邢湘利 ，賈 巖

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006）

隨著城市的快速發(fā)展，城市常住人口急劇膨脹，在為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入活力的同時(shí)，也給交通出行帶來(lái)較大壓力。為緩解這一矛盾，各城市紛紛興建城軌交通。截至2020年，全國(guó)在建城軌主體已達(dá)到42個(gè)，總里程數(shù)高達(dá)5 000多km。地鐵B型車輛作為中大型運(yùn)量設(shè)備，得到了廣泛的應(yīng)用?；诖耍P者認(rèn)為有必要從固定式架車機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)角度入手，提升其運(yùn)維檢修效率，以保障城軌交通的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 城軌車輛地下固定式架車機(jī)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

移動(dòng)式架車機(jī)是城軌交通中較為常見(jiàn)的設(shè)備種類，能夠?yàn)檐囕v的架升、維護(hù)提供支撐，保障城軌線路的正常運(yùn)行。在本文選取的地鐵線路案例中，配備機(jī)械主要為移動(dòng)式架車機(jī)，單體架升機(jī)構(gòu)共16個(gè)，以車輛停放位置為依據(jù)平均分成4組，單組機(jī)構(gòu)可對(duì)應(yīng)單節(jié)地鐵架車施工，也可滿足2～4節(jié)車輛的不解編作業(yè)需求。當(dāng)前，隨著地鐵使用需求的膨脹，檢修運(yùn)維工作面臨著較大壓力，移動(dòng)式架車機(jī)連接電纜冗長(zhǎng)、作業(yè)空間受限等弊端逐漸暴露出來(lái)，引進(jìn)固定式架車機(jī)成為了該線路運(yùn)維的重點(diǎn)革新方向，其優(yōu)勢(shì)如下。

1.1 作業(yè)流程明顯簡(jiǎn)化

在舊有作業(yè)模式之中，架升機(jī)構(gòu)采用分散布局模式，用于協(xié)調(diào)、操縱的主控臺(tái)設(shè)置于股道一側(cè)，正式進(jìn)入架修環(huán)節(jié)后，機(jī)構(gòu)首先移動(dòng)至指定地點(diǎn)，并通過(guò)電纜與主控臺(tái)相連。這種方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求較高，每次維護(hù)檢修前，都需要進(jìn)行場(chǎng)地清理和優(yōu)化，以防止線路纏繞、故障，總花費(fèi)時(shí)長(zhǎng)在20 min左右，作業(yè)效率難以保障。而在固定式架車機(jī)中，各單元控制線均采用預(yù)埋方案，通過(guò)地下渠道與控制臺(tái)建立連接，直接省略了煩瑣的線路檢查、整理工作，為正式檢修環(huán)節(jié)空出了更多時(shí)間。同時(shí)，在應(yīng)用移動(dòng)架車機(jī)進(jìn)行車底檢修時(shí)，物料運(yùn)輸十分受限，只有沿著地溝的車輛兩端是暢通的[1]，不管是拆卸部件還是地面工具，均需經(jīng)由該通道交換，底部空間狹小，且物料往來(lái)效率較低，整個(gè)工作煩瑣異常。而固定式架車機(jī)的應(yīng)用明顯緩解了這一矛盾，檢修環(huán)節(jié)列車組下方為平地，支撐架周圍場(chǎng)地相對(duì)開放，設(shè)備、人員進(jìn)出難度減小，檢修效率明顯提升。

1.2 具備起升轉(zhuǎn)向功能

固定式轉(zhuǎn)向架中，采用雙重支架作業(yè)模式，在轉(zhuǎn)向架舉升機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還配備了車體支撐架，在拆解作業(yè)環(huán)節(jié)，前者首先運(yùn)動(dòng)，將車體舉升至一定高度，接著支撐架發(fā)揮作用，承擔(dān)整個(gè)列車組的載荷，轉(zhuǎn)向架則等待拆卸作業(yè)完成，將車體推送至指定區(qū)域即可，無(wú)需借助額外的升降平臺(tái)輔助操作，因此，作業(yè)時(shí)間更加寬松。而移動(dòng)式架車機(jī)應(yīng)用階段，僅能單獨(dú)完成車體的升降，當(dāng)車輛被吊升至空中時(shí)，僅以螺栓方式與轉(zhuǎn)向架相連，重達(dá)6 t的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)施加的反向作用力極為可觀，一旦螺栓發(fā)生斷裂，車體會(huì)直接墜落下來(lái)，不但對(duì)車輛本身造成損害，還可能威脅工作人員安全。所以實(shí)踐操作時(shí)，常常需要事先完成拆解操作，拆卸下來(lái)的轉(zhuǎn)向架會(huì)被直接擱置于平臺(tái)之上，沿著地溝軌道送出車底，接著借助專用轉(zhuǎn)向架平臺(tái)，將之降至地面高度，這種方式前期成本投入較大，作業(yè)時(shí)間也被迫延長(zhǎng)。同時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)向架推出時(shí)，還可能與車輛底部的集電靴產(chǎn)生沖突[2]，從而增加新的拆除工作，造成人力、時(shí)間的浪費(fèi)。固定式轉(zhuǎn)向架的工作模式解決了這一難題，轉(zhuǎn)向架構(gòu)造移動(dòng)時(shí)，也完全可以借助車底股道，沖突被有效解決，無(wú)需額外考慮集電靴的問(wèn)題，整體適用性更佳。

