地鐵高空作業(yè)車整車防傾覆性能設(shè)計(jì)及計(jì)算研究

徐照新，高海軍

（中車山東機(jī)車車輛有限公司研究院，濟(jì)南250000）

0 引 言

高空作業(yè)車是一種采用液壓作為動(dòng)力，可以載人和工具到達(dá)3 m以上的高空進(jìn)行作業(yè)的特種車輛。為了保證工作人員高空作業(yè)的安全性，在設(shè)計(jì)高空作業(yè)車時(shí)都應(yīng)該考慮其防傾覆設(shè)計(jì)，防止在正常作業(yè)時(shí)高空作業(yè)車發(fā)生傾覆[1]。

一般公路上或工地上使用的高空作業(yè)車，由于作業(yè)地點(diǎn)空間比較空曠，常采用外伸支腿來(lái)防止車輛發(fā)生傾覆[2]。但是在地鐵隧道中，由于作業(yè)地點(diǎn)特殊，公路上成熟的防傾覆方案不再適用，所以需要一套特別針對(duì)地鐵環(huán)境使用的防傾覆方案。

防傾覆性能對(duì)于地鐵高空作業(yè)車至關(guān)重要，地鐵高空作業(yè)車登高作業(yè)時(shí)主要任務(wù)是維修接觸網(wǎng)和隧道壁，一旦發(fā)生傾覆，不僅會(huì)造成作業(yè)人員傷亡，還會(huì)損壞地鐵線路，造成地鐵無(wú)法正常運(yùn)營(yíng)。所以，設(shè)計(jì)時(shí)要求地鐵高空作業(yè)車在任何作業(yè)工況下均不會(huì)發(fā)生傾覆。

1 地鐵高空作業(yè)車防傾覆系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，地鐵高空作業(yè)車主要由司機(jī)室、固定作業(yè)平臺(tái)、發(fā)電機(jī)組、高壓清洗系統(tǒng)、曲臂式高空作業(yè)平臺(tái)等組成。曲臂式高空作業(yè)平臺(tái)設(shè)有三回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，垂直最高高度為12 m（距軌面），水平最遠(yuǎn)工作距離為11.7 m（距軌道中心線），可以使人和工具方便繞過(guò)接觸網(wǎng)對(duì)隧道壁全斷面進(jìn)行檢修作業(yè)，高空作業(yè)平臺(tái)作業(yè)過(guò)程中不會(huì)與接觸網(wǎng)發(fā)生干涉，額定載荷為300 kg。

圖1 地鐵高空作業(yè)車

曲臂式高空作業(yè)平臺(tái)的回轉(zhuǎn)減速機(jī)在液壓動(dòng)力下帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支撐、臂體及其以上裝置的回轉(zhuǎn)。變幅油缸將各級(jí)臂體舉升到一定角度，多個(gè)伸縮油缸將各級(jí)臂體及平臺(tái)舉升到一定高度，使安裝在臂體端部的作業(yè)平臺(tái)上升到所需高度。連桿機(jī)構(gòu)在油缸作用下，通過(guò)結(jié)構(gòu)位置變化實(shí)現(xiàn)作業(yè)平臺(tái)小范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)。回轉(zhuǎn)與伸縮的配合作用，使人員到達(dá)指定工作區(qū)域。

地鐵高空作業(yè)車主要參數(shù)如表1所示。

表1 地鐵高空作業(yè)車主要參數(shù)

曲臂式高空作業(yè)平臺(tái)主要參數(shù)如表2所示。

表2 曲臂式高空作業(yè)平臺(tái)主要參數(shù)

由于地鐵車輛的特殊性，支腿裝置無(wú)法外伸，且轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)剛度不足，所以防傾覆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用以下3種結(jié)構(gòu)：

