移动式线路动态加载车液压加载系统设计.pdf

2 0 1 4年第 4期 杨亮 等 移动式线路动态加载 车液压加 载系统设 计 将高压油分流到设定 的通道 中， 它还具有液压油滤清 以及消除压力脉动和补充流量等多种功能。控制系统 包括 控 制器 和控 制软件 ， 控 制器 中含 有 中央处 理器 、 信 号调 理 板 、 采 集 卡 、 数 字 输 入 或 输 出通 道 、 伺 服 阀驱 动 器 、 继电器等 ， 可实现高速闭环控制 、 数据采集 、 信号输 入和输出等功能。系统采用 MT S 7 9 3控制软件 ， 它具 有编写试验程序 ， 波形显示 ， 比例 、 积分 、 微分调节 ， 极 限探测保护等功能 ， 还能根据特定的工况和试验步骤 ， 嵌入 c语言代码 ， 满足各种试验需要。 与传统的液压系统不同 ， 移动式 线路加载车 MT S 液 压 系统配 有 柴油发 动机 和空 气冷 却风 扇 。 由于该 车 长 期在 线路 中运行 ， 有些 试验 线路 不是 电气 化线 路 ， 无 法采用传统的电能作为动力源 ， 根据前期设计 系统配 置 了一 台 5 5 0 k W 卡 特 柴 油 发 动 机 来 提 供 加 载 动 力 ， 它 能 同时带 动 3个 液 压 泵 工 作 ， 最 大 流量 可 达 到 9 4 6 L ／ mi n 。液压 系 统 工 作 时 液 压 油 温 度 会 上 升 ， 但 油 温 必 须保 持在 一定 的温 度 范 围 3 5℃ ～4 5℃ 才 能 正 常 工作 ， 所以需配有冷却系统。常规 的冷却方式为水冷 ， 但 水 冷 占地 空 间 较 大 ， 日常使 用 中需 要 经 常 补 水 、 清 洁。考虑到移动式线路加 载车经常在野外工作 ， 补水 困难 ， 设计采用空气冷却方式。该风冷系统 由 4台风 扇 组 成 ， 它 们 安 装 在 车体 的 侧 壁 上 ， 液 压 油 油 温 超 过 4 3℃风扇便会 自动开启， 高温油流入风扇经冷却后流 人 液 压源 。 1 ． 2作动 器 的主要 性能 与参 数 作动 器是 液压 加 载 系 统最 主要 的部 件 ， 通 过 它 产 生荷载对轨道进行加载。本系统有 4台作动器 ， 2台 垂向作动器 ， 2台横 向作 动器 。垂 向作动器模拟列 车 的垂 向荷 载 ； 横 向作 动器 模 拟 列 车 所 受 的 横 向力 。垂 向 、 横 向作 动 器 的 参 数如 表 1 。从 表 1可 以看 出单 台 垂 向作动 器 的最 大荷 载 为 2 5 0 k N， 2台垂 向作 动 器 可 模 拟 5 0 0 k N的 轴 重 ； 单 台 横 向作 动 器 的最 大 荷 载 为 1 0 0 k N， 2台横 向作 动 器 可 模 拟 2 0 0 k N 的横 向力 ， 远 大于 既有 客运 专线 、 重 载 线 路 的 轴重 和列 车 运 行 中产 生的横 向力 。同时垂 向作动器还可进行 5 0 H z以下的 高频 动 态 加 载 ， 可 模 拟 最 小 轴 距 2 ． 4 m 的 动 车 组 4 0 0 k m ／ h 超过了现有高铁 的运 行速度 通过 时对轨 道 的 影响 。 表 1单 台作动器性 能参数 2液压加载 系统 的设计 根据 移 动式线 路 动态加 载 车使用 条件 和安装 环境 设 计 液压 加载 系统 。液 压加 载 系统 的设 计 主要包 括液 压加载设备在车体 的布局设计 ， 加 载机构 的设计 以及 软模 式 配置 。布 局 设 计 要 满 足 在 车 体 有 限 空 间 内 将液压加载系统各部件合理有序放置 ， 加载机构设计 实现车体底部将作动器的力传递到钢轨上， 液压加载 系统的软模式设计 为移 动加 载过程 中荷载稳定提供 保障。 2 ． 1 液压 加 载设 备在 车体 的布局 设计 2 ． 1 ． 1 液 压加 载设 备布 局设 计 思路 液 压 加 载 设 备 安 装 在 加 载 车 上 ， 加 载 车 由一 辆 D F 8 B机 车改 造而 成 ， 该 车 车 轮直 径 1 0 5 0 mm， 外 形 尺 寸 长 宽 高 为 2 3 2 0 0 m m 3 1 1 0 m m 4 5 3 9 m m。