GCS—80铁路道床除沙车工作小车升降液压系统原理的设计

聂大安

【摘 要】本文根据GCS-80铁路道床除沙车工作小车的结构特点和动作要求，通过采用高低压力切换控制、节流调速、同步分流马达等方式，设计了具有良好的调速和同步特性，以及节能效果的升降液压系统，满足了工作小车在各种工况下的作业要求。

【关键词】除沙车；工作小车；液压系统；升降

The Design Principle of GCS-80 Railway Trackbed Sand Removal Vehicle Hydraulic System about

Lifting or Lowering of the Working Car

NIE Da-an

（China Railway Large Maintenance Machinery CO.LTD，Kunming Yunnan 650215，China）

【Abstract】This paper introduces structural features and motion requirements about the working car of GCS-80 railway trackbed sand removal vehicle，through the way of using high and low pressure control， throttle control，synchronous motor， designed with good timing and synchronization， energy saving effect hydraulic system，to meet the working requirements of the working car in various working conditions.

【Key words】Sand removal vehicle；Working car；Hydraulic system；Lifting or lowering

0 引言

蘭新高铁是中国西北地区修建的首条高速铁路，东起兰州，途经西宁，西至乌鲁木齐，全长1776公里，也是世界上首条修建在高寒风沙区域的高速铁路。由于车辆运行时速在200公里以上，途经风沙区域段时，沉积到道床上的沙尘将对线路的运营安全产生不利的影响。GCS-80铁路道床除沙车是我公司最新研究开发的一种高速铁路用大型养护机械设备，主要以兰新高铁的道床结构及线路运行情况为设计依据，用于清除沉积在道床表面的沙尘，保证高铁车辆在兰新高铁线路风沙区域段的正常运行。

GCS-80铁路道床除沙车由主车和工作小车两部分组成，作业时工作小车与主车分离落至轨面上，仅通过牵引杆与主车相连，由牵引杆牵引向前进行作业。作业小车可将兰新高铁道床板上沉积的沙尘清除，并收集至主车上，再通过物料转运装置向后输送至与之联挂的物料运输车上，由物料运输车运至指定地点，因此，工作小车是影响整个除沙车作业效果的关键部件。主车上的所有执行装置及设备都采用电力驱动，只有工作小车的提升、下降等采用液压油缸驱动。

本文主要根据GCS-80铁路道床除沙车工作小车的作业要求，设计了满足工作小车各种工况下升降要求的液压系统，有效保证了整车在高铁线路上的除沙作业性能。

1 工作小车的基本结构及作业要求

1.1 工作小车的基本结构

工作小车可分为罩体和小车框架两个部分，其基本结构如图1所示。作业开始前，先小车框架与主车分离，下降直到4个轮子都落在轨面上。然后罩体也与主车分离，下降直到落在小车框架上。此时，工作小车即可通过牵引杆被主车拉着向前进行作业。作业完成后，先将罩体收到主车上并锁定，然后再将小车框架也收到主车上锁定。

罩体是小车的主要工作部件，为保证作业效果，罩体的下边缘应尽可能贴近道床表面，通过小车框架控制其最大下降高度。罩体由2个液压缸控制其升降，液压缸位于罩体中间左右两侧，图1中2所在的位置。小车框架由4个液压缸控制其升降，分别位于4个小车轮的上方。

1.工作小车框架；2.罩体提升油缸；3.罩体；4.框架提升油缸；5.小车轮；6.轨道

1.2 液压系统的作业要求

1.2.1 小车框架的提升和下降

在放小车框架时，要求小车框架的四个车轮尽可能同时落到轨面上；不管是提升还是下降，都要求速度平稳，并能够在任意位置停止。

1.2.2 罩体的提升和下降

罩体在钢轨和扣件处有紧贴的缺口，作业时，罩体的下边缘需落至轨面以下并贴近道床板，因此，为保证罩体的缺口不与钢轨碰撞，罩体升降过程中应速度平稳，并尽可能保持水平，且能够在任意位置停止。

1.2.3 提供下压力

作业过程中，工作小车只由牵引杆牵引向前作业，仅靠自身重力还不足以保证小车在曲线上的运行安全，必须给小车提供垂直下压力，以防止工作小车在曲线作业时掉道。

1.2.4 可实现快速避障

作业过程中，罩体与道床板之间只有很小的距离，因此，如不采取措施，线路上只要高出道床表面的结构或设备都将与罩体发生碰撞（主要是应答器），为避免损坏线路设备，当工作小车经过障碍物前，罩体应能快速提升至轨面以上，当越过障碍物后再自动放下。

2 液压系统的组成及工作原理

2.1 液压系统的组成

根据工作小车的作业要求，液压系统设计原理如图2所示。

根据功能及实现的动作，系统主要可分为4个组成部分：1）泵源；2）小车框架升降液压回路；3）罩体升降液压回路；4）过滤及冷却回路。各部分的组成元件及其功能如表1所示。

2.2 工作原理

GCS80铁路道床除沙车到达工作地点后，开始工作前首先需将工作小车放到轨面，具体步骤及工作原理如下：

1）先启动驱动液压泵的电动机，此时压力控制阀3处于失电状态，系统泄荷，电动机零负载启动；

2）小车框架升降开关打到下降位，线圈Y1得电使压力控制阀3处于30bar的低压状态，同时，电磁阀5的线圈Y3得电使其处于下降位，小车框架下降，直到小车框架的四个轮子都落到轨面上；小车框架下降开关回中位，根据在轨信号，线圈Y1和Y3得电状态不变，小车框架升降油缸一直会给框架一个下压力，下压力的大小由单向减压阀6设定。

