提供走行電機(jī)和液壓系統(tǒng)電機(jī)用電,DC24 V則提供液壓控制系統(tǒng)和照明用電。
選用48 V/60 A智能充電機(jī)在機(jī)動平車空閑時(shí)對蓄電池組充電并進(jìn)行智能控制,實(shí)現(xiàn)恒流-恒壓階段自動轉(zhuǎn)換,有效避免了充電過載。蓄電池組充滿電后,自動停止充電。
1-雙聯(lián)泵;2-溢流閥;3-回轉(zhuǎn)電磁閥;4-頂升電磁閥;5-頂升油缸; 6-雙向液壓鎖;7-回轉(zhuǎn)馬達(dá); 8-橫移油缸圖4 液壓原理
液壓系統(tǒng)主要為回轉(zhuǎn)定位裝置的橫移、回轉(zhuǎn)和頂升提供動力,如圖4所示。該液壓系統(tǒng)采用規(guī)格相同的雙聯(lián)泵為動力源,由于雙聯(lián)泵排量相同可以實(shí)現(xiàn)平車縱向前后2組頂升油缸同步頂升。2組頂升油缸分別由2組三位四通電磁閥控制升降,升降油缸還配有雙向液壓鎖,在頂升車體的過程中,可以在任意位置停止頂升,且較長時(shí)間保持位置不變。防止了液壓管漏油或爆管導(dǎo)致車體失速下落,起到安全保護(hù)的作用?;剞D(zhuǎn)支承的驅(qū)動馬達(dá)由雙聯(lián)泵各自的三位四通電磁閥控制2泵合流供油或單獨(dú)供油,可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)速度高速和低速2檔速度。
電氣控制系統(tǒng)由走行控制子系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)定位子系統(tǒng)、信號照明子系統(tǒng)等組成。走行控制電氣原理如圖5 所示。機(jī)動平車走行采用遙控器或有線手柄操作。電氣控制柜安裝在車體端部,防護(hù)等級在IP55以上[9-10]。
圖5 走行控制電氣原理
機(jī)動平車的主要設(shè)計(jì)參數(shù):機(jī)動平車質(zhì)量m0=6 500 kg;附加蓄電池質(zhì)量m1=2×1 100 kg;最大承重為運(yùn)輸2個(gè)混凝土罐,質(zhì)量m2=2×10 000 kg;車輪直徑d=425 mm。
考慮到機(jī)動平車在工廠內(nèi)運(yùn)行且沒有曲線和坡道,故機(jī)動平車運(yùn)行時(shí)的最大阻力主要由摩擦阻力Fm組成,坡道阻力、曲線阻力和風(fēng)阻力忽略不計(jì)。車輪軸承型號選用6316-2RZ深溝球軸承,取摩擦阻力系數(shù)ω=0.005,最大爬坡度w=0.005,則機(jī)動平車運(yùn)行時(shí)最大阻力Fj為
Fj=(m0+m1+m2)g(ω+w)
(1)
式中,g為9.8 m/s2。
將參數(shù)代入式(1)得到Fj=2.81 kN。
采用走行電機(jī)數(shù)量m=2,電機(jī)同步效率η1=0.95,機(jī)械傳動效率η2=0.8,機(jī)動平車的設(shè)計(jì)速度v=45 m/min,則走行電機(jī)功率P1為
P1=Fjv/(60×1 000mη1η2)
(2)
將參數(shù)代入式(2)得到P1=1.38 kW。
走行電機(jī)擬選用常州永沛機(jī)電技術(shù)有限公司的直流電機(jī),型號為YB90B3-48V/1.5-1500,其額定轉(zhuǎn)速為n0=1 500 r/min,功率P0=1.5 kW。配套減速機(jī)選用常州國茂國泰的GR47-21.81/1500-M5/6型減速齒輪箱,其減速比i1=21.87。
在走行機(jī)構(gòu)的傳動齒輪中,小齒輪齒數(shù)n1=23,大齒輪齒數(shù)n2=44,計(jì)算傳動比i2=n2/n1=1.91。
走行輪實(shí)際走行速度v3為
v3=πdn0/(i1i2)
(3)
將參數(shù)代入式(3)得到v3=47.92 m/min,與設(shè)計(jì)速度45 m/min接近,符合要求。
