朱健偉，史時(shí)喜，侯小祥

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

車輛落成、稱重調(diào)整、尺寸測(cè)量是動(dòng)車組高級(jí)修中的重要工序?，F(xiàn)有檢修工藝將三處工位分別設(shè)置在不同區(qū)域，車輛每次落成后要通過移車臺(tái)將組裝好的單節(jié)車轉(zhuǎn)送至其他工位進(jìn)行稱重試驗(yàn)、尺寸測(cè)量，當(dāng)結(jié)果不滿足要求時(shí)就需要將該單節(jié)車移回落成工位進(jìn)行調(diào)整，如此循環(huán)作業(yè)，直至合格[1-2]。由此可知，該工藝存在如下缺點(diǎn)：多個(gè)工位用地面積大、工位間轉(zhuǎn)運(yùn)周期長(zhǎng)、作業(yè)效率低[3]。

西安動(dòng)車段四、五級(jí)修的場(chǎng)地有限且檢修任務(wù)重，現(xiàn)有多工位檢修模式已無(wú)法滿足動(dòng)車段高級(jí)修實(shí)際作業(yè)需求。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種可滿足在單一工位上完成車輛落成、稱重調(diào)整、尺寸測(cè)量作業(yè)的一體化設(shè)備系統(tǒng)——?jiǎng)榆嚱M綜合落成系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)車組綜合落成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以滿足西安動(dòng)車段CRH系列動(dòng)車組及CR300、CR400系列標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組高級(jí)修車輛落成、稱重調(diào)整、尺寸測(cè)量一體化作業(yè)需求為目的，具有較高的集成度、良好的兼容性。

1.1 方案原理

對(duì)應(yīng)單節(jié)車輛的兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架，綜合落成系統(tǒng)由兩組單坑設(shè)備和一套電控系統(tǒng)組成，單坑設(shè)備采用側(cè)進(jìn)通道+中間及兩側(cè)升降平臺(tái)+端部伸縮平臺(tái)的布置方案，如圖1所示。系統(tǒng)伸縮平臺(tái)與升降平臺(tái)同時(shí)動(dòng)作，可將架車狀態(tài)的水平作業(yè)面快速轉(zhuǎn)化為稱重及尺寸測(cè)量狀態(tài)的下沉作業(yè)面。在非工作及落車時(shí)，中間及兩側(cè)升降平臺(tái)與地面平齊，伸縮平臺(tái)蓋板伸出，方便人員及車輛通行，同時(shí)借助轉(zhuǎn)向架舉升裝置和車體舉升裝置，把落車作業(yè)面調(diào)整到合適的高度。在稱重及尺寸測(cè)量調(diào)整工序，中間升降平臺(tái)及兩側(cè)升降平臺(tái)下降至相應(yīng)高度，實(shí)現(xiàn)局部模擬軌道橋及檢查坑的作業(yè)環(huán)境，供快速稱重及尺寸調(diào)整作業(yè)。此方案取消了常規(guī)工藝中檢查坑與軌道橋結(jié)構(gòu)的設(shè)置，避免了人員跌落風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)兩側(cè)檢修通道的設(shè)置方便了作業(yè)人員進(jìn)出，有效提高了作業(yè)效率。

圖1 綜合落成系統(tǒng)布置圖

1.2 單坑設(shè)備組成及功能

系統(tǒng)單坑設(shè)備主要由車體舉升單元、轉(zhuǎn)向架舉升單元、主機(jī)架、兩側(cè)升降平臺(tái)、中間升降平臺(tái)、兩側(cè)伸縮平臺(tái)、稱重系統(tǒng)、地面防護(hù)、電氣系統(tǒng)等組成，如圖2所示。

1—稱重系統(tǒng)；2—車體舉升單元；3—轉(zhuǎn)向架舉升單元；4—兩側(cè)伸縮平臺(tái)；5—中間升降平臺(tái)；6—兩側(cè)升降平臺(tái)；7—地面防護(hù)

1.2.1車體舉升單元

每套綜合落成系統(tǒng)有4個(gè)車體舉升單元，對(duì)應(yīng)車輛車體的4個(gè)架車點(diǎn)。車體舉升單元由伸縮托頭、舉升柱、移動(dòng)導(dǎo)向軌、升降驅(qū)動(dòng)裝置、移動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等組成，如圖3所示。

