李抗

（金鷹重型工程機(jī)械有限公司，湖北襄陽(yáng) 441001）

0 引言

鋼軌打磨車是目前高鐵養(yǎng)護(hù)的重要設(shè)備，其中GMC-96x型鋼軌打磨車是我國(guó)鋼軌打磨主力車型之一，其作業(yè)裝置包含96個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的磨頭，在車輛恒低速運(yùn)行過(guò)程中，利用高速旋轉(zhuǎn)的砂輪對(duì)鋼軌頭表面進(jìn)行磨削，可對(duì)新鋼軌進(jìn)行預(yù)防性打磨，去除表面銹蝕和氧化皮等［1-3］；對(duì)在役鋼軌進(jìn)行修復(fù)性打磨，消除波浪磨耗和表面微裂紋等，同時(shí)恢復(fù)鋼軌軌面廓形。為保證打磨作業(yè)精度，打磨車作業(yè)過(guò)程中需保證車輛走行速度恒定，采用液壓驅(qū)動(dòng)恒速走行系統(tǒng)［4-6］。GMC-96x型鋼軌打磨車使用初期出現(xiàn)了多次走行系統(tǒng)速度波動(dòng)較大的問(wèn)題，對(duì)設(shè)備使用造成影響。

1 液壓恒速走行系統(tǒng)原理

GMC-96x型鋼軌打磨車液壓恒速走行系統(tǒng)包含2套相同的液壓回路。單套恒速液壓走行回路原理見(jiàn)圖1。

與目前主流采用閉式液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛恒速走行不同，該車采用開(kāi)式液壓系統(tǒng)控制車輛恒速走行，在車輛下坡液壓制動(dòng)時(shí)，液壓馬達(dá)出口熱油全部經(jīng)散熱器后，再回液壓油箱，避免了閉式走行系統(tǒng)發(fā)熱問(wèn)題［7-8］。

圖1 單套恒速液壓走行回路原理

GMC-96x型鋼軌打磨車液壓恒速走行系統(tǒng)包含2套相同的液壓回路，單套恒速液壓走行回路中，系統(tǒng)采用2個(gè)排量為180 mL/r的電比例液壓油泵（圖1中1.1，1.2）驅(qū)動(dòng)4個(gè)160 mL/r的電比例液壓馬達(dá)（圖1中8.1，8.2，8.3，8.4），4個(gè)走行液壓馬達(dá)共同驅(qū)動(dòng)車輛的3根動(dòng)軸，通過(guò)改變走行液壓油泵或走行液壓馬達(dá)的控制電流，實(shí)現(xiàn)車輛在0～24 km/h無(wú)級(jí)調(diào)速，通過(guò)控制電液換向閥6的換向?qū)崿F(xiàn)車輛走行方向切換。先導(dǎo)式溢流閥4用于設(shè)定走行系統(tǒng)最高壓力，防止因系統(tǒng)壓力過(guò)高而損壞元件。直動(dòng)式溢流閥7作為安全閥，保護(hù)走行液壓馬達(dá)的瞬間壓力不超過(guò)允許值。回油路上設(shè)置1個(gè)電比例溢流閥5，用于提供可控的背壓，平衡車輛下坡階段的車重分力，實(shí)現(xiàn)車輛恒速下坡。電磁換向閥3用于先導(dǎo)式溢流閥4的卸荷，從而達(dá)到系統(tǒng)卸荷的目的。

具體控制模式為：車輛走行時(shí)，先在車輛控制面板輸入1個(gè)介于0～24 km/h的設(shè)定速度，作為恒速控制的目標(biāo)車速，推動(dòng)走行手柄后，車輛走行控制系統(tǒng)緩慢增加走行油泵（1.1，1.2）排量控制電壓，從而實(shí)現(xiàn)走行油泵排量的緩慢增加，當(dāng)車速達(dá)到設(shè)定速度后，停止走行油泵的變量；當(dāng)走行油泵控制電壓至最大值時(shí)，若車速仍未達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值，則控制系統(tǒng)緩慢增加走行馬達(dá)（8.1，8.2，8.3，8.4）排量控制電壓，減小走行馬達(dá)排量，從而實(shí)現(xiàn)車速的繼續(xù)增加；當(dāng)車速達(dá)到設(shè)定目標(biāo)速度后，控制系統(tǒng)停止對(duì)走行油泵及走行馬達(dá)排量的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)車輛以設(shè)定速度恒速運(yùn)行；當(dāng)車輛下坡時(shí)，可通過(guò)增大電比例溢流閥的控制電流使走行馬達(dá)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)力，平衡車輛下坡階段的車重分力，維持車輛以設(shè)定速度運(yùn)行。

