任曉剛

(中車洛陽機車有限公司 河南 洛陽 471002)

軌道交通行業(yè)迅猛發(fā)展，鋼軌性能保持是全球軌道交通行業(yè)的重大課題, 隨著鋼軌服役期的增長，鋼軌表面會產生多種病害損傷，給交通運營帶來重大隱患，影響車輛安全性、舒適性。對鋼軌進行科學維護，可以改善輪軌關系，延長鋼軌使用壽命，提高運行舒適性，保障運行安全。

目前,在城市軌道交通領域，進行鋼軌維護的設備為鋼軌打磨車，打磨車以打磨頭包絡鋼軌輪廓進行打磨作業(yè)，加工精度低，單次磨削量小，對鋼軌的重大傷害處理效果不佳，打磨車作業(yè)時會產生大量粉塵，在封閉環(huán)境中，會對作業(yè)人員產生極大危害，打磨時產生的明火也存在安全風險，因此越來越多的地鐵公司采用鋼軌銑磨車進行鋼軌維護作業(yè)[1]。

1 總體系統(tǒng)設計

鋼軌銑磨車是基于電驅動的大型軌道養(yǎng)護車輛， 通過智能檢測識別鋼軌輪廓病害， 并采取“自裁決”修復作業(yè)方式， 恢復鋼軌橫斷面輪廓形狀,提高縱向平順性, 可一次性消除鋼軌病害。車輛從接觸網或蓄電池兩種直流電源接入， 經變換后實現(xiàn)整車電牽引系統(tǒng)的控制， 并為銑磨作業(yè)裝置及車上輔助設備供電，以滿足自牽引運行行駛及作業(yè)的動力需要。

鋼軌銑磨車由動力車和作業(yè)車組成一列，如圖1所示，配備1銑1磨單元，銑磨作業(yè)一次成型，恢復鋼軌橫斷面輪廓形狀，提高鋼軌的縱向平順性，消除軌面部分側磨、波磨、碾壓層、表面細小裂紋、剝離等缺陷。

動力車設置有牽引司機室、動力間。車頂設置受電弓、空調，空調位于司機室的上方。車內布置蓄電池組、牽引電器柜組、牽引電機通風機、車輛電器柜等。車下布置兩臺動力轉向架以及風缸、打磨裝置等。

作業(yè)車設置有牽引作業(yè)司機室、電氣室、設備間。車頂設置一臺空調，位于司機室的上方。電氣室布置銑磨作業(yè)電氣柜，設備間布置液壓泵組、空壓機、制動閥柜和集屑裝置等。車下布置2臺非動力轉向架以及銑磨裝置、制動電阻、風缸等。

鋼軌銑磨車主要參數如下：

外形尺寸(長×寬×高) 29 344 mm×2 580

mm×3 700 mm

自行最高速度 80 km/h(接觸網

供電)

30 km/h(蓄電池

供電)

連掛最高速度 100 km/h

低恒速作業(yè)速度 0.3～3 km/h

作業(yè)方式 雙向行駛，單向

作業(yè)，一次成型

軸列式 動力車(B0-B0)

作業(yè)車(B-B)

軸重 ≤14 t

軌距 1 435 mm

允許通過的最小曲線半徑R100 m

限界 地鐵B型車限界

1—動力車；2—作業(yè)車；3—銑削裝置；4—作業(yè)轉向架；5—操縱臺；6—制動系統(tǒng)；7—折棚風擋；8—電力牽引系統(tǒng)；9—動力蓄電池；10—打磨裝置；11—動力轉向架；12—受電弓。圖1 鋼軌銑磨車布局圖

2 鋼軌銑磨車主要結構

2.1 轉向架

轉向架為兩軸焊接轉向架。動力車為交流電傳動轉向架，作業(yè)車為非動力轉向架。兩種轉向架基本結構相同，動力轉向架加裝牽引電機和齒輪箱，牽引電機采用水冷方式，非動力轉向架設剛性支撐，其中一系支撐油缸4條，二系支撐油缸2條。

2.2 制動系統(tǒng)

動力車和作業(yè)車均采用JZ-7型空氣制動機，兩節(jié)車在空氣制動系統(tǒng)組成與布置基本一致。制動機選用JZ-7型空氣制動機，采用階段制動一次緩解方式，主要包括：JZ-7型制動閥、中繼閥、JZ-7型集中安裝板、各種風缸和壓力表。

2.3 電氣系統(tǒng)

供電系統(tǒng)由主回路供電和輔助供電組成。主電路采用雙電源供電系統(tǒng)，即DC1 500 V接觸網供電或DC600 V牽引蓄電池供電。經受電弓或牽引蓄電池輸入的直流電由牽引逆變器變換成頻率、電壓均可調的三相交流電，向異步牽引電動機供電。車輛控制系統(tǒng)采用網絡控制系統(tǒng)解決方案，可以實現(xiàn)與機車牽引系統(tǒng)和銑磨作業(yè)控制系統(tǒng)之間的數據交換和控制, 網絡控制系統(tǒng)采用PROFINET及MODBUS總線技術。

2.4 銑銷系統(tǒng)

鋼軌銑削作業(yè)系統(tǒng)是鋼軌銑磨車的主要作業(yè)系統(tǒng)，通過對鋼軌軌頂面金屬進行切削，實現(xiàn)鋼軌養(yǎng)護作業(yè)的預防性銑削、定期銑削和損傷修復銑削。鋼軌銑削作業(yè)系統(tǒng)主要包括銑刀盤、銑刀盤驅動及進給裝置、液壓系統(tǒng)、檢測定位裝置、輔助系統(tǒng)和作業(yè)控制系統(tǒng)等。