通过前期的理论计算与仿真分析 ， 对构架 、 转 向 架进行了优化改进， 加厚了车体钢板以抵抗移动加载 中动态荷 载 的 冲击 。 。 作动器在车体的布置主要考虑加载是靠车体提供 支撑反力 ， 在前后转向架处减载 ， 车体会有一定程度的 上 浮 ， 将 作动 器安 装 在 车体 中部 加 载 时前 后 转 向 架减 载均衡 ， 有利于保持车体 的平衡 。计算表 明单轮荷载 作 用下 轨道 变形影 响在 4 I T I 外 可忽 略 ， 加 载 车 前 转 向 架后轮与后转向架前轮的间距为 8 m， 将作动器安装 在加载车车体中部能消除前转向架和后转 向架处的轮 轨 力对 加载 点荷 载 的影 响。 其他配套设备在布局设计时遵循布局紧凑 ， 合理 利用车体有限空间的原则 。液压源 、 分油器、 蓄能器等 有管路连接的设备靠近作动器布置 ， 减少管路 占用空 间 ， 实 时性要 求 较高 的控制 主机 要远 离作 动器 ， 做 防震 处 理 。 2 ． 1 ． 2 液压 加载 设备 布局设 计 方案 液 压加 载设 备在 车体 的布 局如 图 3所 示 。垂 向作 动器固定在加载车车体正 中央的横梁上 ， 横 向作动器 图 3 液压加载系统主要设备在车体 中布置 l l 2 铁道建筑 等间距布置在垂 向作动器左右两侧 ； 液压源和卡特柴 油发动机安装在同一个底座上 ， 固定在加载车车体后 端 空 间 ； 两个 分油器 固定 在 液压 源 与 作 动 器 之 间 的车 体上 ， 左右侧各一个 ， 左侧 的分油器控制左侧垂 向作动 器和左侧横向作动器 ， 右侧分油器控制右侧垂 向作动 器和右侧横向作动器 ； 车体左侧墙上安装 4个冷却 风 扇 ， 右侧装有 4个百叶窗； 控制主机安装在加载车车厢 最 前端 。 2 ． 2 加 载机 构 的设 计 2 ． 2 ． 1 加载 机构 的设 计方案 对 比 加载机构设计时要满足将作动器的荷载有效地传 递到钢轨上且能随着车体的移动而移动 ， 因此要设计 一 个 移动 的加 载架来 满足 此功 能 。作 动器 在移 动加 载 架上 的作 用位 置和作 用方 向直接 影 响在钢 轨上 施加 荷 载的大小和方向。垂 向作动器与加载架为刚性连接， 对加载架进行垂向定位和约束 ； 横 向作动器连接机构 设计有 3种方案， 如 图 4 。方案 1 ， 横向作 动器水平放 置在车体上， 荷载通过杠杆机构传递到加载轮上。方 案 2， 横向作动器水平放置在 车体底部 ， 荷载直接作用 到轨道上 。方案 3 ， 横向作动器斜向放置在车体上 ， 荷 载通 过旋 转三 角架 与杠 杆传递 到加 载轮 上 。 方案 1的机构设计满足空间要求 ， 荷载传递明确 ； 方 案 2虽 然荷 载直 接 作用 于钢 轨 上 ， 但 考 虑 到 车底 空 a 方案 1 f b 方 案2 f b 方案3 图 4 横 向作 动器连 接机 构设计方 案对 比 间的局限性与行车安全性将横向作动器安装在车底难 以实现 ； 方案 3的机构设计能满足空间局限， 但荷载传 递模式 复 杂 ， 加 载时 横 向荷 载 会 对 垂 向荷 载 造成 很 大 的影 响 。综 合考 虑选 择方 案 1 。 2 ． 2 ． 2加 载机 构的设 计模 型 如图 5所示 ， 垂 向作动器通过万 向球铰 与车体和 移动加载架连接， 允许作动器在横向有相对转角 ， 加载 架可在横向 自由移动。横向作动器与横 向加力垂杆在 作动 器运 动方 向为 刚性 连 接 ， 对 加 载 架 起 到横 向定 位 和 约束 的作用 。垂 向采 用万 向球 铰连接 允许 有相 对转 角 ， 垂 向作动 器在带 动加 载 架 下 放 、 提 升 以及 加 载 时 ， 连接 杆会 绕加 载架 基 座产 生 一 定 转 角 ， 但 不 会影 响垂 向定位 。 图 5 垂 、 横 向作动器与移动加载架连接 三维 图 移动加载架通过 4根端部为万 向球铰的连杆连接 到车体底部 ， 每侧上 、 下各有 1个。万 向球铰允许移动 加载架随车体运行时横向有一定的角度偏移 ， 在通过 曲线时 ， 设定作动器为力控制模式 ， 液压系统将在保持 加 载力 的 同 时 控 制 加 载 轮 对 在 钢 轨 的 导 向下 顺 利 通 过 。 