钢轨激光强化车的研究

郑 燕

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北 武汉 430063)

0 引言

随着我国铁路的提速，重载运行和铁路行车密度的不断增大，钢轨的负担日益加重。目前我国钢轨出现了钢轨侧磨、波磨、压溃等各种损伤形式，尤其小半径曲线钢轨及道岔更为严重，已成为制约我国进一步提高轨道运输能力的瓶颈，因而发展高性能激光表面强化技术势在必行[1]。

钢轨表面激光淬火车是一种集机、电、液、测控为一体的实用新型产品，以自带发电机组为动力源，小车走行以液压系统驱动，既能满足直线段钢轨表面的淬火作业，也能适应小曲线段钢轨表面的淬火作业[2-3]。下文仅对钢轨表面激光淬火车的车辆进行设计研究。

1 车辆总体布置及主要结构

1.1 车辆构成

钢轨表面激光淬火车主要由动力集装箱和作业集装箱组成。动力集装箱包括司机室和动力间，司机室内设置有操作台，实现操作人员在车上对激光淬火作业机构的操控；动力间安装有柴油发电机组，实现对整车的电力供应。作业集装箱包括作业间和设备间Ⅰ、设备间Ⅱ，作业间设置有作业机器人，实现对线路上钢轨表面激光淬火的作业功能；设备间Ⅰ设置有激光器、机器人电柜和机器人控制柜，实现对作业机器人的控制；设备间Ⅱ设置有冷水机和空压机，实现对激光器的冷却，及作业中对压缩空气的需求。激光淬火车的平面布局如图1所示。

图1 钢轨表面淬火小车内部结构图

1.2 作业单元

作业单元主要由作业机器人、激光器、机器人电柜、水冷机、稳压柜、空压机、电控柜等组成(见图2)，为满足作业机器人符合地铁、国铁的限界等相关要求，减小车辆震动对激光头精度的影响，在机器人底座和作业单元底框上做了减震设计。

图2 钢轨表面淬火作业单元布置图

1.3 动力单元

动力单元由发电机组、操作台、液压站、电控柜等组成(见图3)，发电机组为整车提供持续动力。

图3 钢轨表面淬火动力单元布置图

1.4 走行机构

走行机构(见图4)包含牵引梁、牵引轴、走行架构、走行电机、升降油缸、走行轮对等构成，其中牵引梁与平车焊接。整个走行机构为钢轨表面激光淬火小车提供50×(1±5%)m/h的走行速度。

图4 走行机构结构图

走行机构工作原理如下：钢轨表面激光淬火车到达工作区域后，启动升降油缸将走行架构放下，使走行轮对与钢轨表面接触，当走行轮对与钢轨紧密接触后启动走行电机，电机驱动走行轮对，走行轮对带动牵引轴，牵引轴带动牵引梁平稳、匀速运动。

2 主要技术参数

激光淬火车的主要技术参数如表1所示。

表1 激光淬火车主要技术参数

3 曲线通过性分析研究

3.1 几何曲线通过能力研究

车辆的参数如下：轨距A=1 435 mm；轮对内侧距B=1 359 mm；轮缘厚度t=32 mm；直线上钢轨内侧与轮缘外侧的全间隙σ=A-(B+2t)=12 mm；曲线上轨距加宽量Δ=15 mm(R<300 m时)，Δ=5 mm(300≤R<350 m时)；轮对自由横动量a=3 mm；转向架固定轴距l=1 800 mm；车辆定距L=14 000 mm；车辆总质量G=25 t。

3.2 通过能力的计算

通过对轮对转心位置的计算以及转向架对车体的转角、转向架对外轨的冲角，进行车辆的通过能力计算

x2=x1-1 800=1 267 mm。

转向架对车体的转角和对外轨的冲角分别为：

最终得到

θ为转向架相对车体的转角，根据结构可以取3°。

经计算，Rmin=99.1 m。

根据上述计算表明：车辆可以几何通过半径为100 m的曲线。

3.3 动力曲线通过的计算

以下计算通过100 m曲线的动力学性能。

3.3.1曲线上转向架的受力

(1)未平衡离心力

(1)

式中：C为转向架上未平衡离心力；

G为整备质量(含平车)，取245 kN；

h为曲线外轨超高度，取120 mm；

2s为左右滚动圆距离，取1 499 mm；

V为通过曲线速度，按表2速度栏取值；

R为通过曲线半径，取100 m。

(2)各轮摩擦力的横向分力和纵向分力：

(2)

式中：ui为车轮摩擦力的横向分力；

Hi为车轮摩擦力的纵向分力；

xi为第i轴的转心距；

μ为轮轨间的摩擦因数，取μ=0.25；

Q为轮荷重，取30.625 kN。

3.3.2轮轨间的作用力

(1)轮缘力

∑FY=F2-F1+C+2∑ui=0

∑M0=F1l1+F2l2-Mf-2s∑Hi-2∑uili=0

(3)

