雙動力48磨頭鋼軌打磨車研制

楊建昌 王建宏 朱紅軍 向鵬霖 黃 干 周明翔

1.株洲時代電氣股份有限公司軌道工程機械事業部，株洲，4120002.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 ，武漢，430063

0 引言

現有鋼軌打磨車基本是以內燃機為動力，采用液壓/液力傳動方式[1-2]來進行作業。實際運用過程中，在封閉環境(特別是在長大隧道內)打磨作業時因通風不良，柴油發動機自身排放的廢氣循環進入通風冷卻系統經常會造成發動機停機，從而嚴重影響作業效率，甚至導致車輛無法在長大隧道內作業。且柴油機排放廢氣中的有害氣體對作業人員的人身安全也構成了威脅。

此外，盡管經過多年的快速發展，通過技術引進或是與外國公司合作等方式，多種類型的鋼軌打磨設備在我國逐步實現了國產化，但諸如軌道打磨裝置、牽引控制技術、打磨控制技術等關鍵部件及核心技術依然被國外公司壟斷，車輛維護難度大、維護周期長且成本高昂[3-7]。

雙動力48磨頭鋼軌打磨車是一款全新概念且具有完全自主知識產權的的鋼軌打磨車，旨在通過采用電傳動技術解決現有內燃鋼軌打磨車存在的一系列問題。整車配備有柴油發電機組供電和接觸網供電兩種動力源，采用交流-直流-交流的傳動方式，車輛既可在有電區作業，也可在無電區作業，在行駛或作業過程中兩種動力源之間可進行無縫轉換。

1 技術實施路線的確定

將雙動力技術應用于鋼軌打磨車在國內屬于首創性技術，在考慮技術實施路線時主要有以下3種方案。

(1)方案1：柴油發電機組+接觸網供電+液壓/液力傳動。方案1的技術原理見圖1，由柴油發電機組或接觸網提供的交流電經整流逆變后為液壓站提供電源，再由液壓站為走行馬達及打磨系統提供動力。方案1的主要優點是更加接近現有鋼軌打磨車，技術相對成熟，且液壓元件相對體積較小，便于整車布置；缺點是傳動效率相對較低，且在兩種動力源之間進行轉換時需要停機，無法在車輛運行過程中進行。

圖1 柴油發電機組+接觸網+液壓/液力傳動技術原理圖Fig.1 Schematic of diesel generator set+overhead contact system +hydraulic transmission technology

(2)方案2：動力蓄電池組+接觸網供電+交流電傳動。方案2的技術原理見圖2，由動力蓄電池組或接觸網提供的電源經整流逆變后為走行牽引電機及打磨系統提供動力。方案2的主要優點是相比于液壓/液力傳動，車內環境更加衛生、更加安全與可靠，且易于維護、傳動效率高，兩種動力源可在車輛運行過程中實現無縫轉換；缺點是打磨作業時所需的功率大，蓄電池體積龐大且成本高昂。

圖2 動力蓄電池組+接觸網+交流電傳動技術原理圖Fig.2 Schematic of power battery+overhead contact system +AC drive technology

(3)方案3：柴油發電機組+接觸網供電+交流電傳動。方案3的技術原理見圖3，由柴油發電機組或接觸網提供的電源經整流逆變后分別給牽引電機和打磨系統提供動力。方案3同時兼顧考慮了方案1和方案2的優缺點，且兩種動力源共用一套牽引傳動系統，僅在供電電源端有所不同，最大程度保證了整車的可靠性與經濟性。

圖3 柴油發電機組+接觸網供電+交流電傳動技術原理圖Fig.3 Schematic of diesel generator set+overhead contact system +AC drive technology