2 ． 3作 动器 软模式 2 ． 3 ． 1 软 模 式 问题 的提 出 通 常 作 动器 放 置在 实 验 室 内 ， 环 境 、 试 件 、 工 装 都 相对较好 ， 而移动式线路动态加载车上的作动器是在 车体 移动 中工作 的 ， 经 常会 碰 到一 些恶 劣 的轨道 区段 ， 如三 角坑 、 钢轨 剥离 、 轨道 不平 顺 、 钢轨接 缝 等 ， 这 些不 利工况对加载精度影响很 大， 情况严重时可能会使作 动器 荷载 突变 ， 液压 系统 失 控 ， 引 起 激 震 ， 对 设 备 和人 员安 全都 有严 重影 响 。 2 ． 3 ． 2 软 模 式的 实现 方式 如图 6所 示， 通 过 降 低 作 动 器 刚 度 值 刚 度 1 0 k N ／ mm ， 可有效控制加载力 。在作 动器头部加 人 软模式 装 置， 可 明显 提高 加 载控 制 精度 ， 实 现 移 动 恒 载 2 0 1 4年第 4期 杨 亮等 移动式线路动态加载车液压加载 系统设计 1 1 3 Z 9 9 8 7 7 6 5 5 4 3 3 2 11 o 8 8 8 6 6 6 4 4 4 2 2 2 0 时 间／ ms 图 6软 、 硬模 式下 作动器性 能对比 软模式相当于机械系统 中的弹簧， 它能吸收瞬间 高压油的冲击减小荷载的波动。软模式的实现是通过 在作动器上增加蓄能器 。蓄能器是空壳椭圆型球体 ， 是内充高压氮气的橡胶气囊 ， 当遇到不平顺路段时高 压油 流入 蓄能 器腔 体 ， 遇到气 囊 的阻力 便会 削弱 冲击 ， 保证 荷载 的平 稳 。 3 结 语 按照线路连续测量轨道 刚度 的要求 ， 研制 了移动 式线路动态加载车 ， 其 中液压加载系统配置 的软模式 De s i g n o f h y d r a u l i c l o a d i n g 减 小 了移动 加载 过程 中荷 载 的波动 。 该系统 已投入使用 ， 液压系统布局合理 ， 结构设计 科学 ， 设备运行安全可靠 ， 荷载误差在 5 ％以内， 能够 保 证移 动式 线路 动态 加载 车在 现场 试验 的安 全性 和测 试 数据 的准确性 。 参 考 文 献 [ 1 ] K A L A Y S F ， O ’ D O N N E L L W P ． D e mo n s t r a t i o n t e s t i n g o f t h e t r a c k l o a d i n g v e h i c l e[R] ．C h i c a g o A s s o c i a t i o n o f A me r i c a n Ra i l r o a d s Re s e a r c h a n d Te s t De p a r t me n t Re p o No ．R一 78 2， 1 9 92． [ 2 ] B E R G G R E N E ． D y n a mi c t r a c k s t i f f n e s s m e a s u r e m e n t [ C] ／ ／ KTH En g i ne er i n g S c i e nc e s TRI TA AVE， St o c k h ol m KTH ， 2 0 05 1 4．1 7． [ 3 ] 赵 国堂 ． 铁 路轨 道 刚 度 的确 定 方 法 [ J ] ． 中 国铁 道 科 学 ， 2 0 0 5， 2 6 1 1 6 ． [ 4 ] 郝瀛． 铁道 工程 [ M] ． 北京 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 5 ] MC V E Y B， F A R R I T O R S ， N O R MA N C， e t a 1 ． T r a c k mo d u l u s m e a s u r e me n t f r o m a mo v i n g r a i l c a r [ J ] ． A R E MA， 2 0 0 5 1 3 5 4 38 3． [ 6 ] 中国铁道科学研究 院． 