鐵路起重機循環工況下產熱研究

旦增格桑 石瑾 呂海濤

摘 要：我國鐵路事業在全國范圍內實現高速發展，列車事故頻繁，因而實現快速、及時的救援就成為了重要的研究課題。在鐵路起重機長時間持續工況下，會導致液壓油油溫升高，進一步影響其工作時間，使其可靠性降低。本文系統分析了鐵路起重機在循環工況下，起升、回轉、帶載變幅階段產生熱量的情況。

關鍵詞：鐵路起重機；循環工況；起升；回轉；帶載變幅

中圖分類號：TH218 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）08-0091-02

1 引言

鐵路起重機，又稱為軌道起重機，其僅能在鐵路軌道上運行，按用途分救援和裝卸兩種，本文所研究的是救援用起重機，其主要是實現鐵路車輛顛覆和脫軌事故救援任務，其絕大部分最大起重在125噸以上[1]。

時下，我國鐵路事業在全國范圍內實現高速發展，列車事故頻繁，因而實現快速、及時的救援就成為了重要的研究課題。在鐵路起重機長時間持續工況下，會導致液壓油油溫升高，進一步影響其工作時間，使其可靠性降低。如何降低循環工況下的起重機產熱量，進而合理控制系統熱平衡，成為研究重點[2]。本文系統分析了鐵路起重機循環工況下的產熱量。

2 產熱分析

鐵路起重機在進行救援時，其需由機車牽拉至事故現場，然后自行移動到適當的位置，根據現場的情況和吊重來選擇伸支腿位置，利用相關系統將上車位置調至水平，之后確定吊臂的變幅角度、伸出長度以及配重[3]；將被吊物體固定至吊鉤，開動起升馬達將被吊重物提升至預定高度；在回轉馬達開啟后，將上車回轉至預定角度，同時可以在允許條件下進行帶載變幅，來調整被吊物體的水平方位；操控起升控制手柄，把重物放于設定的位置；需要注意的是，在電氣化鐵路的接觸網或者隧道內，需帶載伸縮用來調節重物的水平方位。在進行實際救援操作時，通常鐵路起重機要進行多個批次的工作循環，每個循環由起升、回轉、帶載變幅以及伸縮變幅構成。

通過對鐵路起重機的一般工作流程進行簡要介紹，可以確定：液壓系統中均載部分、伸支腿部分、各輔助液壓缸和重鐵部分是一些準備性的工作，在循環工作過程中會保持不變，因而不會產生大量的熱量。帶載伸縮和帶載變幅能夠改變重物和回轉中心的幅度值，不需要同時進行，本文只以帶載變幅為案例。

綜上可以確定，鐵路起重機的液壓系統溫升主要是由起升、回轉和帶載變幅引起的。本文正式基于這點來進行研究的。根據國家鐵路起重機試驗規定，設定一個循環工作總用時600秒，其中起升290秒，回轉50秒，變幅260秒。

2.1 帶載變幅工況

通過吊臂的帶載變幅，以實現對重物進行徑向移動[4]。通常汽車起重機極限帶載變幅是在0.7倍最大載重下進行的，絕大部分鐵路起重機可進行額定載重帶載變幅的能力，即在限定的工作幅度內，進行全載變幅，從而對重物實現水平移動。油缸伸出階段，變幅多路閥啟動，油液通過多路閥流向變幅油缸無桿腔，與此同時，通過壓力油來控制有桿平衡節流口的反向開啟，油缸實現平穩伸出。油缸縮回階段，多路閥調節至收縮側，油液正向流入無桿腔，同時啟動無桿腔平衡閥和液壓鎖，使得油缸縮回，通過平衡閥節流口將重物的勢能轉為熱能。

