多聯(lián)泵應(yīng)用于道岔同步轉(zhuǎn)換研究

楊樹仁 張立軍 黃天新 劉尚超

鐵路道岔的轉(zhuǎn)換是通過轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引道岔的尖軌及心軌，完成定位與反位間的位置轉(zhuǎn)換。隨著鐵路速度不斷提高，高速大號(hào)碼道岔不斷應(yīng)用，道岔轉(zhuǎn)換也需要多個(gè)牽引點(diǎn)同步牽引完成。如客運(yùn)專線60kg/m鋼軌42號(hào)道岔需要9點(diǎn)同步牽引，其中尖軌6點(diǎn)牽引，心軌3點(diǎn)牽引，多機(jī)多點(diǎn)同步轉(zhuǎn)換控制成為鐵路道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的關(guān)鍵。

1 道岔多機(jī)牽引同步轉(zhuǎn)換

道岔多機(jī)牽引的同步性能是指尖軌按不同開程的要求，在規(guī)定的同一時(shí)間內(nèi)完成所需的位移，并且使尖軌在位移的全過程中，各牽引點(diǎn)不應(yīng)互相阻礙，不應(yīng)出現(xiàn)蛇形運(yùn)動(dòng)，造成附加阻力，導(dǎo)致尖軌產(chǎn)生不應(yīng)有的變形。

由于道岔開程不等，道岔轉(zhuǎn)換必然以尖軌變形點(diǎn)為中心，呈扇形轉(zhuǎn)動(dòng)。多個(gè)牽引點(diǎn)上的力作用在一個(gè)尖軌上，要求各個(gè)牽引點(diǎn)無交替牽動(dòng)，做到勻速位移，同時(shí)到位。根據(jù)現(xiàn)場的使用實(shí)際情況，很難做到各個(gè)牽引點(diǎn)動(dòng)作完全沒有時(shí)間差。

2 電液轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔同步轉(zhuǎn)換現(xiàn)狀

國內(nèi)外常用于道岔多點(diǎn)牽引的主要為電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)及電液轉(zhuǎn)轍機(jī)。在道岔多點(diǎn)牽引轉(zhuǎn)換中，電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)之間是通過控制電路進(jìn)行連接，通過電氣控制實(shí)現(xiàn)道岔多點(diǎn)牽引轉(zhuǎn)換；而電液轉(zhuǎn)轍機(jī)之間是通過油管進(jìn)行連接，通過油路控制實(shí)現(xiàn)道岔的多點(diǎn)牽引轉(zhuǎn)換。電液轉(zhuǎn)轍機(jī)多點(diǎn)同步轉(zhuǎn)換依賴于液壓油路系統(tǒng)，由于液壓控制本身的特點(diǎn)，電液轉(zhuǎn)轍機(jī)的多點(diǎn)同步轉(zhuǎn)換一直是一個(gè)難點(diǎn)，至今未能很好的解決。

目前國內(nèi)使用的電液轉(zhuǎn)轍機(jī)多采用單個(gè)油泵控制多個(gè)油缸的方式，完成道岔的多點(diǎn)牽引轉(zhuǎn)換。油缸安裝于轉(zhuǎn)換鎖閉器中，每個(gè)油缸對(duì)應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)換鎖閉器，驅(qū)動(dòng)道岔的一個(gè)牽引點(diǎn)。

圖1所示為ZYJ7型電液轉(zhuǎn)轍機(jī)2點(diǎn)牽引的油路系統(tǒng)。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)油泵工作時(shí)，泵出的高壓油注入油缸的腔體內(nèi)，壓動(dòng)油缸完成左、右兩側(cè)終端位置間的轉(zhuǎn)換，從而完成牽引道岔定位與反位間的轉(zhuǎn)換。由于油缸采用并聯(lián)方式，每個(gè)牽引點(diǎn)的油壓相同，不能單獨(dú)調(diào)整，2個(gè)油缸之間互相影響，當(dāng)某個(gè)油缸所在牽引點(diǎn)處的道岔阻力較大時(shí)，油路中的高壓油就會(huì)流向道岔阻力相對(duì)小的一個(gè)牽引點(diǎn)，先推動(dòng)阻力較小的牽引點(diǎn)動(dòng)作，當(dāng)阻力達(dá)到平衡時(shí)，2個(gè)牽引點(diǎn)才會(huì)同時(shí)動(dòng)作。因此，道岔在進(jìn)行定位與反位間轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)出現(xiàn)扭曲或蛇形運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，雖然可以增加調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)各個(gè)牽引點(diǎn)的速度，但這種調(diào)節(jié)是有限的，無法克服油路本身所存在的不足，做到理想的同步轉(zhuǎn)換。