綜上考慮，雙動力48磨頭鋼軌打磨車確定采用柴油發電機組+接觸網供電+交流電傳動的技術(方案3)實施路線。

2 解決的關鍵技術

2.1 雙動力源無縫轉換技術

如圖3所示，兩種動力源共用一套牽引傳動系統，主電路設計時將兩路電源在直流端進行并聯，轉換時僅需對供電電源進行轉換，同時控制系統可根據負載的變化自動調整相關參數，因此轉換過程中整車性能參數保持不變，車載設備均能夠維持正常工作的狀態。

2.2 兼容高速走行及低恒速大扭矩作業的牽引控制技術

為保證系統的可靠性，牽引控制系統采用和諧電力機車運用多年的成熟技術，同時，為兼顧鋼軌打磨車高速走行時的高轉速、大功率輸出以及低速作業時的恒速、大扭矩輸出要求，在車軸齒輪箱只具有一級變速比的情況下，對牽引電機進行了全新研發。

2.3 打磨系統的研制

打磨系統是鋼軌打磨車的核心系統，主要包括打磨控制系統、打磨液壓系統、集塵系統和打磨小車。打磨控制系統采用自主研發且已經在其他大型養路機械上運用多年的網絡控制平臺，集塵系統采用唐納森成熟產品，打磨液壓系統及打磨小車均根據車輛自身特性進行自主研發。

2.4 整車系統集成

整車設計以故障導向安全為原則，在滿足功能及性能要求的前提下，充分保證設備的安全性、可靠性、可維護性、經濟性、工藝性和互換性，車輛主要部件如車體、電傳動轉向架、通風系統、電氣系統、傳動系統等均根據車輛總體要求進行自主研發。

3 車輛主要結構與性能

3.1 主要性能參數

本文車輛符合GB 146.1—1983《標準軌距鐵路機車車輛限界》規定及科技裝函[2003]62號《高速鐵路機車車輛限界暫行規定》的要求，車輛動力學性能符合GB/T 17426的要求。車輛的主要性能參數見表1。供電方式為柴油發電機組+接觸網(AC 25 kV)，車輪踏面型式為LM磨耗型。

3.2 主要結構

雙動力48磨頭鋼軌打磨車由三節車組成，包括一節動力牽引車和兩節打磨作業車。作業車位于列車兩端，兩節作業車的結構相同，可完全互換使用；牽引車位于列車中部，為整車走行提供動力。整車共設置有兩套打磨裝置共48個磨頭，分布于兩節作業車車架下方。

雙動力48磨頭鋼軌打磨車主要由車體、轉向架、打磨系統、電氣系統、柴油發電機組、空氣系統、通風系統及安全裝置等組成，其結構及主要設備布置見圖4。

3.2.1車體組成

車體采用整體承載式全鋼焊接結構，作業車車體主要由車架、車體骨架、地板、外蒙皮、門窗、頂蓋、百葉窗、檢修門、內裝飾等組成，見圖5。牽引車車體主要由底架、側墻結構、隔墻、頂蓋、車梯等組成，見圖6。

圖6 牽引車車體組成Fig.6 The car body composition of the tractor vehicle

3.2.2轉向架

轉向架采用拉桿式定位焊接構架式轉向架，一系懸掛裝置采用圓柱螺旋彈簧，二系懸掛裝置采用橡膠旁承承載。動力轉向架采用交流電傳動轉向架，主要由整體式構架、驅動裝置、牽引裝置、基礎制動裝置、輪對軸箱裝置、懸掛裝置、軸溫報警傳感器、接地裝置、管路附屬件等組成。非動力轉向架在動力轉向架基礎上取消了驅動裝置。兩種轉向架的結構分別見圖7和圖8。

1.構架 2.輪對 3.牽引電機 4.單元制動器 5.橫向止擋 6.齒輪箱 7.垂向減振器 8.垂向止擋 9.旁承 10.牽引拉桿 11.橫向減振器 12.軸箱拉桿 13.聯軸節 14.軸箱組成 15.鋼彈簧圖7 動力轉向架結構Fig.7 Structure of power bogie

