王清標(biāo)， 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(fù)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(fù)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(yù)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(dāng)液壓油缸1有桿腔加壓時，整個銑裝置向下運動，當(dāng)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(yù)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(biāo)，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(yù)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(dāng)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(yù)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(yù)壓力作用下保持接觸，預(yù)壓力過大則加速定位靴6的磨損破壞，也會導(dǎo)致絲桿螺母副5損壞或降低其使用壽命；反之如果預(yù)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(dāng)銑刀盤懸空時，定位靴所承受預(yù)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(yù)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(dāng)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(dāng)pB=pA=p0時，定位靴所受預(yù)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(yù)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(dāng)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(yù)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(yīng)急動力源時，所需的蓄能器容積應(yīng)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(dāng)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(yīng)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?？蓮腦4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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(biāo)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(biāo)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(fù)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(yīng)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(fù)作業(yè)工況的要求，樣機試驗取得了很好的效果。