3）罩体升降开关打到下降位，电磁阀9的线圈Y6得电使其处于下降位，罩体下降，直到罩体落至小车框架上；罩体升降开关回中位，根据位置信号，线圈Y6的得电状态不变，罩体升降油缸也一直会有一个下压力压在罩体上，下压力的大小即为压力控制阀3设定的低压压力。

小车落到轨面后，整车其他准备工作完成即可向前进行作业，此时压力控制阀3一直处于低压状态，小车框架及罩体升降控制电磁阀5和9都处于下降位，一直有一定的下压力作用在工作小车上。当向前作业经过有障碍物的路段时，通过在司机室按下快速提升开关，压力控制阀3的线圈Y2得电，使其切换到高压状态，系统工作压力升至160bar，同时，电磁阀9的线圈Y5以及电磁阀12的线圈Y7得电，罩体快速提升至高于轨面设定的位置；经过障碍物后，快速提升开关复位，压力控制阀3的线圈Y1得电，系统工作压力降至30bar，电磁阀9的线圈Y6得电从而回到下降位，而电磁线圈Y7失电，罩体正常下降至小车框架上。

作业完成后，工作小车需提升到主车上，并进行可靠的锁定，保证区间行走时的安全，具体操作步骤及工作原理如下：

1）罩体升降开关打到上升位，压力控制阀3的线圈Y2得电切换到高压状态，系统工作压力升至160bar，同时，电磁阀9的线圈Y5得电，罩体上升直到锁定位；罩体升降开关回中位，压力控制阀3的线圈Y1得电，系统工作压力降至30bar，同时，电磁线圈Y5失电。

2）小车框架升降开关打到上升位，压力控制阀3的线圈Y2得电切换到高压状态，系统工作压力升至160bar，同时，电磁阀5的线圈Y4得电，小车框架上升直到锁定位；小车框架下降开关回到中位，电磁线圈Y2和Y4都失电，系统泄荷。

液压系统工作过程中，液压泵输出的油液绝大部分都是经过压力控制阀3回油箱，过滤器14和散热器15装在压力控制阀的回油路上，对油液不断的过滤和冷却，从而保证油液的正常质量，并使系统的油温维持在正常的工作温度范围之内。

3 液压系统的主要特点

3.1 无负载启动

液压泵启动时，压力控制阀3失电，系统处于泄荷状态，因此，电动机起动扭矩小。

3.2 良好的速度控制特性

小车框架及罩体升降回路都采用了节流调速阀进行调速，保证其上升或下降的速度平稳性。小车框架升降回路在主进油路上有进油节流阀，可调节小车框架升降的整体速度，同时，每个油缸的入口和出口都有回油节流阀，可以在下降时平衡小车框架的重力，保证下降速度平稳，还可实现单独对任意一个油缸的速度进行调节；罩体升降回路在油缸出口和入口的主油路上都设有回油节流阀，可方便地对罩体的升降速度进行控制。

同时，罩体还能够快进行快速提升，实现快速避障功能。

3.3 同步性好

工作小车框架有4个升降油缸，分别位于小车的的4个车轮上方，由于小车的质量分布不均，升降时4个油缸的受力情况也不同，从而会造成框架升降油缸运动时不同步，双单向节流阀组7可单独调节任何一个油缸的速度，从而有效控制4个油缸的同步性。

罩体升降回路上装有齿轮同步分流马达，其同步精度可达到1.5%-2.5%，并具有良好的重复精度，可有效保证罩体在升降过程中的倾斜度，避免罩体在钢轨处的切口与钢轨发生碰撞造成线路或设备损坏，影响正常的作业功能。

因为系统具有良好的同步特性，可迅速完成对工作小车的收放任务；同时，不需要停车，在司机室操作即可反复实现罩体快速避障，有效地保证了作业效率。

3.4 可提供稳定可靠的下压力

工作小车工作过程中，小车框架和罩体升降油缸都处于下压状态，一直都有一定的下压力。由于线路的不平顺性，运行过程中会存在高低起伏变化，从而造成升降油缸无杆腔的压力波动。罩体下压力大小等于压力控制阀3的低压压力，采用先导溢流阀控制，响应快速，能够有效保证压力的稳定；设定小车框架下压力的减压阀6为三通型，从泵来的高压油通过减压阀后会减压到设定的大小，当由于小车的高低起伏变化，出口压力实然升高超过设定值时，减压阀会反向溢流，从而保证出口压力始终保持恒定状态。

恒定的下压力是保证工作小车安全运行的重要保证。

3.5 节能

通过压力控制阀3使系统工作压力可在高压和低压间切换，只有当小车框架或罩体提升时，线圈Y2得电，系统工作压力才升至160bar，其余工作状态下，系统工作压力都只有30bar，既保证满足正常的作业要求，又大大降低了液压系统的能量消耗，起到了良好的节能效果。

4 结论

本文所设计的升降液压系统，不仅满足GCS80铁路道床除沙车工作小车框架和罩体各种工况下的升降要求，还能為作业中的工作小车提供稳定的下压力，有效保证了工作小车的运行安全性。

【参考文献】

[1]左建民.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]路甬祥.液压气动技术手册[M].北京：机械工业出版社，2002 .

[责任编辑：田吉捷]