1.3 控制程序安全性高

控制程序簡(jiǎn)單是移動(dòng)式架車機(jī)一個(gè)較為顯著的缺點(diǎn)，其系統(tǒng)內(nèi)并沒(méi)有配備相應(yīng)的誤輸出檢測(cè)程序，其他保護(hù)裝置也較為簡(jiǎn)陋，當(dāng)正式進(jìn)入檢修維護(hù)環(huán)節(jié)后，工作人員需要在車底位置完成拆卸、更換等工作，整個(gè)流程耗時(shí)較長(zhǎng)，若此時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)誤動(dòng)情況，將會(huì)造成較為嚴(yán)重的安全事故。而固定式架車機(jī)則無(wú)需額外建設(shè)轉(zhuǎn)向架平臺(tái)，整體的性價(jià)比更高，同時(shí)電磁兼容性也更好，現(xiàn)階段中央控制平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中，更是引入了可編程控制器技術(shù)，可直接通過(guò)編程方式增添安全方式，降低了誤動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)的概率，安全性更有保障。

2 地下固定式架車機(jī)與B型城軌車輛的接口

轉(zhuǎn)向架、車體是城軌車輛的主要構(gòu)成部分，對(duì)于地下固定式架車機(jī)來(lái)說(shuō)，前者的拆卸占據(jù)了大部分工作內(nèi)容，同時(shí)也包含一些其他附件的拆卸工作，因此其接口的分析主要從拆卸、舉升環(huán)節(jié)涉及的要素考量。本文所選B型地鐵線路案例中，接口參數(shù)如下：車輛定距12 600 mm，軸距2 200 mm，相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)向架之間的中心距6 920 mm，架車墊板長(zhǎng)300 mm、寬70 mm，橫向距離大致2 650 mm。目前，市面上投入運(yùn)行的車輛中，車輛定距、中心距等數(shù)值較為一致，其他則有微小差別，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可結(jié)合自身具體參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化[3]。從技術(shù)參數(shù)角度看，轉(zhuǎn)向架、車體舉升單元的功率、速度也各有不同，本文轉(zhuǎn)向架舉升單元功率設(shè)置為5.5 kW，速度設(shè)置為每分鐘360 mm，車體舉升單元功率設(shè)置為3 kW，速度設(shè)置為每分鐘372 mm，經(jīng)過(guò)調(diào)試測(cè)定后應(yīng)用效果較好，可以作為實(shí)踐環(huán)節(jié)參考。

3 固定式架車機(jī)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

固定式架車機(jī)運(yùn)行時(shí)，A舉升單元首先發(fā)揮作用，托住轉(zhuǎn)向架完成提升，高度由控制臺(tái)統(tǒng)一設(shè)定，接著B舉升單元啟動(dòng)，上升到一定高度后，對(duì)車體形成支撐，拆除目標(biāo)轉(zhuǎn)向架后，借助A舉升單元的力量，降低轉(zhuǎn)向架高度，使之回到軌面，待到檢修完成再重新安裝至車體底部，此時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)解除車體支撐，B舉升單元高度降低，A舉升單元下降，列車組同步返回軌面，完成整個(gè)檢修流程。對(duì)上述步驟進(jìn)行梳理可以發(fā)現(xiàn)，地下固定式架車機(jī)中，機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況至關(guān)重要，因此必須對(duì)其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行嚴(yán)格把控。

3.1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在固定式架車機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，鋼結(jié)構(gòu)是重要的安裝平臺(tái)與載體，主要由單元承載底座、軌道橋等構(gòu)件組成。承載底座設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)配備必要的走行軌，為主體單元的縱向移動(dòng)創(chuàng)造條件，同時(shí)，考慮到車輛停放環(huán)節(jié)對(duì)精準(zhǔn)性要求較高，停放不到位容易使車輛遭受損傷，因此上部還必須安裝定位機(jī)構(gòu)，盡可能減少風(fēng)險(xiǎn)因素。軌道橋同樣采用固定安裝模式，與車間軌道呈現(xiàn)聯(lián)通、平齊的狀態(tài)，對(duì)于轉(zhuǎn)向架架升軌來(lái)說(shuō)，經(jīng)常性的應(yīng)力作用可能導(dǎo)致其材質(zhì)疲勞、老化。因此，在舉升單元尚未啟動(dòng)的零位階段時(shí)，架升軌實(shí)際上是低于軌道橋的，高差大致為4 mm，若架升檢修已經(jīng)完成，固定軌道橋會(huì)完全承載車輛重力，架升軌則是不受力的，這種設(shè)計(jì)方式能夠顯著延長(zhǎng)架車機(jī)工作壽命。