初選液壓系統(tǒng)額定壓力Pn=11 MPa,頂升油缸選型為100/70缸,即缸徑D1=100 mm,活塞桿徑d1=70 mm,行程L1=85 mm。橫移油缸選型為80/40缸,即缸徑D2=80 mm,活塞桿徑d2=40 mm,行程L2=120 mm?;剞D(zhuǎn)馬達(dá)排量為250 mL/r。
1)頂升油缸的參數(shù)計(jì)算
頂升力總和為
Fd0=(m0+m1+m2)g
(4)
將參數(shù)代入式(4)得到Fd0=281 260 N。
因油缸數(shù)量為4個(gè),則單油缸頂升力Fd1為 70 315 N,且作用面積為無桿腔。頂升油缸的工作壓力Pd1為
(5)
將參數(shù)代入式(5)得到Pd1=8.95 MPa 頂升油缸速度v4=400 mm/min,則頂升油缸的流量Qd1和功率Wd1分別為 (6) Wd1=Pd1·Qd1 (7) 將參數(shù)代入式(6)和式(7)得到Qd1=3.14 L /min,Wd1=0.47 kW。 2)橫移油缸的參數(shù)計(jì)算 橫移摩擦因數(shù)μ=0.1,則橫移油缸的頂升力Fdh為 Fdh=(m1+m2+m3)gμ (8) 將參數(shù)代入式(8)得到Fdh=28 126 N。 橫移油缸縮回工作面積為有桿腔,工作壓力高為惡劣工況。因此,應(yīng)校核油缸縮回情況,則橫移油缸的工作壓力Pdh為 (9) 將參數(shù)代入式(9)得到Pdh=7.46 MPa 橫移油缸速度v5=1 000 mm/min,則橫移油缸的流量Qdh和功率Wdh分別為 (10) Wdh=Pdh·Qdh (11) 將參數(shù)代入式(10)和式(11)得到Qdh=3.77 L /min,Wdh=0.47 kW。 3)回轉(zhuǎn)馬達(dá)的參數(shù)計(jì)算 回轉(zhuǎn)馬達(dá)型號為BM3-250擺線馬達(dá),排量vm=252 mL /r。轉(zhuǎn)盤采用江陰華方SE21-125回轉(zhuǎn)式減速器,減速比i0=125,在Pe0=11 MPa額定工況下輸出轉(zhuǎn)矩Me0=21.9 kN·m。機(jī)動平車回轉(zhuǎn)時(shí),最大計(jì)算阻力矩為Mm=15.2 kN·m,則回轉(zhuǎn)馬達(dá)的工作壓力Pm為 Pm=MmPeo/Me0 (12) 將參數(shù)代入式(12)得到Pm=7.6 MPa 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速ne0=0.5 r/min,馬達(dá)容積率ηv=0.9,則回轉(zhuǎn)馬達(dá)的流量Qm和功率Wm分別為 Qm=i0vmne0/ηv (13) Wm=PmQm/(60ηv) (14) 將參數(shù)代入式(13)和式(14)得到Qm=17.4 L /min,Wm=2.5 kW。 4)液壓系統(tǒng)泵和電機(jī)的選型 由于頂升、橫移、回旋3個(gè)動作均單獨(dú)動作且互鎖,回旋為流量與功率最大工況,考慮泵的容積效率為0.9,則泵的計(jì)算流量為19.33 L /min。采用CBWL-E306/E306-ALPR型液壓泵,排量為6.3×2 mL /r,壓力等級為16 MPa。選擇功率為4 kW的電機(jī),采用YB90B3-48V/4.0-1500型直流電機(jī)。 機(jī)動平車在運(yùn)輸混凝土罐的過程中主要有4種裝載形式:2個(gè)滿混凝土罐;1個(gè)空混凝土罐,1個(gè)滿混凝土罐;只有1個(gè)空混凝土罐;只有1個(gè)滿混凝土罐。由此可知,抗傾覆計(jì)算中最不利工況為“只有1個(gè)滿混凝土罐”,此時(shí)平車回轉(zhuǎn)最容易傾覆。該工況下的計(jì)算簡圖如圖6所示。圖中參數(shù):平車質(zhì)量m0=6 500 kg,單個(gè)蓄電池組質(zhì)量m11=1 100 kg,單個(gè)混凝土罐質(zhì)量(滿載)m21=10 000 kg,L3=715 mm,L4=125 mm,L5=1 675 mm,L6=3 105 mm。 