1.構架 2.輪對 3.單元制動器 4.橫向止擋 5.垂向減振器 6.垂向止擋 7.旁承 8.牽引拉桿 9.橫向減振器 10.軸箱拉桿 11.軸箱組成 12.鋼彈簧圖8 非動力轉向架結構Fig.8 Structure of non-power bogie

3.2.3打磨系統

每節作業車下均設置有一套打磨裝置，每套打磨裝置均由3個8磨頭的打磨小車通過鉸接而成，每個打磨小車均對應設置有一套集塵系統。打磨小車由小車車架、打磨單元、走行輪對、集塵通道、小車提升裝置以及防脫鏈、防火防塵裝置和輔助裝置等組成，見圖9。其中集塵系統主要由吸塵罩、波紋管補償器、通風管道、除塵器、風機等組成。

1.彈性牽引桿 2.提升油缸 3.防脫落鏈 4.剛性牽引桿 5.雙軸打磨小車 6.單軸打磨小車圖9 打磨裝置結構Fig.9 Structure of grinding device

3.3 整車牽引特性

為確認該鋼軌打磨車能夠滿足在平直道自運行工況下速度達到100 km/h，以及能夠在限制坡道自運行及打磨作業工況下運行，需對整車的牽引特性進行計算。

整車牽引計算依據TB/T 1407—1998《列車牽引計算規程》的規定(以下簡稱“牽規”)進行，計算工況包括以下3種工況：平直道等速自運行、以平衡速度通過限制坡道以及在各種坡道進行打磨作業。計算結果取以上3種工況的最大值。

列車單位阻力包含單位運行基本阻力ω0、單位坡道阻力ωi、單位曲線附加阻力ωr，按牽規中的北京型(DFH3型)機車的參數進行取值，各單位阻力(N/kN)的表達式分別如下：

ω0=1.96+0.010 5v+0.000 549v2

(1)

ωi=i

(2)

ωr=600/R

(3)

式中，v為列車運行速度,km/h；i為坡度的千分值；R為列車通過的曲線半徑,m。

列車運行基本阻力Fω0按下式計算：

Fω0=ω0(2Q+P)g

(4)

式中，P為牽引車車體質量，在整備情況下取P=92 t；Q為作業車車體質量，在整備情況下取Q=92 t；g為重力加速度，本文取g=9.81 m/s2。

此外，列車還包含坡道阻力Fi和曲線附加阻力Fr，計算方法與列車運行基本阻力Fω0的計算方法基本相同，具體計算表達式見牽規。

打磨阻力[8]按以下經驗公式計算：

Fg=N(Ff+Fu)

(5)

(6)

Fu=FPμ

(7)

式中，Fg為列車打磨阻力;N為磨頭數量;Ff為單個磨頭切削力的縱向分力;Fu為單個磨頭與鋼軌間的縱向摩擦力;Nd為打磨功率;vg為打磨作業速度;vf為砂輪切削線速度;FP為磨頭與鋼軌之間作用力;μ為摩擦因數。

依據牽規取值，分別計算電力機車和內燃機車的計算黏著系數μj，表達式如下：

電力機車：

μj=0.24+12/(100+8v)

(8)

內燃機車：

μj=0.248+5.9/(75+20v)

(9)

依據黏著系數，可以計算得到黏著牽引力

Fμ=Pgμj

(10)

其中，在車內消防用水全部消耗狀態下，取P=82 t。

本文以柴油發電機組供電工況為例，采用內燃機車黏著系數計算表達式(式9)得到列車的計算黏著系數，并依據式(10)得到黏著牽引力結果，見表2。

表2 黏著牽引力結果

要求打磨電機以額定打磨功率Nd=22 kW工作，且在極限工況下，車輛打磨作業速度vg=16 km/h。磨頭與鋼軌之間作用力FP=2 000 N為恒定值，磨頭與鋼軌的摩擦因數μ取0.52，依據式(7)計算得到Fu=1 040 N。打磨電機轉速n=3 600 r/min，磨頭半徑Rg=130 mm，計算得到磨頭線速度vf=2πRgn/(60×1 000)=49 m/s。依據式(6)計算得到單個磨頭縱向分力Ff=40.8 N，進而根據式(5)計算得到打磨阻力Fg=52 kN。