圖1 ZYJ7型電液轉(zhuǎn)轍機(jī)的油路系統(tǒng)

3 多聯(lián)泵同步轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

為了解決目前電液轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換同步性不好的問題，設(shè)計(jì)了一種采用多聯(lián)泵進(jìn)行多點(diǎn)同步轉(zhuǎn)換的方案。將多個(gè)油泵連接在一起，只需一個(gè)電機(jī)就能同時(shí)帶動(dòng)多個(gè)油泵工作，每個(gè)油泵有獨(dú)立的進(jìn)油口、出油口及壓力調(diào)節(jié)裝置。

3.1 工作原理

圖2所示為采用三聯(lián)泵驅(qū)動(dòng)3個(gè)油缸進(jìn)行3點(diǎn)牽引的油路系統(tǒng)原理圖。一、二、三級(jí)油泵分別連接第1、第2、第3牽引點(diǎn)油缸，由一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)3個(gè)油泵同時(shí)工作，各個(gè)油泵泵出的高壓油，通過各自管路進(jìn)入到對(duì)應(yīng)的油缸腔體內(nèi)，壓動(dòng)對(duì)應(yīng)的油缸完成左、右側(cè)終端位置間的相互轉(zhuǎn)換，從而完成牽引道岔定、反位間的轉(zhuǎn)換。每個(gè)油泵單獨(dú)控制一個(gè)油缸的壓力和流量，各個(gè)油缸之間互相不影響，互不干擾，只要根據(jù)道岔各個(gè)牽引點(diǎn)處的阻力和開程，合理匹配對(duì)應(yīng)的各個(gè)油泵和油缸的參數(shù)，即可做到完全同步，從而消除在道岔多點(diǎn)牽引轉(zhuǎn)換過程中容易出現(xiàn)的扭曲或蛇形運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。多聯(lián)泵控制多個(gè)油缸完成道岔多點(diǎn)同步轉(zhuǎn)換的原理同上所述。

3.2 多聯(lián)泵與油缸配置方式

1.不同參數(shù)油泵驅(qū)動(dòng)相同參數(shù)油缸。多聯(lián)泵每級(jí)油泵的排量不同，各級(jí)油泵所對(duì)應(yīng)的油缸參數(shù)相同。根據(jù)道岔各個(gè)牽引點(diǎn)處的阻力和開程，在油缸的活塞桿直徑和缸體直徑確定的條件下，計(jì)算出對(duì)應(yīng)每個(gè)泵的排量，完成油泵與油缸的匹配。

2.相同參數(shù)油泵驅(qū)動(dòng)不同參數(shù)油缸。多聯(lián)泵每級(jí)油泵的排量相同，各級(jí)油泵所對(duì)應(yīng)的油缸參數(shù)不同。根據(jù)道岔各個(gè)牽引點(diǎn)處的阻力和開程，在油泵確定的排量下，計(jì)算出道岔每個(gè)牽引點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)油缸的截面積及體積，進(jìn)而計(jì)算出每個(gè)牽引點(diǎn)所對(duì)應(yīng)油缸的活塞桿直徑和缸體直徑的大小，完成油泵與油缸的匹配。

綜合以上2種配置方式，優(yōu)選第一種方式，油泵的排量相對(duì)好調(diào)整，由于活塞桿、缸徑以及密封圈等規(guī)格的限制，油缸的參數(shù)不好調(diào)整。

圖2 三聯(lián)泵控制三點(diǎn)牽引的油路系統(tǒng)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證方案的可行性，進(jìn)行了多臺(tái)樣機(jī)試制及大量試驗(yàn)。試驗(yàn)采用三聯(lián)徑向柱塞泵，并且選用了不同參數(shù)油泵驅(qū)動(dòng)相同參數(shù)油缸的配置方式。