圖6 抗傾覆計(jì)算簡圖 運(yùn)輸車?yán)@頂升裝置底座右側(cè)A點(diǎn)最容易發(fā)生傾覆,則左端和右端繞傾覆點(diǎn)A的轉(zhuǎn)矩Mz和My分別為 Mz=m0gL3+m11gL6 (15) My=m21gL4+m11gL5 (16) 將參數(shù)代入式(15)和式(16)得到Mz=79 017 N·m,My=30 306 N·m,Mz>My,故運(yùn)輸車不會發(fā)生傾覆,且安全冗余量較大。 2016年3月完成了ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動平車的方案和生產(chǎn)圖紙?jiān)O(shè)計(jì),已在制板車間投入使用。ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動平車見圖7。該車在京沈高鐵軌道板項(xiàng)目投入運(yùn)行以來,能夠自動轉(zhuǎn)向通過十字交叉軌道,車輛運(yùn)營狀態(tài)良好,滿足了混凝土罐裝運(yùn)及貨物運(yùn)輸?shù)囊?,并為運(yùn)輸提供了可靠保證。 圖7 ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動平車 ND200型蓄電池自轉(zhuǎn)向機(jī)動平車具有頂升、車輛自動轉(zhuǎn)向、自動對位落軌槽功能,實(shí)現(xiàn)了混凝土罐在十字交叉軌道上運(yùn)輸?shù)哪康模哂幸韵聝?yōu)點(diǎn):①自帶轉(zhuǎn)向功能無需輔助裝置,為用戶節(jié)約了成本,操作簡單,提高了混凝土罐的運(yùn)輸效率;②液壓和電氣系統(tǒng)均配置了過載保護(hù),可確保設(shè)備和人員安全;③回轉(zhuǎn)和走行操作均采用無線遙控控制,操作人員可以在最佳觀測位置操作,且不受空間限制,提高了操作效率。 [1]王金諾,張質(zhì)文,程文明,等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M].北京:中國鐵道出版社,2013. [2]李聞.鐵路無砟軌道板預(yù)制場模塊化整體規(guī)劃技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2014,58(8):68-72. [3]梁志力.蓄電池直流電動轉(zhuǎn)運(yùn)平車的設(shè)計(jì)[J].叉車技術(shù),2001(2):13-15. [4]賈濰,于永慶.100t大型點(diǎn)動平車的研制[J].冶金設(shè)備,2012(2):64-66. [5]練學(xué)標(biāo),王厚剛.可轉(zhuǎn)向電動平車搬運(yùn)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用[J].水運(yùn)工程,2008(6):141-144. [6]方頌安.跨溝電動平車的結(jié)構(gòu)形式[J].起重機(jī)運(yùn)輸機(jī)械,1999(2):13-14. [7]張國龍.回轉(zhuǎn)支承的選型分析計(jì)算[J].建筑機(jī)械化,2000,21(2):35-37. [8]陳霞.回轉(zhuǎn)支承的檢修及問題淺析[J].通用機(jī)械,2004(3):31-33. [9]周祥龍.電平車的蓄電池牽引控制方法[J].電工技術(shù),2009(8):69-70. [10]李立山,穆巖巖,張江田,等.電力蓄電池牽引車車體輕量化設(shè)計(jì)[J].鐵道機(jī)車車輛,2017,37(3):54-57.4.3 機(jī)動平車回轉(zhuǎn)時(shí)抗傾覆計(jì)算
5 應(yīng)用效果
6 結(jié)語