1）采用液壓支腿將車輛支撐在鋼軌上，使車輛與鋼軌之間形成剛性連接。地鐵高空作業(yè)車共設(shè)有2對(duì)支腿裝置，分別位于車輛前、后兩端的左右兩側(cè)。該支腿位于鋼軌正上方，下部帶有一走行滾輪。曲臂高空作業(yè)機(jī)具不工作時(shí)，不用支腿，此時(shí)支腿位于軌面上方。當(dāng)高空作業(yè)機(jī)具工作時(shí)，支腿伸出，落在軌面上，傳遞車輛上部載荷。

如圖2所示，支腿裝置主要由操作手柄、鎖緊總成、伸縮油缸、滾動(dòng)裝置、液壓系統(tǒng)、內(nèi)導(dǎo)套、外導(dǎo)套等組成。鎖緊總成的目的是防止支腿在收回狀態(tài)時(shí)，車輛行駛時(shí)的振動(dòng)使支腿意外落下。滾動(dòng)裝置在支腿發(fā)生故障時(shí)可以使車輛以不超過(guò)10 km/h的速度行駛，保證線路的正常運(yùn)營(yíng)。

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液壓系統(tǒng)額定壓力為20 MPa，系統(tǒng)流量為20 L/min。為了減少系統(tǒng)冗余，液壓支腿和高空作業(yè)平臺(tái)共用一個(gè)液壓站，使用手動(dòng)換向閥切換液壓油到支腿或高空作業(yè)平臺(tái)。

控制部分由2個(gè)三位六通的手動(dòng)換向閥組成，換向手柄即是操作手柄，可以控制支腿伸縮油缸的伸縮。使用2個(gè)液控單向閥實(shí)現(xiàn)伸縮油缸的雙向閉鎖，而液壓油可以通過(guò)換向閥的中位直接回流到油箱，節(jié)能高效。

2）充分考慮線路條件、軸重和經(jīng)濟(jì)性，適度增加車體自重,以增加安全力矩。采用配重塊的方式增加車重，配重塊使用鐵板焊接，內(nèi)部裝填沙子，安放在車體兩側(cè)的型鋼內(nèi)部，最終使整車質(zhì)量增加到45 t左右。

3）為解決安全力矩不足，車輛兩側(cè)各安裝一組抓軌器（如圖3），保證車輛和鋼軌牢牢地連接在一起。

抓軌器主要由吊桿、螺母、鏈條、夾軌鉗、鎖緊框等組成，放下時(shí)由鎖緊框的重力作用使夾軌鉗夾住鋼軌，不會(huì)意外脫出，收回時(shí)可把鎖緊框吊在安裝座上，不會(huì)超出限界，影響行車安全。

圖2 支腿裝置

圖3 抓軌器放下及收回圖

整車防傾覆系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

圖4 整車防傾覆系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

2 防傾覆性能計(jì)算及校核

在上述防傾覆系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，下面將介紹一種地鐵高空作業(yè)車防傾覆性能計(jì)算方法，并利用該計(jì)算方法進(jìn)行校核。車輛在發(fā)生傾覆時(shí)總是繞支腿與鋼軌接觸線傾覆，我們將支腿與鋼軌的接觸線定義為傾覆線。將傾覆線以內(nèi)的質(zhì)量相對(duì)于傾覆線產(chǎn)生的力矩作為安全力矩，傾覆線以外的質(zhì)量相對(duì)于傾覆線產(chǎn)生的力矩作為傾覆力矩。

2.1 載荷和力的確定

首先確定組成安全力矩和傾覆力矩的載荷和力，載荷和力主要包括以下五大部分：1）高空作業(yè)機(jī)具的額定載重量；2）結(jié)構(gòu)載荷（自重）；3）風(fēng)載荷；4）手動(dòng)操作力；5）特殊載荷和力。

2.1.1 高空作業(yè)機(jī)具的額定載重量額定載重量m由人的質(zhì)量和工具的質(zhì)量組成：

一般而言，額定載重量的值由高空作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)廠家給出，所有這些載荷均作用在產(chǎn)生最不利結(jié)果的位置[3]。

2.1.2 結(jié)構(gòu)載荷（自重）

結(jié)構(gòu)載荷M由車輛各部分自重組成：

結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量產(chǎn)生的載荷方向豎直向下，作用在質(zhì)心位置。