檢測定位裝置包括垂向檢測定位機構和橫向檢測定位機構。垂向檢測定位機構由仿形靴、仿形靴支撐、固定塊、垂向位置傳感器及驅動機構等組成；橫向檢測定位機構由仿形指、擺臂、轉動軸、復位彈簧、終端位置檢測裝置及橫向位置傳感器等組成，用于銑刀盤與鋼軌相對位置的檢測和定位。

作業(yè)控制系統(tǒng)用于銑削裝置、 集屑裝置、 轉向架剛性支撐等相關銑削作業(yè)裝置的協(xié)調控制； 與銑磨車牽引控制系統(tǒng)通訊， 完成整車的銑磨作業(yè)控制。 作業(yè)控制系統(tǒng)基于西門子SINUMERIK840Dsl數控系統(tǒng)， 可在司機室內通過按鍵操作， 完成列車和銑削裝置的配合工作。 也可以在車兩側通過按鈕進行調試操作。 作業(yè)單元MCU的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 作業(yè)單元MCU的系統(tǒng)框圖

3 鋼軌銑磨車結構特點

基于交流傳動的純電雙動力驅動控制技術應用于大型軌道養(yǎng)護機械，綠色環(huán)保。

將智能控制技術應用于軌道維護行業(yè)，形成智能鋼軌銑磨車。集成了機械、液壓、電氣、精密數控等多項技術，在統(tǒng)一的控制系統(tǒng)和控制軟件下協(xié)同工作，成為一體化設備。

采用低恒速交流傳動控制技術，低恒速作業(yè)速度達到0.3～3 km/h，滿足銑削作業(yè)的超低恒速運行和高精度控制要求。

高精度鋼軌輪廓數字化重建。通過傳感器超前檢測、曲線預判、數據濾波等算法，實現(xiàn)鋼軌輪廓的高精度數字化重建。

鋼軌銑削“自裁決”智能控制。通過實時精度跟蹤鋼軌以確定加工基準，通過伺服進給系統(tǒng)實現(xiàn)鋼軌的精確加工。

4 計算試驗驗證

采用SIMPACK動力學分析軟件建立了車輛系統(tǒng)非線性數學模型，對鋼軌銑磨車的動力學性能進行了全面動力學分析計算，主要包括運動穩(wěn)定性、運行平穩(wěn)性和運行安全性等內容。計算結果表明該車不同工況下的性能指標符合相關標準的要求，運動穩(wěn)定性具有足夠的速度裕量，能夠滿足最高100 km/h速度內正常安全平穩(wěn)運行的要求。

車輛的臨界速度計算結果為187 km/h，能夠滿足連掛時最高100 km/h速度級運行的要求且有一定的裕量[2]。

各種速度下鋼軌銑磨車車體橫向和垂向平穩(wěn)性指標均小于3.0，滿足TB/T 17426—1998的優(yōu)級標準規(guī)定，乘坐舒適性指標均滿足中等水平規(guī)定。

運行安全性計算了不同速度和直線、道岔、不同半徑曲線運行時整車各轉向架、各輪對的輪軸橫向作用力、輪軌垂向作用力、脫軌系數值、輪重減載率等，計算結果滿足GB/T 5599—1985規(guī)定的限度值。其中R100 m半徑曲線運行安全性計算結果如表1所示[3]。

表1 R100 m半徑曲線運行安全性計算結果

車輛研制完成后，依據GB 17426—1998等動力學標準，分別考察了車輛運行安全性指標和運行平穩(wěn)性指標，車輛的最高試驗速度為80 km/h，試驗結果如下：

運行安全性方面，車輛導向輪對的輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率和脫軌系數最大值均小于對應的限值。動力車的脫軌系數、輪軌垂向力和輪重減載率的最大值出現(xiàn)在R800 m的曲線半徑上，通過速度是60 km/h，輪軸橫向力出現(xiàn)在R150 m的曲線半徑上，通過速度是15 km/h；作業(yè)車的脫軌系數、輪軸橫向力、輪軌垂向力和輪重減載率的最大值均出現(xiàn)在R800 m的曲線半徑上。

運行平穩(wěn)性方面，動力車橫向平穩(wěn)性均值最大值為2.08，垂向平穩(wěn)性指標均值最大值為2.15；作業(yè)車橫向平穩(wěn)性均值最大值為2.07，垂向平穩(wěn)性指標均值最大值為2.11。動力車和作業(yè)車的橫向和垂向平穩(wěn)性指標均小于3.0，達到了GB 17426—1998規(guī)定的優(yōu)級標準。

5 結論

鋼軌銑磨車是基于交流傳動的純電雙動力驅動的大型軌道養(yǎng)護機械，整車作業(yè)過程污染零排放，節(jié)能環(huán)保，更適用于城市軌道交通環(huán)境。

2020年5月至11月，鋼軌銑磨車在南京地鐵投入運用，作業(yè)里程12 km，作業(yè)期間整車性能穩(wěn)定、可靠，故障率較低；銑磨作業(yè)功能良好、各項技術指標到達國際先進水平，解決了南京地鐵線路的波磨、魚鱗紋、剝離掉塊、肥邊等病害；鐵屑收集率達到了95%以上；作業(yè)環(huán)境友好，污染少，噪音小，得到了南京地鐵用戶的認可。