圖3所示為采用三聯(lián)泵動(dòng)力單元驅(qū)動(dòng)3個(gè)帶有油缸的轉(zhuǎn)換鎖閉器，模擬道岔3點(diǎn)牽引的同步轉(zhuǎn)換試驗(yàn)過程。

圖3 模擬道岔3點(diǎn)牽引的同步轉(zhuǎn)換試驗(yàn)過程

根據(jù)現(xiàn)場使用的三點(diǎn)牽引道岔轉(zhuǎn)換所需的力值調(diào)整負(fù)載。轉(zhuǎn)換鎖閉器的油缸動(dòng)程為經(jīng)過解鎖、鎖閉及轉(zhuǎn)換動(dòng)作，走完每個(gè)牽引點(diǎn)道岔實(shí)際開程所需的位移。記錄正、反轉(zhuǎn)試驗(yàn)每個(gè)油缸到達(dá)終端位置的時(shí)間，即模擬道岔從定位到反位，以及反位到定位的動(dòng)作時(shí)間。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 采用三聯(lián)泵進(jìn)行三點(diǎn)同步試驗(yàn)測試表

由表1數(shù)據(jù)可知，電機(jī)帶動(dòng)油泵正轉(zhuǎn)完成轉(zhuǎn)換時(shí)，3個(gè)牽引點(diǎn)油缸到位的最大時(shí)間差：

△t正＝tmax－tmin＝14.8－13.9＝0.9s

電機(jī)帶動(dòng)油泵反轉(zhuǎn)完成轉(zhuǎn)換時(shí)，3個(gè)牽引點(diǎn)油缸到位的最大時(shí)間差：

△t反＝tmax－tmin＝14.5－13.7＝0.8s

由此可知，電機(jī)帶動(dòng)油泵正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)過程，3個(gè)牽引點(diǎn)油缸到位的最大時(shí)間差均小于1s。

對(duì)于道岔同步控制，道岔各牽引點(diǎn)到位時(shí)間差應(yīng)控制在0.1倍動(dòng)程差之內(nèi)。上述試驗(yàn)所模擬的3點(diǎn)牽引道岔，第1牽引點(diǎn)與第2牽引點(diǎn)動(dòng)程差為50mm，第2牽引點(diǎn)與第3牽引點(diǎn)之間的動(dòng)程差為20mm，選取最小的20mm為基本動(dòng)程差，按照0.1倍的動(dòng)程差計(jì)算得到該組道岔3個(gè)牽引點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間差，應(yīng)控制在2s（0.1×20＝2s）以內(nèi)，而采用三聯(lián)泵進(jìn)行三點(diǎn)牽引的轉(zhuǎn)換時(shí)間差最大值不到1s，滿足道岔多點(diǎn)牽引同步原則。在這種很小的時(shí)間差內(nèi)，道岔各個(gè)牽引點(diǎn)基本上是同步到位，不會(huì)出現(xiàn)道岔的扭曲及蛇形運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，不會(huì)對(duì)道岔尖軌及心軌造成附加阻力從而引發(fā)故障。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，控制好油泵及油缸的精度，減小零件尺寸偏差，減小內(nèi)部泄漏，使得油泵的排量和油缸的體積等參數(shù)的理論計(jì)算與實(shí)際數(shù)值接近一致，還能進(jìn)一步減小轉(zhuǎn)換時(shí)間差，提高同步性能。

5 結(jié)束語

采用多聯(lián)泵進(jìn)行道岔的多點(diǎn)同步牽引，只需一臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)多個(gè)油泵工作，單個(gè)油泵控制單個(gè)油缸，各個(gè)牽引點(diǎn)油路單獨(dú)工作，互不影響，可以消除電液轉(zhuǎn)轍機(jī)傳統(tǒng)同步轉(zhuǎn)換方式容易出現(xiàn)的道岔扭曲及蛇形運(yùn)動(dòng)，有效地解決電液轉(zhuǎn)轍機(jī)的道岔同步轉(zhuǎn)換問題。此外采用多聯(lián)泵進(jìn)行道岔的多點(diǎn)同步牽引，不僅結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠，而且可以節(jié)省成本，便于生產(chǎn)制造。

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