依據式(1)～式(3)可計算得到列車的各單位阻力，結果見表3。

表3 列車運行阻力結果

注：v=0～5 km/h時的單位運行基本阻力ω0未依據式(1)進行計算，此時的ω0認為與單位啟動阻力相等(即ω0=5 N/kN)。因打磨作業時的牽引力遠遠大于高速自運行時的牽引力，而打磨作業時速度較低，因此計算時對隧道附加阻力未作考慮。

依據式(4)可計算得到列車運行基本阻力，并可通過牽規中的計算表達式得到列車其他阻力，在此基礎上，可以計算得到相應的阻力總和F1、輪周牽引力F2和輪周功率Nk，計算表達式分別如下：

F1=Fω0+Fi+Fr+Fg

(11)

F2=F1/λ

(12)

Nk=5F2v/18

(13)

式中，λ為牽引力使用系數，一般取λ=0.9。

以平直道自運行工況為例，由于該工況不存在坡道、曲線附加等阻力，因此Fi、Fr和Fg的取值均為0，則F1=Fω0，并依據式(12)、式(13)得到輪周牽引力及輪周功率的結果，見表4。

圖10為鋼軌打磨車在自運行工況下的牽引力與阻力曲線，牽引力與阻力曲線顯示了打磨車牽引力與所受阻力之間的關系。由圖10可以看出，當整車的牽引力曲線位于各線路自運行阻力曲線上側時，表明牽引力Ft大于阻力總和F1，整車具備在該線路上自運行的能力，在3.3%坡道的平衡速度可達29 km/h，在2.0%坡道的平衡速度為41 km/h，在平直道上的平衡速度可以達到100 km/h。

表4 輪周牽引力及輪周功率結果

注：v=0～5 km/h時的輪周功率Nk按v=5 km/h進行計算。

圖10 牽引力與阻力曲線(自運行)Fig.10 Tractive effort curve and resistance curve(self-running)

圖11 牽引力與阻力曲線(打磨作業)Fig.11 Tractive effort curve and resistancecurve(grinding working)

圖11所示為鋼軌打磨車在作業速度小于16 km/h打磨作業時，不同線路的阻力曲線與牽引力曲線的關系。鋼軌打磨車在各種坡道工況下進行打磨作業時，阻力總和F1考慮Fi(0%坡道工況下，Fi=0)、Fr和Fg等阻力。由圖11 可以看出，在0%坡道、1.0%坡道、2.0%坡道條件下，列車均可滿足2～16 km/h的作業速度，在3.3%坡道條件下也可完成低速打磨作業，滿足長大坡道作業要求。

4 針對客運專線鐵路的適應性設計

4.1 車輛限界

相比于普通干線鐵路，客運專線鐵路機車車輛限界的區別主要在于下部限界。整車限界校核、計算時綜合考慮了GB 146.1—1983《標準軌距鐵路機車車輛限界》以及科技裝函[2003]62號《高速鐵路機車車輛限界暫行規定》，整車外形尺寸可同時滿足上述兩種限界的要求。

4.2 線路條件

客運專線鐵路在曲線半徑、線路超高、軌枕類型等各方面均有別于普通干線鐵路。為了使車輛能夠適應客運專線鐵路的打磨作業，特別針對武廣和京滬客運專線的線路狀況進行了調研，同時結合《鐵路技術管理規程(高速鐵路部分)》、《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規定》、《新建時速200—250公里客運專線鐵路設計暫行規定》、《新建時速300—350公里客運專線鐵路設計暫行規定》的要求對整車結構及性能參數進行了適應性設計，使整車具備在現有各種速度等級客運專線進行打磨作業的能力[9-11]。