2.1.3 風(fēng)載荷

由于地鐵高空作業(yè)車是工作在露天環(huán)境中，所以應(yīng)考慮風(fēng)載荷影響。一般認(rèn)為車輛是受風(fēng)壓100 N/m2的作用，相當(dāng)于風(fēng)速12.5 m/s（風(fēng)力等級(jí)6級(jí)）[1]。

風(fēng)力水平作用在車輛零部件、工作平臺(tái)上的人員、工具和材料表面的中心，并視為動(dòng)態(tài)力乘以1.1倍系數(shù)。

登高作業(yè)的工作人員一個(gè)人的全面積按0.7 m2計(jì)算，面積中心位于工作臺(tái)面以上1.0 m[4]。

2.1.4 手操作力

設(shè)計(jì)僅承載一個(gè)人員時(shí)，手操作力按200 N計(jì)算，設(shè)計(jì)承載一人以上時(shí)手操作力按400 N計(jì)算，該力作用于平臺(tái)面以上1.1 m高度位置。手操作力視為動(dòng)態(tài)力，應(yīng)乘以系數(shù)1.1，作用于產(chǎn)生最大傾覆力矩的方向。

2.1.5 特殊載荷和力高空作業(yè)平臺(tái)在特殊的工作方法和使用條件下會(huì)產(chǎn)生特殊載荷和力，例如承載大型物體承受風(fēng)力等。

2.2 最惡劣工況的確定

確定完載荷和力之后，應(yīng)確定車輛工作的最惡劣工況，并在該工況下進(jìn)行計(jì)算。由于軌道高空作業(yè)車工作在鋼軌上，鋼軌存在軌道超高的情況（一般外軌比內(nèi)軌高150 mm），當(dāng)車輛位于軌道超高位置時(shí)，所產(chǎn)生的傾覆力矩最大，安全力矩最小。一般選取靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種工況分別進(jìn)行計(jì)算。所以最惡劣工況為位于軌道超高時(shí)的側(cè)傾（靜態(tài)）和位于軌道超高下降到極限位置時(shí)的側(cè)傾（動(dòng)態(tài)）。動(dòng)態(tài)工況下，額定載重量和結(jié)構(gòu)載荷均應(yīng)視為動(dòng)態(tài)載荷，一般處理方式為將額定載重量和結(jié)構(gòu)載荷各乘以0.1系數(shù)，作用在產(chǎn)生最大傾覆力矩的方向上[5]。

2.3 各載荷和力的計(jì)算

下面以地鐵高空作業(yè)車為例，進(jìn)行傾覆性能計(jì)算，載荷及工況如表3所示。

表3 載荷及工況

圖5 地鐵高空作業(yè)車試驗(yàn)

工況一：位于軌道超高時(shí)的側(cè)傾穩(wěn)定性。

1）安全力矩計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

2）傾翻力矩計(jì)算結(jié)果如表5所示。

結(jié)果分析：

則抓軌器最大應(yīng)力為50088÷2÷(0.25×3.14×182)=98.5MPa＜235 MPa，安全。

工況二：位于軌道超高下降到極限位置時(shí)的側(cè)傾穩(wěn)定性。

表4 安全力矩計(jì)算結(jié)果

表5 傾翻力矩計(jì)算結(jié)果

工況二的計(jì)算與工況一類似，最終計(jì)算得到的安全力矩為150 716 N·m，傾翻力矩為242 431.1 N·m。抓軌器最大應(yīng)力為125.6 MPa＜235 MPa，所以也是安全的。

3 試驗(yàn)和結(jié)論

根據(jù)地鐵高空作業(yè)車的試驗(yàn)情況，在吊蘭滿載的情況下，進(jìn)行工況一和工況二試驗(yàn)，在高空作業(yè)機(jī)具極限伸出作業(yè)時(shí)，抓軌器繃緊，車輛穩(wěn)定停放，作業(yè)時(shí)無(wú)任何晃動(dòng)，證明該計(jì)算方法正確可靠。