1—伸縮托頭；2—升降驅(qū)動(dòng)裝置；3—移動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置；4—移動(dòng)導(dǎo)向軌；5—舉升柱

車體舉升由舉升單元整體移動(dòng)、托頭伸出、舉升柱升降3個(gè)動(dòng)作組成。移動(dòng)導(dǎo)向軌可支撐車體舉升單元沿軌道方向移動(dòng)，同時(shí)舉升柱的頂端伸縮托頭伸出距離可調(diào)，從而滿足兼容CRH系列及CR系列標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組多種車型不同架車點(diǎn)的架車作業(yè)需求。

1.2.2轉(zhuǎn)向架舉升單元

每套綜合落成系統(tǒng)有2個(gè)轉(zhuǎn)向架舉升單元，對(duì)應(yīng)單節(jié)車輛的2臺(tái)轉(zhuǎn)向架。每個(gè)轉(zhuǎn)向架舉升單元由舉升機(jī)構(gòu)、隨動(dòng)蓋板、同步驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，如圖4所示。舉升梁升起后，由隨動(dòng)蓋板自動(dòng)補(bǔ)齊空洞，可以避免檢修作業(yè)人員因踏空而帶來的危險(xiǎn)。每根舉升梁對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向架的同側(cè)2個(gè)車輪，2臺(tái)轉(zhuǎn)向架通過可編程邏輯控制器(PLC)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步舉升作業(yè)[4]。

1—舉升梁；2—同步驅(qū)動(dòng)裝置；3—主機(jī)架；4—隨動(dòng)蓋板

1.2.3主機(jī)架

主機(jī)架是動(dòng)車組綜合落成系統(tǒng)的關(guān)鍵承載部件，車體舉升單元的導(dǎo)向軌、轉(zhuǎn)向架舉升的驅(qū)動(dòng)裝置安裝梁、兩側(cè)升降平臺(tái)固定架、中間升降平臺(tái)固定架、稱重系統(tǒng)均固定在主機(jī)架上。

1.2.4兩側(cè)升降平臺(tái)

兩側(cè)升降平臺(tái)在非工作及架車狀態(tài)時(shí)升至與庫(kù)內(nèi)地面平齊；在稱重及尺寸測(cè)量調(diào)整工序時(shí)降落，提供相對(duì)于檢修庫(kù)地面900 mm深的工作環(huán)境，便于作業(yè)人員車下作業(yè)。兩側(cè)升降平臺(tái)由升降平臺(tái)本體、頂升機(jī)構(gòu)、升降平臺(tái)固定座、平臺(tái)固定插銷等組成，如圖5所示。

1—隨動(dòng)蓋板；2—平臺(tái)本體；3—升降平臺(tái)固定座；4—頂升機(jī)構(gòu)；5—平臺(tái)固定插銷

1.2.5中間升降平臺(tái)

中間升降平臺(tái)在非工作及架車狀態(tài)時(shí)升至與庫(kù)內(nèi)地面平齊；在稱重及尺寸測(cè)量調(diào)整工序時(shí)降落，提供相對(duì)于檢修庫(kù)地面1 700 mm深的工作環(huán)境，便于人員車下作業(yè)。

1.2.6兩側(cè)伸縮平臺(tái)

兩側(cè)伸縮平臺(tái)主要用于遮蓋通往地下通道的鋼梯。在非工作及架車狀態(tài)，平臺(tái)伸出覆蓋通道鋼梯，為作業(yè)人員提供平整作業(yè)場(chǎng)地；在稱重及尺寸測(cè)量調(diào)整狀態(tài)，伸縮平臺(tái)縮回，作業(yè)人員可以使用鋼梯進(jìn)入地下通道。

