移动式线路动态加载车液压加载系统设计

杨 亮，柴雪松，李 伟，暴学志，金 花，潘 振，司道林

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

移动式线路加载车是连续测量轨道刚度的设备，目前世界上仅美国和中国各有一辆［1］。我国自主研制的移动式线路加载车由两节车组成，一节为动力加载车(简称加载车)、一节为仪器车，如图1所示。加载车安装液压加载系统，仪器车安装测试设备，为测试人员提供工作空间。移动式线路加载车最大连挂速度为160 km/h，移动加载试验速度为60 km/h，同时具备3 km/h的低速自走行功能。

图1 移动式线路动态加载车

移动式线路动态加载车行驶中可实现对轨道施加垂向荷载和横向荷载，模拟列车运行时对轨道产生的垂向力和横向力，根据轨道的变形和三点弦测刚度原理计算出试验区段轨道的连续刚度［2-3］;液压加载系统也可以在移动式线路动态加载车静止时对轨道施加静态荷载、高频动载和瞬间冲击载荷。施加静态荷载用于研究特定加载断面的轨道结构和刚度;施加高频动载可模拟列车运行时车轮对指定轨道断面的连续作用;施加瞬间冲击荷载可通过测量荷载在轨道中的传递规律评估轨道的减震特性。

1 液压加载系统概况

移动式线路动态加载车液压加载系统包括液压加载设备、与作动器连接的移动加载架以及安装液压设备的车体等。

1.1 液压设备的组成

图2 液压加载设备组成

液压加载设备由美国MTS公司生产，包括作动器、液压源、分油器、控制器、电脑主机、油管、信号电缆线等［4］，如图2所示。作动器是施加荷载的核心部件，作动器上的伺服阀按照控制系统的指令调节液压油的进出产生相应的荷载。液压源是液压加载系统的重要组成部分，为作动器提供所需的流量和压力。分油器将高压油分流到设定的通道中，它还具有液压油滤清以及消除压力脉动和补充流量等多种功能。控制系统包括控制器和控制软件，控制器中含有中央处理器、信号调理板、采集卡、数字输入或输出通道、伺服阀驱动器、继电器等，可实现高速闭环控制、数据采集、信号输入和输出等功能。系统采用MTS 793控制软件，它具有编写试验程序，波形显示，比例、积分、微分调节，极限探测保护等功能，还能根据特定的工况和试验步骤，嵌入C语言代码，满足各种试验需要。

与传统的液压系统不同，移动式线路加载车MTS液压系统配有柴油发动机和空气冷却风扇。由于该车长期在线路中运行，有些试验线路不是电气化线路，无法采用传统的电能作为动力源，根据前期设计系统配置了一台550 kW卡特柴油发动机来提供加载动力，它能同时带动3个液压泵工作，最大流量可达到946 L/min。液压系统工作时液压油温度会上升，但油温必须保持在一定的温度范围(35℃ ～45℃)才能正常工作，所以需配有冷却系统。常规的冷却方式为水冷，但水冷占地空间较大，日常使用中需要经常补水、清洁。考虑到移动式线路加载车经常在野外工作，补水困难，设计采用空气冷却方式。该风冷系统由4台风扇组成，它们安装在车体的侧壁上，液压油油温超过43℃风扇便会自动开启，高温油流入风扇经冷却后流入液压源。

1.2 作动器的主要性能与参数

作动器是液压加载系统最主要的部件，通过它产生荷载对轨道进行加载。本系统有4台作动器，2台垂向作动器，2台横向作动器。垂向作动器模拟列车的垂向荷载;横向作动器模拟列车所受的横向力。垂向、横向作动器的参数如表1。从表1可以看出单台垂向作动器的最大荷载为250 kN，2台垂向作动器可模拟500 kN的轴重;单台横向作动器的最大荷载为100 kN，2台横向作动器可模拟200 kN的横向力，远大于既有客运专线、重载线路的轴重和列车运行中产生的横向力。同时垂向作动器还可进行50 Hz以下的高频动态加载，可模拟最小轴距2.4 m的动车组400 km/h(超过了现有高铁的运行速度)通过时对轨道的影响。

表1 单台作动器性能参数

2 液压加载系统的设计

根据移动式线路动态加载车使用条件和安装环境设计液压加载系统。液压加载系统的设计主要包括液压加载设备在车体的布局设计，加载机构的设计以及软模式配置［5］。布局设计要满足在车体有限空间内将液压加载系统各部件合理有序放置，加载机构设计实现车体底部将作动器的力传递到钢轨上，液压加载系统的软模式设计为移动加载过程中荷载稳定提供保障。

2.1 液压加载设备在车体的布局设计

2.1.1 液压加载设备布局设计思路

液压加载设备安装在加载车上，加载车由一辆DF8B机车改造而成，该车车轮直径1 050 mm，外形尺寸(长 ×宽 ×高)为23 200 mm×3 110 mm×4 539 mm。通过前期的理论计算与仿真分析，对构架、转向架进行了优化改进，加厚了车体钢板以抵抗移动加载中动态荷载的冲击［6-7］。