在變幅階段中，主要產生熱量的部分為：油缸功率損失，管路壓力損失，合流閥壓力損失，兩側平衡閥開啟損失和節流損失。

2.2 回轉工況

回轉系統通常是閉式系統，通過雙向流量泵來供油，通過轉向閥來切換回轉模式，本文為雙馬達共同回轉，通過閉式泵的控制閥來調控馬達啟動和調速。這個階段產熱為回轉緩沖、回轉制動和油液補償[5]。

在回轉緩沖階段，正常制動時，泵是不供油的，在轉動慣量及自重的影響下，對馬達造成的沖擊較大，因而在液壓回路中，馬達高壓側液壓油通過雙向回轉緩沖閥流向低壓側，從而使得兩側壓差減小，馬達慢慢關閉，實現緩沖[6]。在這個過程中，緩沖閥節流口使得上車轉動慣量慢慢降低，直到轉動停止，此過程動能轉化為了熱能[7]。

在回轉制動階段，回轉制動分為緊急回轉制動和正常回轉制動。緊急制動是在發生意外狀況時，關閉馬達制動器的控制閥，在彈簧作用下將制動器關閉，實現制動，緊急制動會產生強烈的沖擊，系統產熱增加。正常制動是將伺服閥調到中位，此時變量控制閥的兩側壓力等同，斜盤傾角變零，泵停止排油[8]。

在油液補償階段，為了實現馬達兩側的供油量，在變量泵的兩側設置雙向補油單向閥，當制動或系統中油液不足時，用補油泵來補油。

綜上所述，在回轉工況下，主要的產熱為：制動狀態下回轉緩沖閥節流損失，管路的局部損失和沿程損失，定量馬達和變量泵的容積損失和機械損失[9]。

2.3 起升工況

由于被吊重物重量大且差距大，如客車車廂一節為40噸，機車為100噸，為了達到吊鉤在重載時運行速度低和輕載時運行速度高，鐵路起重機通常采用雙馬達結構（主卷揚馬達系統和副卷揚馬達系統）、雙卷筒結構。兩控制閥分別控制兩個馬達，且其之間有合流閥，可以在空載情況下進行合流供油，以提高吊鉤升、降速度。本文研究了系統在極限工作狀況下的熱性質，深入分析了整個系統在起升時的動作過程及產生的熱量，工況條件為：同時雙馬達開動和合流閥開啟[10]。

（1）在起升階段，啟動起升控制多路閥，通過泵將液壓油經主閥運輸至平衡閥，平衡閥正向啟動，將油液輸入到起升馬達上升側，驅動馬達開始運轉，經由滑輪組和減速器，將重物吊起。該工作過程中產生的熱量包括：合流閥和平衡閥開啟壓力損失、平衡閥和多路閥的節流損失、管路中局部損失和沿程損失、起升馬達的功率損失和恒功率泵的損失[11]。（2）在降落階段，操作控制多路閥到下降側，液壓油經主閥進入馬達下降側，同時反向開啟壓力控制平衡閥，回油側平衡閥使得重物平穩下降，進油側的壓力決定了平衡閥節流口大小。在此過程中，由能量守恒定律可知，重物勢能的降低和泵產生的液壓能，一部分轉化為機械能，另一部分轉化為大量的熱量[12]。（3）在馬達制動階段，起升和降落使得馬達制動兩次，制動過程中，液壓油流回油箱，熱量損失主要為溢流損失。

3 結語

鐵路起重機的液壓系統在循環工作時，其能量大部分用來支持執行元件做功，剩余損失部分會轉變為熱量，導致油液溫升。泵將機械能轉為液壓能，缸和馬達將液壓能轉為機械能，這兩次的能量轉變均存在機械損失和容積損失；此外，在能量傳遞過程中，各執行元件均會產生壓力損失，這些損失將會導入液壓油，致使其溫度升高。運用仿真軟件對產熱部位進行優化仿真，來評價系統熱平衡特性，同時根據理論上的分析結果，對仿真參數進行調整，最終能夠實現系統熱特性的優化[13]。

參考文獻

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