1.2.7稱重裝置

每套綜合落成系統(tǒng)有8個(gè)稱重單元，對(duì)應(yīng)一節(jié)車輛的8個(gè)車輪，稱重?cái)?shù)據(jù)采集及處理集成于控制系統(tǒng)內(nèi)，稱重誤差不大于±0.5%。落車作業(yè)后，輪對(duì)落在采用輪緣稱重方式的稱重軌上，每個(gè)車輪承載的重力經(jīng)過傳感器進(jìn)入PLC系統(tǒng)，并計(jì)算輪重、軸重、整車重以及輪重差、軸重差、總重差等數(shù)據(jù)，為車輛調(diào)簧提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.3 人機(jī)交互研究

綜合落成系統(tǒng)的主控制臺(tái)配置彩色觸摸屏，具有架車狀態(tài)顯示、控制模式選擇、車體舉升高度顯示、轉(zhuǎn)向架舉升高度顯示、平臺(tái)狀態(tài)顯示、稱重?cái)?shù)據(jù)顯示等多項(xiàng)人機(jī)交互功能，方便操作人員確認(rèn)作業(yè)狀態(tài)。

每臺(tái)設(shè)備另配2臺(tái)平板電腦，平板電腦與主控制臺(tái)實(shí)時(shí)通訊互連，供作業(yè)人員隨時(shí)查看數(shù)據(jù)，靈活便捷。車輛落成作業(yè)時(shí)，于主控制臺(tái)及平板電腦處可同步查看各位置軸信息；稱重作業(yè)時(shí)，單車稱重?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步顯示，有效提高了工作效率。

2 關(guān)鍵部件強(qiáng)度評(píng)估

2.1 主機(jī)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估

主機(jī)架為設(shè)備承載關(guān)鍵部件，采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235焊接而成，用地腳螺栓安裝固定于設(shè)備安裝基礎(chǔ)。設(shè)備工作時(shí)主要受力工況有以下3種：車體舉升工況、轉(zhuǎn)向架舉升工況、稱重試驗(yàn)工況。稱重試驗(yàn)工況時(shí)車輛自重與配重等外力均同時(shí)作用于主機(jī)架上，為最大受力工況，Q235屈服極限為235 MPa，在運(yùn)營(yíng)工況下考慮焊縫區(qū)取安全系數(shù)1.6，則許用應(yīng)力取142 MPa。本文利用有限元方法對(duì)主機(jī)架靜強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算結(jié)果如圖6所示，主機(jī)架上最大von Mises應(yīng)力為38.3 MPa，小于材料許用應(yīng)力，主機(jī)架靜強(qiáng)度滿足要求。

圖6 主機(jī)架最大應(yīng)力工況應(yīng)力云圖

2.2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估

沒有作業(yè)任務(wù)時(shí)，升降平臺(tái)升起并通過氣動(dòng)插銷鎖定，伸縮平臺(tái)活動(dòng)蓋板伸出，覆蓋測(cè)量作業(yè)進(jìn)出通道口，所有舉升柱縮回，此時(shí)系統(tǒng)設(shè)備上表面與庫(kù)內(nèi)地面平齊。考慮庫(kù)內(nèi)其他作業(yè)需求，設(shè)備平臺(tái)需滿足3 t叉車滿載通過[5]。

叉車自重約為4.3 t，滿載質(zhì)量即7.3 t，叉車前輪中心距為1 000 mm，輪胎寬230 mm，后輪中心距為970 mm，輪胎寬165 mm，前后軸距為1 760 mm。

兩側(cè)升降平臺(tái)完全承載叉車時(shí)，強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖7所示，最大von Mises應(yīng)力為70.1 MPa。

圖7 兩側(cè)升降平臺(tái)承載叉車工況應(yīng)力云圖

中間升降平臺(tái)寬度為980 mm，而3 t叉車前軸兩輪胎外側(cè)間距為1 230 mm，中間升降平臺(tái)不會(huì)完全承載整輛叉車的載荷，按叉車一側(cè)位于平臺(tái)中心位置(平臺(tái)受力最危險(xiǎn)位置)考慮，計(jì)算結(jié)果如圖8所示，最大von Mises應(yīng)力為108.6 MPa。

圖8 中間升降平臺(tái)承載叉車工況應(yīng)力云圖

綜上所述，兩側(cè)平臺(tái)及中間平臺(tái)叉車通過工況下最大von Mises應(yīng)力均未超出Q235鋼許用應(yīng)力，靜強(qiáng)度滿足要求。