2 液壓恒速走行系統(tǒng)故障現(xiàn)象

GMC-96x型鋼軌打磨車正常作業(yè)情況下，設(shè)定速度通常為14～18 km/h，遇作業(yè)線路坡道較大情況時(shí)，限于車輛的大坡道爬坡及液壓制動(dòng)能力，設(shè)定速度需要降低至12 km/h，否則可能會(huì)出現(xiàn)上坡動(dòng)力不足欠速、下坡制動(dòng)力不足超速的情況，導(dǎo)致車輛無(wú)法維持恒速。但在車輛使用過(guò)程中，有反饋車輛在大坡道12 km/h速度作業(yè)時(shí)，仍存在速度波動(dòng)較大的情況，極端情況下甚至?xí)霈F(xiàn)因速度波動(dòng)過(guò)大導(dǎo)致無(wú)法作業(yè)的現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備的正常使用造成影響［9-10］。

在長(zhǎng)暉城際鐵路線上，車輛設(shè)置12 km/h作業(yè)速度記錄曲線，車速出現(xiàn)了較大波動(dòng)情況，無(wú)法維持車輛恒速（見(jiàn)圖2）。

圖2 速度波動(dòng)曲線

曲線分段分析如下：

（1）記錄數(shù)據(jù)在前91 s，車輛恒速控制較好，車速基本穩(wěn)定在11.5 km/h左右，波動(dòng)范圍為±0.2 km/h；

（2）記錄數(shù)據(jù)在第91～136 s，此時(shí)車輛由3‰下坡逐漸轉(zhuǎn)入20‰下坡，車輛速度開(kāi)始出現(xiàn)緩慢超速現(xiàn)象；

（3） 記錄數(shù)據(jù)在第 136～147 s，車輛超速至12.7 km/h之后，控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)，使車輛速度快速下降至設(shè)定速度以內(nèi)；

（4） 記錄數(shù)據(jù)在第 145～170 s，車速降至約11.7 km/h后，又迅速出現(xiàn)超速情況，最大超速達(dá)1 km/h；

（5）記錄數(shù)據(jù)在第170 s之后，車速進(jìn)入一個(gè)循環(huán)波動(dòng)狀態(tài)，車速無(wú)法穩(wěn)定，速度與設(shè)定值最大偏差為1.7 km/h，速度波動(dòng)范圍±1.1 km/h，車速需經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間振蕩后才可進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，尤其在車輛下坡過(guò)程中，車速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后恒速保持能力也較差，仍有再次進(jìn)入速度振蕩狀態(tài)的可能性，與使用要求存在較大差距。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的走行系統(tǒng)壓力（藍(lán)線）及背壓（紅線）的波動(dòng)情況見(jiàn)圖3，測(cè)試結(jié)果表明，在車速波動(dòng)階段，走行系統(tǒng)壓力及背壓均存在較大的波動(dòng)情況。比較典型的是在46：40之后的一段時(shí)間，走行壓力與系統(tǒng)背壓交替波動(dòng)，車輛走行速度無(wú)法維持恒速。

圖3 壓力波動(dòng)曲線

3 液壓恒速走行系統(tǒng)分析

針對(duì)上述現(xiàn)象，研發(fā)組先后共優(yōu)化控制策略約十幾個(gè)版本，但車輛大坡道速度波動(dòng)的情況仍無(wú)法得到較好解決，且車輛在平直道及小坡道恒速走行時(shí)，恒速保持比較穩(wěn)定，并且新車恒速穩(wěn)定性也較好，結(jié)合上述現(xiàn)象，初步分析可能為車輛走行動(dòng)力設(shè)計(jì)裕量偏小，導(dǎo)致車輛在元件效率降低或設(shè)定速度在允許臨界值時(shí)，無(wú)法維持車輛恒速［11］。