高速铁路 线路动态 加载技 术及试验 装备研制阶段报告 [ R] ． 北京 中国铁道科学研究院 ， 2 0 1 0 ． [ 7 ] 暴学志 ， 柴雪松 ， 李家林 ， 等． 移动式线路动态加载试验车加 载机构设计 [ J ] ． 铁 道建筑 ， 2 0 1 1 1 2 1 1 3 1 1 5 ． s y s t e m o f Chi n e s e t r a c k l o a d v e YANG L i a n g， CHAI Xu e s o n g， L I W e i ， BAO Xu e z h i ， J I N Hu a， P AN Z h e n， R a i l w a y E n g i n e e r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h i n a A c a d e m y o f R a i l w a y S c i e n c e s ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 h i c l e S I Da o l i n ，C h i n a Abs t r a c t Th e t r a c k l o a d i n g v e h i c l e i s a b l e t o c o n d u c t a c o n t i n u o us me a s u r e me n t o n t h e s t i f f n e s s o f t h e t r a c k ． T h e l o a d i n g i s i mp o s e d v i a t h e a c t u a t o r s ， wh i c h t r a n s f e r t h e l o a d i n g t o t h e t r a c k b y u s i n g t h e c a r b o d y a s a r e a c t i o n f r a me，a n d a n y d e f o r ma t i o n c a n b e p i c k e d u p b y t h e l a s e r d i s p l a c e me n t s e n s o r i n s t a l l e d． I n t h i s p r o c e s s， t h e h y d r a u l i c s y s t e m h a s c o n t r o l o v e r t h e l o a d i n g i mp o s e d b y t h e a c t u a t o r s t o t h e t r a c k， b e i t v e r t i c a l o r h o r i z o n t a 1 ． Th e p a p e r i n t r o d u c e s t h e l a y o u t a n d t h e d e s i g n i n g s c h e me f o r t h e h y d r a u l i c s y s t e m u s e d i n t h e t r a c k l o a d i n g v e h i c l e ． Th e v e h i c l e d e l i v e r s e x c e l l e n t p e r f o r ma n c e s i n c e i t s a p p l i c a t i o n a n d t h e d a t a c o l l e c t e d i s f a i r l y s t a b l e ． Ke y wo r ds T r a c k l o a d i n g v e h i c l e； T r a c k s t i f f n e s s ； Hy d r a u l i c s y s t e m 责任 审编 王红