QS650型清筛机作业参数测试与分析

王　鹏，高春雷

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京　100081)

我国的大型养路机械经历了30多年的发展，通过整车进口、引进技术国产化、自主研制和与国外公司联合设计制造等方式，已经形成了多个种类多种型号的车型，作业功能包括：道砟清筛、捣固、配砟整形、稳定，钢轨打磨、铣磨、焊接、探伤，桥梁检查，隧道检查，物料运输，路基整治、换轨与换枕[1]。目前，全路已经装备了各类大型养路机械共计约 2 300 台，为我国铁路的提速和高铁建设发挥了重大作用。

QS650型全断面道床清筛机作为主力清筛机型，是引进奥地利普拉塞公司技术在国内生产的，在我国铁路系统共计有120多台。其综合作业能力为650 m3/h，挖掘宽度为 4 030，4 530，5 030 mm，挖掘深度为枕底下350 mm[2]。柴油机驱动、全液压传动的轨行式大型养路机械是利用挖掘链的扒齿切割道床上的道砟以及道砟振动筛分的原理进行工作的[3-6]。但是，对于道床清筛机各系统的基础理论问题，目前尚未进行深入的研究。为了提高我国大型清筛机的设计水平，应该深入进行相关基础理论的研究，并对关键参数进行测试与分析。

本文将建立一套针对清筛机的走行系统、挖掘系统等工作装置和系统的测试系统，监测清筛作业时各系统的主要技术参数，形成完整的清筛机作业系统性能参数测试方法，并利用该系统进行线路作业实测，研究分析作业参数对清筛作业性能和挖掘效率的影响。

1　测试分析基础

测试分析前需先作基本的参数计算。

所监测液压驱动系统的流量qv、输出转速n、输出扭矩T、输出功率P的计算公式如下[7-10]：

式中：qv为流量，L/min；Vg为排量，mL/r；n为输出转速，r/m；ηv为容积效率；T为输出扭矩，N·m；Δp为压差,MPa；P为输出功率，kW；ηmh为机械-液压效率；ηt为机械效率。

2　测试系统

数据采集系统(如图1)配置了压力、流量、温度、转速、加速度传感器，对清筛机性能进行综合监测。该系统主要由采集仪、传感器和软件平台组成。

图1　数据采集系统

采集仪可由多个测试单元组合而成，其中有应变/电压测试单元、转速测试单元、任意波形发生器单元、CAN总线接口单元等。应变/电压测试单元的通道具有很强的通用性，配合使用各种调理器，可完成应变、应力、振动、压力、流量、扭矩、电压、电荷、温度等信号的测量。转速/计数器通道单元，可接各种脉冲/频率输出型传感器或计数器，用于转速的测量或脉冲数/频率值的统计。

软件平台包括底层驱动程序、通讯协议等，集数据采集、基本分析、阶次分析、现场动平衡、冲击波形检测、试验模态分析、声学分析等多种工程应用与分析功能于一体，采用模块化管理机制，使用更加简单便捷；能自动识别系统参数、设置滤波及采样参数、完全程控仪器量程，完成信号的实时采集分析处理；可实现虚拟仪器的功能、多功能模块化管理和“一键设定”式的操作。

3　挖掘宽度对清筛作业效率的影响

3.1　作业工况

测试线路长650 m，2008年清筛过，线路坡度17‰。

测试工况分2种：工况1，挖掘宽度 4 030 mm，起道高度50 mm；工况2，挖掘宽度 4 530 mm，起道高度50 mm。

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3.2　测试结果分析

测试得到工况1和工况2下QS650清筛机作业走行速度曲线。工况1下，最大速度为416.0 m/h，最小速度为370.6 m/h，平均速度为395.4 m/h。工况2下，最大速度为294.2 m/h，最小速度为267.9 m/h，平均速度为284.5 m/h。

挖掘宽度为4 030 mm时，Ⅱ型枕、50 kg/m钢轨下道床断面面积为1.76 m2，由挖掘断面乘以作业速度即得到挖掘效率曲线[11]，如图2(a)。可知，在此工况下进行连续清筛作业，挖掘效率最大值为719.7 m3/h，最小值为641.2 m3/h，平均值为684.1 m3/h。

挖掘宽度为4 530 mm时，Ⅱ型枕、50 kg/m钢轨下道床断面面积为1.87 m2，由挖掘断面乘以作业速度即得到挖掘效率曲线，如图2(b)。可知，在此工况下进行连续清筛作业，挖掘效率最大值为550.2 m3/h，最小值为501.0 m3/h，平均值为532.1 m3/h。

图2　不同挖掘宽度工况下挖掘效率曲线

由测得的连续清筛作业时挖掘链驱动马达进出口油压力差曲线，可知挖掘宽度 4 030 mm 工况下，挖掘驱动马达压力最大值为31.0 MPa，最小值为19.7 MPa，平均值为22.9 MPa。挖掘宽度 4 530 mm 工况下，挖掘驱动马达压力最大值为23.5 MPa，最小值为14.3 MPa，平均值为16.8 MPa。