3.1 走行動(dòng)力不足與打磨車恒速關(guān)系

GMC-96x型鋼軌打磨車整車質(zhì)量約460 t，對(duì)車輛液壓系統(tǒng)的上坡?tīng)恳跋缕轮苿?dòng)力要求較高，同時(shí)對(duì)車輛最高車速也有較高要求，為了兼顧大坡道牽引力及小坡道最高車速的需求，設(shè)計(jì)時(shí)選用了電比例排量控制液壓馬達(dá)。液壓馬達(dá)的輸出扭矩由其壓差與排量2個(gè)因素決定，在車輛走行液壓系統(tǒng)中，上坡階段，系統(tǒng)中走行液壓馬達(dá)的最大壓差是確定值，即上坡?tīng)恳τ梢簤厚R達(dá)排量決定；下坡階段，走行液壓馬達(dá)的最大制動(dòng)扭矩由液壓馬達(dá)排量及電比例溢流閥的設(shè)定值共同決定。

當(dāng)車輛到達(dá)圖2所示3‰下坡逐漸轉(zhuǎn)入20‰下坡時(shí)，車輛運(yùn)行阻力突變，車輛會(huì)出現(xiàn)短暫超速情況，此時(shí)控制系統(tǒng)加大走行馬達(dá)的排量，降低走行速度，同時(shí)提高走行馬達(dá)的制動(dòng)能力，車輛減速能力比較充足（液壓馬達(dá)制動(dòng)扭矩充足），從而使車速基本按控制節(jié)奏降速，車速波動(dòng)下限只是略低于目標(biāo)車速；當(dāng)車速低于目標(biāo)車速后，控制系統(tǒng)減小馬達(dá)排量，同時(shí)對(duì)走行馬達(dá)背壓進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整過(guò)程中，會(huì)因車輛加速能力不足，出現(xiàn)走行馬達(dá)排量超調(diào)至過(guò)小的排量，此時(shí)如果坡道較大、車速設(shè)定值又較高時(shí)，處于較小排量下的走行馬達(dá)扭矩將不足以平衡車輛在大坡道條件下沿坡道方向的重力分力，出現(xiàn)車速大幅高于目標(biāo)車速的情況；之后重復(fù)上述過(guò)程，使車速進(jìn)入圖2所示的劇烈波動(dòng)惡性循環(huán)狀態(tài)。

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)及上述分析，導(dǎo)致大坡道車速振蕩的原因與車輛牽引加速能力裕量偏小有較大關(guān)系，在液壓元件效率降低或設(shè)定速度在允許臨界值時(shí)，無(wú)法維持車輛恒速，需對(duì)車輛走行能力進(jìn)行重新校核。

3.2 走行系統(tǒng)恒速運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算

以20‰坡道計(jì)算校核車輛走行能力，按設(shè)計(jì)能力，GMC-96x型鋼軌打磨車在20‰坡道作業(yè)時(shí)，恒速走行速度應(yīng)可達(dá)到13 km/h。

為了方便計(jì)算，簡(jiǎn)化GMC-96x型鋼軌打磨車為一個(gè)整體，并且只考慮車輛在20‰坡道條件下以13 km/h運(yùn)行時(shí)，車輛的運(yùn)行阻力、坡道附加阻力及作業(yè)阻力等參數(shù)如下：整車質(zhì)量G=460t，動(dòng)軸輪徑D=0.84m，馬達(dá)至車輪傳動(dòng)比Z=19，油泵轉(zhuǎn)速n=1900r/min，液壓油泵數(shù)量nP=4，液壓油泵、馬達(dá)容積效率ηV=0.95，液壓油泵、馬達(dá)機(jī)械效率ηm=0.94，液壓馬達(dá)數(shù)量nM=8，坡道坡度i=20‰，目標(biāo)速度v=13km/h，打磨作業(yè)阻力FZ=20kN，設(shè)馬達(dá)壓差ΔP=27MPa。則運(yùn)行阻力：

