自裝卸式馱背運輸車的液壓系統設計

侯廣慧，于 躍，阮洪生

（1.中車齊齊哈爾車輛有限公司大連研發中心，遼寧大連 116052；2.中車齊齊哈爾車輛有限公司物資采購部，黑龍江齊齊哈爾 161002）

0 引言

自裝卸式鐵路馱背運輸車是筆者公司承擔的國家鐵路集團有限公司科技和信息化部科技研究開發計劃課題《鐵路馱背運輸車及關鍵技術研究》（編號：Z2015-J005）的研究成果，采用柔性連接技術，車體可以橫向偏轉、升降，在平直站臺上，半掛卡車可自行駛入駛出車體，是一種新型鐵路貨車，如圖1所示。利用該車型成列編組運輸，同時兼顧鐵路運輸和汽車運輸的優點，是一種新興的公鐵聯運模式。

圖1 馱背車運輸甩掛的半掛車車廂

1 馱背車的傳動機構及動作解析

1.1 端部底架支撐機構

馱背車載貨部分稱為凹底架，與走行部上方的端部底架為活動連接。凹底架載重升降時，需將走行部分的彈簧減震裝置閉鎖，保證端部底架為剛性支撐，設置兩個油缸支撐到鋼軌上，稱為端部底架支撐油缸。

圖2 端部支撐油缸位置

該機構兩個油缸屬于機械同步，每次伸出動作時載荷分段變化。如圖2 所示，伸出L1階段（①～②），缸體（與端底架連接）不動，掛在活塞桿頭的鋼梁支架降落接觸軌道；伸出L1+L2階段（②～③），活塞桿不動，缸體驅動端底架及整個車體相對軌道升起，使原先被壓縮的走行部懸掛彈簧還原，端底架與凹底架連接處開裂脫鉤。

第一段行程，有桿腔承載支撐梁質量載荷，為負載荷。第二段行程，無桿腔承載，載荷隨彈簧緩解量的增大而逐漸增大，最大為凹底架和載重貨物的1/2 （重載時為50 t）。縮回時，也同樣分2 個階段變化，為伸出時載荷的反向變化。

1.2 移動滑臺機構

凹底架偏轉出軌道，端部底架外需有一個支撐梁支撐；凹底架一端降落到站臺面時，該支撐梁需要移去，否則該橫梁為汽車進出凹底架的障礙。如圖1中1-1和1-2兩個狀態。該機構與工程機械的擺動支腿相似。馱背車上該支撐梁稱為移動滑臺，水平方向設置一個伸縮油缸，豎直方向設置一個支撐油缸。馱背車可在軌道的兩側分別完成裝卸作業，故全車左右對稱設置兩個移動滑臺機構。

移動滑臺擺動展開，伸縮油缸載荷為摩擦負載或慣性載荷；支撐油缸伸出時為油缸無負載，保持滑臺水平時承受靜壓支撐載荷，大約為車體自重及載重的1/4（大約25 t）。

1.3 凹底架升降機構

凹底架一端相對端部底架和站臺升降，完成與端底架的解鎖脫鉤并降落到站臺，圖1 中1-2 所示。所有兩側分別設置升降油缸。兩個油缸同步伸縮動作，無桿腔承載。最大載荷為凹底架自重及載重總質量的1/2（約45 t）安裝在凹底架兩側。根據機構需要，該油缸整備安裝位置不是行程的最大或最小位置，而是中間位置。如圖3 所示。工作過程：位置②為安裝位，從位置②到位置③，凹底架與端底架脫鉤，具備旋轉擺出條件；凹底架旋轉完全轉出端底架后，從位置③回縮到位置①，凹底架降落到站臺平面，具備汽車駛進或駛出條件；反之為車輛復位動作，從位置①升到位置③，凹底架在移動滑臺上升到規定高度，待凹底架旋轉回與端部底架順軌道方向對齊后，從位置③降落到位置②，凹底架落入端部底架的卡槽中，完成機械互鎖。

圖3 凹底架升降油缸的3 個位置

1.4 凹底架旋轉

由一個低速大扭矩馬達驅動一個鏈輪旋轉，鏈輪帶動一個撥叉帶動凹底架在端部底架和移動滑臺上左右擺動。旋轉時負載為凹底架旋轉端頭與滑臺的摩擦阻力，約15 kN。

2 液壓系統設計

2.1 系統設計目的

設計一套經濟性好、安全可靠性高、簡單易維護的液壓系統，實現馱背車裝卸作業的要求。

2.2 系統設計難點

該系統的設計難點包括以下幾點。

（1）機構及載荷變化復雜，整車只有凹底架旋轉和凹底架升降兩個動作裝卸裝載動作，其余均為輔助次要動作。存在負載大時流量要求大，負載小時流量要求小的情況，系統各機構液壓功率差別巨大。