3.2 轉(zhuǎn)向架舉升單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向架舉升單元是較為核心的部分，實(shí)踐操作環(huán)節(jié)對(duì)同步性要求較高，因此主要依托單個(gè)電機(jī)供能，中部設(shè)置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在絲杠、螺母等部件的協(xié)同運(yùn)動(dòng)下，帶動(dòng)并分配一組舉升柱工作，一組通常為4個(gè)。為確保轉(zhuǎn)向架移動(dòng)通路的順暢，轉(zhuǎn)向架舉升柱頂部會(huì)直接與軌道梁相連接，由導(dǎo)向箱體把控運(yùn)動(dòng)軌跡，主要負(fù)責(zé)垂直方向上的升降。導(dǎo)向輪的存在還能夠有效緩解載荷應(yīng)力，減小柱體本身受到的彎矩作用，此階段要重點(diǎn)關(guān)注B型地鐵車軸距參數(shù)，要能夠滿足軸距規(guī)格為2 200 mm、2 300 mm車輛的使用需求。至于絲杠、螺母結(jié)構(gòu)，則要采用有自鎖功能的部件，以確保其在機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行到任何位置時(shí)，均能高效、穩(wěn)定地完成自鎖，提升安全性能。承載螺母是主要的應(yīng)力承擔(dān)、抵抗結(jié)構(gòu)，當(dāng)其過(guò)度損耗導(dǎo)致功能下降時(shí)，安全螺母會(huì)接替其完成承載工作，其上設(shè)置有磨損傳感器，若磨損超過(guò)一定臨界值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟安全模式，停機(jī)并發(fā)出告警信號(hào)[4]，提示工作人員及時(shí)更換，其間還配備了自動(dòng)潤(rùn)滑裝置，可以降低更換操作的難度，提升維護(hù)工作的效率。

3.3 車體舉升單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車體舉升單元主要由6個(gè)部分構(gòu)成，整體采用懸臂結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)空間十分寬敞，車下推出轉(zhuǎn)向架的難度較小，車體舉升柱上的托頭則采用伸縮設(shè)計(jì)，架車墊板位置受限情況得到明顯好轉(zhuǎn)，布局更加靈活。在正式運(yùn)作階段，三合一電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)進(jìn)而促成升降，舉升柱四周同樣裝配有導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)，可以對(duì)升降作業(yè)起到規(guī)范、約束的作用。在走行階段，彈性支撐機(jī)構(gòu)擔(dān)負(fù)了主要的承重任務(wù)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩端分別固定于鋼結(jié)構(gòu)、舉升單元之上，借助鏈輪、鏈條連接，可以滿足多數(shù)B型車輛的舉升需求。在舉升柱的頂端，增加限位開關(guān)裝置，當(dāng)舉升柱上升到一定高度，與抬車墊板相觸碰，限位開關(guān)就會(huì)相應(yīng)啟動(dòng)，該舉升單元停止移動(dòng)，防止車輛損壞。機(jī)械系統(tǒng)承載力受結(jié)構(gòu)、舉升速度等影響較大，因此，同時(shí)設(shè)置了載荷傳感器，可以在原始狀態(tài)下對(duì)車輛進(jìn)行稱重，并跟蹤監(jiān)控升降全過(guò)程，工作人員借助控制臺(tái)顯示屏就可以直觀地獲取舉升柱的實(shí)時(shí)受力情況，防止危險(xiǎn)因素的滋生與蔓延[5-7]。

3.4 固定式架車機(jī)附件設(shè)計(jì)