坡道附加阻力［12］：

列車運(yùn)行總阻力：

需單個(gè)液壓馬達(dá)扭矩：

需液壓馬達(dá)排量：

液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速：

實(shí)際液壓馬達(dá)排量：

液壓馬達(dá)計(jì)算余量：

計(jì)算結(jié)果表明，以車輛運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算，GMC-96x型鋼軌打磨車在20‰坡道條件下以13 km/h運(yùn)行時(shí)車輛動(dòng)力充足，余量約有20.5%。

3.3 走行系統(tǒng)加速運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算

按上述計(jì)算結(jié)果，車輛大坡道條件下的運(yùn)行牽引力充足，主要考慮車輛在大坡道上進(jìn)行恒速調(diào)整時(shí)，減速度所產(chǎn)生的影響。

GMC-96x型鋼軌打磨車程序設(shè)定加速度約為a=0.04m/s2，則加速牽引力：

加速牽引力占運(yùn)行阻力的比率：

由上述計(jì)算可知，在考慮加速運(yùn)行的條件下，液壓馬達(dá)的余量（20.5%）已基本耗盡，當(dāng)車輛走行系統(tǒng)液壓元件狀態(tài)稍有變化，就極有可能出現(xiàn)走行動(dòng)力不足的情況。

3.4 解決方案

分析表明，車輛速度波動(dòng)是因?yàn)檐囕v走行系統(tǒng)牽引力裕量不足導(dǎo)致，因此最直接的解決方案就是增大液壓系統(tǒng)走行功率，將原來(lái)4個(gè)排量為180 mL/r的油泵，更改為6個(gè)排量為140 mL/r的油泵，并將油泵轉(zhuǎn)速自1 900 r/min提高到2 000 r/min，使走行功率直接增加22%以上，并又適當(dāng)優(yōu)化了車輛加速策略。改動(dòng)完成后，在丹江大壩線進(jìn)行了多次試驗(yàn)，試驗(yàn)速度10～13 km/h，試驗(yàn)效果較好，13 km/h試驗(yàn)記錄如下：

車輛在28‰坡道起步，在26‰～28‰坡道全程13 km/h速度爬坡，速度與設(shè)定值最大偏差為-0.4 km/h，速度波動(dòng)范圍±0.30 km/h（見(jiàn)圖4）。

圖4 26‰～28‰坡道爬坡速度曲線

車輛以13 km/h速度從28‰上坡轉(zhuǎn)6‰下坡，速度與設(shè)定值最大偏差為0.7 km/h，速度波動(dòng)范圍±0.35 km/h（見(jiàn)圖5）。

圖5 28‰上坡轉(zhuǎn)6‰下坡速度曲線

車輛以13 km/h速度從6‰上坡轉(zhuǎn)28‰下坡，速度與設(shè)定值最大偏差為±0.2 km/h，速度波動(dòng)范圍±0.20 km/h（見(jiàn)圖6）。

圖6 6‰上坡轉(zhuǎn)28‰下坡速度曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

在采用電比例排量控制的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，因電比例控制信號(hào)的增減速率固化了車輛的加速性能，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需考慮車輛加速所需的牽引力，按照該思路重新校核匹配了GMC-96x型鋼軌打磨車液壓恒速走行系統(tǒng)，經(jīng)在丹江大壩線大坡道上試驗(yàn)，車輛在28‰坡道上坡、28‰上坡轉(zhuǎn)6‰下坡、6‰上坡轉(zhuǎn)28‰下坡等條件下，均可滿足13 km/h速度的恒速運(yùn)行，速度波動(dòng)范圍在±0.35 km/h，較好地解決了該車在大坡道恒速走行階段速度波動(dòng)較大的問(wèn)題。同時(shí)，其他采用電比例調(diào)速的液壓系統(tǒng)中，加速性能校核及控制策略制定時(shí)，也可參考該思路，可更好地避免系統(tǒng)振蕩。