式中：∑FY为作用在转向架上的合力；

∑M0为作用在转向架上的合力矩；

F1、F2分别为第一轴和第二轴的轮缘力；

l1、l2分别为第一轴和第二轴至牵引销O之间的距离；

Mf为转向架的摩擦力矩，经试验测量验证，Mf=10 kN·m；

ui、Hi分别为钢轨作用于各轮踏面摩擦力的横向分力和纵向分力，按式(2)计算；

2s为左右轮滚动圆间距离，取1 499 mm；

C为作用于一个转向架的未平衡离心力，按式(1)计算。

(2)侧压力

F′=F-|u|

(4)

式中：F′为车轮轮缘对钢轨的侧压力；

F为车轮轮缘力，按式(3)中合力公式计算。

3.3.3计算结果

结合公式(1)～(4)， 再将表2中的不同速度值代入可计算出不同车速下的轮缘力，F1、F2、 侧压力F1′及脱轨系数， 其各计算结果如表2所示。 根据标准， 脱轨系数不大于1.2才能够安全通过曲线， 而此时对应的速度， 即是通过该曲线的最大允许速度， 通过表中数值可以得出， 当车速超过45 km/h， 其脱轨系数均大于1.2的规定值， 故想要安全通过100 m曲线，所有车辆运行的最高时速不能超过45 km/h。

表2 动力通过100 m曲线的动力学性能表

4 车辆走行控制——恒低速控制

车辆作业时的走行速度为50 m/h，速度波动在±5%以内。由伺服电机驱动液压泵，伺服电机保持转速1 450 rad/min不变，通过速度控制器设定作业速度和走行方向，与速度传感器、液压比例控制阀放大器的信号形成闭环控制，控制作业速度，实现恒速运行。

液压原理图如图5所示，液压系统主要由液压油泵驱动两组定量马达，通过比例方向阀控制走行方向和速度。流量补偿器保证比例方向阀在开口不变的情况下，无论负载的变化情况如何，马达均保持恒定的转速。比例背压阀在下坡时起作用，在马达回流口增加背压，保持马达的主动驱动特性，以防止被拖行。补油阀防止马达吸空。其他阀组为系统辅助功能。

1—液压泵；2—高压过滤器；3—补偿器；4—比例换向阀；5—补油阀；6—马达；7—比例背压阀；8—电磁溢流阀；9—散热器；10—回油过滤器。图5 液压原理图

5 车辆电控

5.1 供电方式

采用柴油发电机组，供电电源为AC380 V、50 Hz 、128 kVA， 三相四线。

5.2 供电系统说明

该车采用柴油发电机组供电，总断路器安装在电柜中, 其额定容量根据装机总容量选配, 具有短路、过载、失压等保护功能。

整机工作电源(AC380 V)用来供应液压电机动力，其他由(380 V)发电机引出，向机上各机构的主回路供电。在电柜中设置了AC380 V/AC220 V的控制变压器，容量为1 500 kVA，为紧停回路、各机构控制回路、控制器、照明等提供电源。

5.3 主要技术参数

供电系统的主要技术参数如下：工作电压，380 V 、50 Hz；设备控制电压，DC24 V；环境温度，-10 ℃～+50 ℃；最大空气湿度，100%；工作环境，于室外工作。

5.4 车辆控制系统

机车控制系统采用西门子1500PLC系统，具有信号采集、数据运算、信号输出、指令发送、故障诊断、人机交互等功能。各机构的动作是在作业控制系统的统一协调下完成的。

司机室操作的设备包括控制的开关、控制杆和工控机。其中频繁使用的功能通过开关或控制杆操作，不常用的或需要反馈的功能在工控机上操作。司机室内所有工作的功能都显示在工控机上并可以通过工控机控制。西门子系统接收主机控制策略开始作业。

恒速控制技术：通过检测车速传感器进入西门子控制系统，检测实际车速，与设定车速对比，控制电比例油泵的排量大小，使车辆始终在设定车速上运行。

5.5 监控系统

该监控系统取代传统的控制面板功能，可节省PLC的I/O模组、按钮开关、数字开关、指示灯等且能随时显示重要讯息，以利于操作人员、维修人员正确掌握工作状况和避免错误，便于维修。该系统能

储存大量画面，每一画面可由文字、图形以及指定的PLC资料组成，可编辑出各种画面，用以显示设备各种状态、操作指南、参数设定、动作流程、统计资料、警报讯息、简易报表等。

6 结论

本文研发的激光强化车已经进行了在线示范应用(见图6)。

图6 激光强化车实体照片

该激光强化车能够恒速、稳定地对钢轨表面廓形进行自适应强化，强化后钢轨的硬度为原来的2倍，耐磨性可提高1倍以上[4]。

2020年11月，科技部专家通过了对该课题以及激光强化车的验收评价，专家组一致认为该技术能够有效提升钢轨的使用寿命，同意该项目通过综合绩效评价。