挖掘链驱动马达流量在挖掘宽度 4 030 mm 时，挖掘链驱动马达流量最大值为514.2 L /min，最小值为346.8 L /min，平均值为464.5 L /min。挖掘宽度 4 530 mm 时，最大值为502.1 L /min，最小值为458.3 L /min，平均值为472.8 L /min。

挖掘链速在挖掘宽度 4 030 mm 时，挖掘链速最大值为3.7 m/s，最小值为2.6 m/s，平均值为3.3 m/s。挖掘宽度 4 530 mm 时，挖掘链速最大值为3.6 m/s，最小值为3.3 m/s，平均值为3.4 m/s。

挖掘链驱动马达功率在挖掘宽度 4 030 mm 工况下，挖掘链驱动马达功率最大值为210.9 kW，最小值为122.7 kW，平均值为172.0 kW。挖掘宽度 4 530 mm 工况下，挖掘链驱动马达功率最大值为171.8 kW，最小值为110.4 kW，平均值为129.4 kW。

3.3　驱动系统测试参数

综上所述，同一线路条件、同一起道高度50 mm下，QS650清筛机按挖掘宽度 4 030 mm 和 4 530 mm 进行清筛作业时，主要工作参数见表1。表1为不同挖掘宽度工况下驱动系统测试参数值。

表1　不同挖掘宽度工况下驱动系统测试参数值

4　起道高度对清筛作业效率的影响

4.1　作业工况

测试线路长1 km，该段线路在2008年清筛过。

测试工况分2种：工况3,挖掘宽度 4 030 mm，起道高度50 mm；工况4,挖掘宽度 4 030 mm，起道高度80 mm。

4.2　测试结果分析

工况3下QS650清筛机作业走行速度最大速度为370.1 m/h，最小速度为335.6 m/h，平均值为353.9 m/h。

工况4下QS650清筛机作业走行速度最大速度为522.2 m/h，最小速度为450.3 m/h，平均值为474.5 m/h。

起道高度50 mm时进行连续清筛作业，挖掘效率最大值为651.3 m3/h，最小值为590.6 m3/h，平均值为622.9 m3/h。起道高度80 mm时连续清筛作业，挖掘效率最大值为903.4 m3/h，最小值为779.0 m3/h，平均值为820.9 m3/h。

连续清筛作业时，起道高度50 mm工况下，挖掘驱动马达压力最大值为32.8 MPa，最小值为19.3 MPa，平均值为26.3 MPa。起道高度80 mm工况下，挖掘驱动马达压力最大值为32.8 MPa，最小值为23.3 MPa，平均值为27.5 MPa。

挖掘链驱动马达流量在起道高度50 mm时，其最大值为470.6 L /min，最小值为417.6 L /min，平均值为442.6 L /min。起道高度80 mm时，其最大值为488.6 L /min，最小值为437.6 L /min，平均值为466.6 L /min。

挖掘链速在起道高度50 mm时，挖掘链速最大值为3.6 m/s，最小值为2.7 m /s，平均值为3.2 m /s。起道高度80 mm时，挖掘链速最大值为3.8 m /s，最小值为2.9 m /s，平均值为3.4 m /s。

挖掘链驱动马达功率在起道高度50 mm工况下，挖掘链驱动马达功率最大值为223.0 kW，最小值为142.2 kW，平均值为187.6 kW。起道高度80 mm工况下，挖掘链驱动马达功率最大值为240.2 kW，最小值为176.7 kW，平均值为204.8 kW。

4.3　驱动系统测试参数

综上所述，同一线路条件、同一挖掘宽度 4 030 mm 下，QS650清筛机按起道高度50 mm和80 mm 进行清筛作业时，驱动系统测试参数值见表2。

表2　不同起道高度下驱动系统测试参数值

5　结论

本文首先建立一套针对清筛机的走行系统、挖掘系统等工作装置和系统的测试系统，监测清筛作业时各系统的主要技术参数，形成完整的清筛机作业系统性能参数测试方法。经测试得到的QS650清筛机作业性能参数如下：

1)QS650清筛机挖掘宽度为 4 030 mm 时，挖掘作业效率为684.1 m3/h，挖掘驱动功率为172.0 kW；挖掘宽度为 4 530 mm 时，挖掘作业效率为532.1 m3/h，挖掘驱动功率为129.4 kW。挖掘宽度增大，挖掘阻力增大，作业效率降低。

2)QS650清筛机起道高度为50 mm时，挖掘作业效率为622.9 m3/h，挖掘驱动功率为187.6 kW；起道高度为50 mm时，挖掘作业效率为820.9 m3/h，挖掘驱动功率为204.8 kW。起道高度越大，挖掘阻力越小，作业效率越高。

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