3 系統(tǒng)應(yīng)用分析

3.1 車輛落成

車輛單節(jié)車體利用工藝轉(zhuǎn)向架承載和驅(qū)動(dòng)進(jìn)入工位，車體舉升單元沿導(dǎo)向軌移動(dòng)后從地面升起，伸出支撐托頭，在指定架車點(diǎn)承載車體。作業(yè)人員拆解工藝轉(zhuǎn)向架和車體之間的聯(lián)接，將工藝轉(zhuǎn)向架移出工位；車輛轉(zhuǎn)向架進(jìn)入工位，車輪踏面到達(dá)轉(zhuǎn)向架舉升裝置頂端，由轉(zhuǎn)向架舉升單元將其送達(dá)所需高度[6]，如圖9所示。隨后作業(yè)人員微調(diào)轉(zhuǎn)向架位置，使其與車體能準(zhǔn)確聯(lián)接，所有部件單元聯(lián)接完成后，支撐托頭縮回到原始位置，轉(zhuǎn)向架舉升裝置將轉(zhuǎn)向架連帶車體整體落下，即車輛落成。

圖9 車輛落成架車狀態(tài)

3.2 車輛稱重

稱重系統(tǒng)采用輪緣稱重的方式[7]，稱重軌布置在主機(jī)架上，落成作業(yè)后，車輛沿轉(zhuǎn)向架舉升梁進(jìn)入稱重工位，并到達(dá)稱重軌位置。轉(zhuǎn)向架舉升梁下降使車輪輪緣與稱重軌接觸，隨后舉升梁繼續(xù)下降直至與踏面分離，此時(shí)車輛重力完全落在稱重軌上，通過稱重傳感器即可采集稱重?cái)?shù)據(jù)，如圖10所示。完成車輛的輪重測(cè)量、軸重測(cè)量后通過軟件系統(tǒng)可計(jì)算得出輪重差、軸重差，為車輛調(diào)整提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

1—轉(zhuǎn)向架舉升梁；2—稱重軌；3—稱重傳感器

3.3 尺寸測(cè)量

尺寸測(cè)量作業(yè)采用人工手持工具進(jìn)行測(cè)量的方式。落成作業(yè)完成后，設(shè)備兩側(cè)蓋板下降至距離檢修庫(kù)地面900 mm處，中間蓋板下降至距離檢修庫(kù)地面1 700 mm處，伸縮平臺(tái)蓋板縮回。系統(tǒng)模擬軌道橋與檢查坑的作業(yè)環(huán)境，為作業(yè)人員提供作業(yè)空間和測(cè)量基準(zhǔn)，如圖11所示。利用中間平臺(tái)的升降功能，在尺寸測(cè)量尤其是測(cè)量車體與轉(zhuǎn)向架零部件的間距時(shí)，可在采取安全措施的前提下升起平臺(tái)，避免作業(yè)時(shí)攀爬軌道帶來的跌落風(fēng)險(xiǎn)。工作人員在進(jìn)行車鉤高度調(diào)整測(cè)量時(shí)采用全地面作業(yè)的方式，升降平臺(tái)升至與地面平齊，避免了人員在軌道橋上的跌落風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 尺寸測(cè)量作業(yè)示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種集車輛落成、稱重調(diào)整、尺寸測(cè)量多種工藝于一體的動(dòng)車組綜合落成系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在同一工位完成3項(xiàng)動(dòng)車組高級(jí)修工藝。集成化的動(dòng)車組綜合落成系統(tǒng)避免了工位間的流轉(zhuǎn)，同時(shí)也省去因移動(dòng)帶來的重復(fù)定位時(shí)間，避免了因多次裝夾帶來的誤差，簡(jiǎn)化了工藝流程，極大地提高了檢修效率，并有效減小庫(kù)房用地面積。系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、作業(yè)安全性強(qiáng)、人機(jī)交互友善，各部件滿足運(yùn)用要求。

目前，系統(tǒng)設(shè)備已投入西安動(dòng)車段高級(jí)修庫(kù)實(shí)際運(yùn)用。本文的研究成果還可為今后動(dòng)車組、機(jī)車車輛及城市軌道交通車輛等新型檢修設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。