（2）鐵路貨車應用環境惡劣，小故障可能引發大的行車事故。設計中不推薦使用帶傳感器、行程開關等信號反饋的閉環回路。

（3）數量龐大的全國鐵路通用貨車行業相關從業者，幾乎沒有液壓專業技能人才。將來的系統操縱者可能是每一個卡車司機，普遍培訓的可能性小。故要求盡可能使用傻瓜式操作，否則沒有應用市場。

2.3 設計計算

系統各機構計算相對簡單，應用液壓手冊中基本的關于功率P、流量Q、壓差ΔP、馬達扭矩M、排量V、油缸推力F、油缸活塞面積S1及活塞桿面積S2等相互關系公式很容易求出。設計參數和相關計算結果如下。

（1）電動機：AC380 V，11 kW，1460 r/min；

（2）額定工作壓力：20 MPa；

（3）液壓泵排量：28 mL/r；

（4）液壓油箱容積：150 L；

（5）滑臺伸縮油缸缸徑/桿徑：80 mm/50 mm；

（6）其余3種油缸缸徑/桿徑：140 mm/100 mm；

（7）液壓馬達排量：1248 mL/r。

2.4 原理設計及難點處理

（1）采用單泵系統，按照凹底架重載上升時系統最大功率為電動機功率；恒功率自動變量方式，壓力低時輸出大流量，提升凹底架空載升起、端部底架支撐油缸伸出和縮回、滑臺支撐油缸伸出和縮回的速度。

（2）滑臺伸縮油路，負載最小，需要流量也最小。通過在油缸兩腔回油路設置背壓平衡閥，同時進油路上設減壓閥，強制使泵口壓力升到變量曲線末端，輸出小流量。減壓閥和背壓平衡閥的壓力值現場調整后鎖定。用戶不必進行調壓。

（3）根據泵最大流量和馬達最大速度，通過增大馬達排量的方式獲得合適的工作速度。馬達工作壓力大大低于系統壓力。內曲線徑向柱塞馬達同一系列殼體大小相同，沒有額外占用安裝空間的同時，預留了較多的扭矩提升空間，滿足結構變形或日久機構生銹等阻力異常增大的需求，可謂是一舉兩得。

（4）凹底架升降使用兩個電比例閥疊加壓力補償器的方式，輸出相等流量使兩個油缸同步伸縮。同時，兩個油缸又可分別動作，當發現同步誤差較大時，可手動補償位移。

（5）端部底架支撐油缸上無桿腔設液控單向閥，有桿腔設平衡閥。

（6）移動滑臺伸縮油缸有桿腔和無桿腔均設有平衡閥，兩側調壓不同，現場調整后鎖定。

（7）移動滑臺支撐油缸設雙向液壓鎖。

（8）凹底架升降油缸設雙平衡閥。

（9）液壓馬達上帶駐車制動器，通過系統減壓開啟制動器。液壓工作原理圖如圖4所示。

圖4 液壓原理圖

2.5 方案實施

（1）液壓泵、比例閥閥等關鍵元件采用進口品牌產品。

（2）液壓鎖、平衡閥采用知名品牌插裝閥。

（3）管路接頭采用進口品牌卡套式接頭。

（4）鋼管采用符合GB/3639-2009 標準的高精度無縫鋼管。

（5）膠管采用不剝膠扣押式高壓膠管。液壓油箱使用不銹鋼制造。

（6）過濾器、液位計等液壓輔件采用國產知名品牌。

表1 馱背運輸車工作循環周期表

2.6 試制試驗

公司于2015年完成樣車試制，并已經經過小批量運用考 驗。液壓動作由只能順時針按步驟旋轉的開關旋鈕控制，不能逆時針轉動，不可以跳步，基本實現傻瓜式操縱。

現場動作表明，每一步動作速度平穩、順暢，經測試各機構工作速度與國外同類車型基本相近。不含卡車上下時間，平均一個裝載作業周期不超過4 min，表1所示為馱背車裝載作業周期的16個分步。

3 結束語

該液壓系統設計簡單合理、實用性強、成本控制合理、故障發生率低，符合當前國內鐵路市場的使用需求，符合預定設計目標。