除架車機(jī)、車體舉升機(jī)構(gòu)外，機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)還配備有功能多樣、規(guī)格迥異的附件裝置，為系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。跟隨遮蓋機(jī)構(gòu)主要是為了彌補(bǔ)固定蓋板空隙，它采用氣彈簧支撐技術(shù)，單個(gè)彈簧可支撐高達(dá)100 kg的應(yīng)力，方便檢修工作的開展。檢修平臺(tái)負(fù)責(zé)為固定式架車機(jī)檢修提供空間，通常采用方管鋼結(jié)構(gòu)形式，十分堅(jiān)固、耐用。自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)主要安裝在舉升螺母上，通常容量設(shè)置為100 mL，可以對(duì)工作狀態(tài)下的構(gòu)件進(jìn)行潤(rùn)滑保養(yǎng)，使部件始終處于清潔、潤(rùn)滑的狀態(tài)，降低磨損風(fēng)險(xiǎn)?？紤]到地下工作環(huán)境較為復(fù)雜，螺桿等部件可能受到塵土、水汽等的侵襲，出現(xiàn)銹蝕、老化等狀況，因此，額外配備了風(fēng)琴式防塵罩，隔絕外界的不良影響，保障其使用效率的提升[8-10]。

3.5 安全防護(hù)單元設(shè)計(jì)

安全、可靠是地下固定式架車機(jī)較為突出的優(yōu)勢(shì)特征，上文中已經(jīng)就雙螺母結(jié)構(gòu)自鎖性能、告警性能進(jìn)行了闡述，但機(jī)械系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，還會(huì)采取一些通用的安全防護(hù)措施，常見(jiàn)的主要有以下幾種。

3.5.1 同步安全控制

固定式架車機(jī)作業(yè)過(guò)程中，同步情況是衡量其性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)，舉升、下降環(huán)節(jié)不同步，很容易發(fā)生車輛傾覆事件，導(dǎo)致嚴(yán)重的人身、財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)于同類舉升柱來(lái)說(shuō)，減速機(jī)、絲杠應(yīng)當(dāng)最大限度保持一致，選型階段就要做好準(zhǔn)備。同時(shí)，設(shè)置高度檢測(cè)系統(tǒng)，借助先進(jìn)的傳感器設(shè)備，對(duì)舉升柱高度進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控，可以根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置高度差限值，當(dāng)超過(guò)該臨界點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停機(jī)并發(fā)出聲光警告，防止危險(xiǎn)情況出現(xiàn)。

3.5.2 低位停機(jī)保護(hù)

低位停機(jī)保護(hù)同樣有賴于限位開關(guān)的安裝，其功能主要體現(xiàn)在安全防護(hù)方面，可以降低車底異物對(duì)車體及軌道造成損傷的概率。當(dāng)車輛處于下降狀態(tài)時(shí)，傳感器會(huì)自動(dòng)監(jiān)控車輛最低點(diǎn)與軌道頂面的間距，該距離達(dá)到400 mm后，下落進(jìn)程自動(dòng)停止，并且發(fā)出提醒信號(hào)，經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)人員檢查、確認(rèn)后，按下低位保護(hù)按鈕，下降進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行，直至停放穩(wěn)固為止。

3.5.3 故障自診斷

隨著科技手段的進(jìn)步，地下固定式架車機(jī)安全防護(hù)手段還在持續(xù)涌現(xiàn)，故障自診斷就是其中較為常見(jiàn)的渠道。該功能主要借助了PLC控制器的記憶算法，可以對(duì)日常工況、參數(shù)等進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)，并以此為依據(jù)監(jiān)控、提示異常狀況，減小因部件磨損、鏈條老化等細(xì)微因素導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

對(duì)于城軌車輛來(lái)說(shuō)，固定式架車機(jī)的重要性十分顯著，是大型架修、臨修環(huán)節(jié)中必不可少的設(shè)備類型，應(yīng)用頻率極高，作為與車體結(jié)構(gòu)直接聯(lián)系的單元，機(jī)械系統(tǒng)功能直接關(guān)系車輛的安全性。因此，在設(shè)計(jì)研制的基礎(chǔ)上，還進(jìn)一步采用有限元分析方法進(jìn)行了物理學(xué)計(jì)算，車體舉升單元導(dǎo)向箱體分析結(jié)果如圖1所示，整體上滿足強(qiáng)度和安全需求，能夠適應(yīng)地下城軌車輛的檢修維護(hù)應(yīng)用。

圖1 車體舉升單元導(dǎo)向箱體有限元計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

綜上所述，地下固定式架車機(jī)具有安全性能高、起升轉(zhuǎn)向靈活等優(yōu)勢(shì)，在B型城軌車輛運(yùn)維檢修中有著極高的適用性。研制階段要對(duì)機(jī)械系統(tǒng)給予充分關(guān)注，事先進(jìn)行系統(tǒng)的B型車輛運(yùn)行參數(shù)分析，提升鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，為轉(zhuǎn)向單元的安裝做好鋪墊；同時(shí)采用雙螺母結(jié)構(gòu)，優(yōu)化轉(zhuǎn)向架舉升單元性能；在舉升單元設(shè)計(jì)上，也要裝設(shè)配套的走行輪，為高兼容、高效率的運(yùn)維檢修奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。