5 產品優勢與經濟效益分析

5.1 產品優勢

(1)節能環保，使用維護成本低。以電能作為動力源，能有效減少排放，降低噪聲污染，節約資源。同時整車完全自主化研制，能顯著減少使用維護成本。

(2)更加適用于長大隧道。在長大隧道內，因通風不良易造成發動機過熱甚至停機，從而影響作業效率，且會縮短內燃機壽命。同時內燃機產生的廢氣有毒物質難以排出隧道，嚴重影響作業人員身體健康。

(3)更加適用于高海拔地區。內燃機在高海拔地區應用時存在降功(功率降低)的現象，海拔每上升1 000 m，降功10%左右。而電氣設備適應高海拔地區能力較強，只需要對電氣部件進行適應性改進設計即可。

(4)環境更加友好。電能作為清潔能源，無污染，不會產生CO2、NOX、SOX等有毒有害物質，同時，整車電氣設備間具有良好的通風與密封性能，車內環境更加干凈、舒適。

5.2 經濟效益分析

根據目前運用考核過程中的實際情況統計，采用內燃動力打磨作業時，平均燃油消耗約為300 L/h，采用接觸網供電進行打磨作業時，平均每小時用電消耗約為650 kW·h。

(1)成本節約。每次作業按3 h、每年作業按100次進行計算，采用內燃動力時，每年燃油消耗為300×3×100=90 000(L)；采用接觸網供電時，每年用電消耗為650×3×100=19 500(kW·h)。燃油價格按6.5元/L、用電價格按1.5元/(kW·h)計算，每年可節約成本約55.6萬元。

(2)環境保護。依據碳排放量計算公式，車輛二氧化碳排放量(kg)=油耗(L)×二氧化碳排放系數，根據IPCC(政府間氣候變化專門委員會)2006年數據，柴油的排放系數為2.73 kg/L(CO2當量)，由此可計算出一列48磨頭鋼軌打磨車采用接觸網供電時，每年可減少二氧化碳排放約246 t。

6 試驗情況

6.1 車體及轉向架構架靜強度試驗

根據TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》對牽引車和作業車車體分別進行了工作狀態下的車體應力測試，見圖12。根據TB/T 2368—2005《動力轉向架構架強度試驗方法》對動力及非動力轉向架構架進行了超常載荷及運營載荷的靜強度試驗，結果表明，車體及轉向架均滿足強度設計要求。

圖12 作業車車體靜強度試驗Fig.12 The static strength test of working car body

6.2 整車動力學性能試驗

根據GB/T 17426《鐵道特種車輛和軌行機械動力學性能評定及試驗方法》對打磨車整備載荷狀態下50～132 km/h速度的動力學性能進行了試驗，結果表明運行穩定性均在限度值內，運行平穩性指標屬于優級。

6.3 作業性能試驗

根據GB/T 25336《鐵路大型養路機械檢查與試驗方法》對打磨車在柴油發電機組驅動和弓網受流驅動模式下的作業性能進行了試驗，試驗指標包括低恒速牽引、最高作業速度、作業精度、作業效率、集塵器性能等，試驗結果表明各項指標滿足標準要求。

7 結論

(1)從現場運用情況來看，雙動力48磨頭鋼軌打磨車整體性能優良，特別是在整車平穩性、舒適性等方面表現得尤為突出。

(2)相比于現有內燃動力鋼軌打磨車，雙動力48磨頭鋼軌打磨車在節能環保、使用維護成本及長大隧道作業等方面優勢明顯，可有效解決現有內燃動力鋼軌打磨車在長大隧道作業時因發動機過熱甚至停機而影響作業效率，以及產生噪聲污染、廢氣污染等一系列技術問題。

(3)雙動力48磨頭鋼軌打磨車的社會效益和經濟效益明顯。