作动器在车体的布置主要考虑加载是靠车体提供支撑反力，在前后转向架处减载，车体会有一定程度的上浮，将作动器安装在车体中部加载时前后转向架减载均衡，有利于保持车体的平衡。计算表明单轮荷载作用下轨道变形影响在4 m外可忽略，加载车前转向架后轮与后转向架前轮的间距为8 m，将作动器安装在加载车车体中部能消除前转向架和后转向架处的轮轨力对加载点荷载的影响。

其他配套设备在布局设计时遵循布局紧凑，合理利用车体有限空间的原则。液压源、分油器、蓄能器等有管路连接的设备靠近作动器布置，减少管路占用空间，实时性要求较高的控制主机要远离作动器，做防震处理。

2.1.2 液压加载设备布局设计方案

图3 液压加载系统主要设备在车体中布置

液压加载设备在车体的布局如图3所示。垂向作动器固定在加载车车体正中央的横梁上，横向作动器等间距布置在垂向作动器左右两侧;液压源和卡特柴油发动机安装在同一个底座上，固定在加载车车体后端空间;两个分油器固定在液压源与作动器之间的车体上，左右侧各一个，左侧的分油器控制左侧垂向作动器和左侧横向作动器，右侧分油器控制右侧垂向作动器和右侧横向作动器;车体左侧墙上安装4个冷却风扇，右侧装有4个百叶窗;控制主机安装在加载车车厢最前端。

2.2 加载机构的设计

2.2.1 加载机构的设计方案对比

加载机构设计时要满足将作动器的荷载有效地传递到钢轨上且能随着车体的移动而移动，因此要设计一个移动的加载架来满足此功能。作动器在移动加载架上的作用位置和作用方向直接影响在钢轨上施加荷载的大小和方向。垂向作动器与加载架为刚性连接，对加载架进行垂向定位和约束;横向作动器连接机构设计有3种方案，如图4。方案1，横向作动器水平放置在车体上，荷载通过杠杆机构传递到加载轮上。方案2，横向作动器水平放置在车体底部，荷载直接作用到轨道上。方案3，横向作动器斜向放置在车体上，荷载通过旋转三角架与杠杆传递到加载轮上。

图4 横向作动器连接机构设计方案对比

方案1的机构设计满足空间要求，荷载传递明确;方案2虽然荷载直接作用于钢轨上，但考虑到车底空间的局限性与行车安全性将横向作动器安装在车底难以实现;方案3的机构设计能满足空间局限，但荷载传递模式复杂，加载时横向荷载会对垂向荷载造成很大的影响。综合考虑选择方案1。

2.2.2 加载机构的设计模型

如图5所示，垂向作动器通过万向球铰与车体和移动加载架连接，允许作动器在横向有相对转角，加载架可在横向自由移动。横向作动器与横向加力垂杆在作动器运动方向为刚性连接，对加载架起到横向定位和约束的作用。垂向采用万向球铰连接允许有相对转角，垂向作动器在带动加载架下放、提升以及加载时，连接杆会绕加载架基座产生一定转角，但不会影响垂向定位。

图5 垂、横向作动器与移动加载架连接三维图

移动加载架通过4根端部为万向球铰的连杆连接到车体底部，每侧上、下各有1个。万向球铰允许移动加载架随车体运行时横向有一定的角度偏移，在通过曲线时，设定作动器为力控制模式，液压系统将在保持加载力的同时控制加载轮对在钢轨的导向下顺利通过。

2.3 作动器软模式

2.3.1 软模式问题的提出

通常作动器放置在实验室内，环境、试件、工装都相对较好，而移动式线路动态加载车上的作动器是在车体移动中工作的，经常会碰到一些恶劣的轨道区段，如三角坑、钢轨剥离、轨道不平顺、钢轨接缝等，这些不利工况对加载精度影响很大，情况严重时可能会使作动器荷载突变，液压系统失控，引起激震，对设备和人员安全都有严重影响。

2.3.2 软模式的实现方式

如图6所示，通过降低作动器刚度值(刚度10 kN/mm)，可有效控制加载力。在作动器头部加入软模式装置，可明显提高加载控制精度，实现移动恒载。

图6 软、硬模式下作动器性能对比

软模式相当于机械系统中的弹簧，它能吸收瞬间高压油的冲击减小荷载的波动。软模式的实现是通过在作动器上增加蓄能器。蓄能器是空壳椭圆型球体，是内充高压氮气的橡胶气囊，当遇到不平顺路段时高压油流入蓄能器腔体，遇到气囊的阻力便会削弱冲击，保证荷载的平稳。

3 结语

按照线路连续测量轨道刚度的要求，研制了移动式线路动态加载车，其中液压加载系统配置的软模式减小了移动加载过程中荷载的波动。

该系统已投入使用，液压系统布局合理，结构设计科学，设备运行安全可靠，荷载误差在5%以内，能够保证移动式线路动态加载车在现场试验的安全性和测试数据的准确性。

［1］KALAY S F，O'DONNELL W P.Demonstration testing of the track loading vehicle［R］.Chicago:Association of American Railroads Research and Test Department Report No.R-782，1992.

［2］BERGGREN E.Dynamic track stiffness measurement［C］//KTH Engineering Sciences TRITA AVE，Stockholm:KTH，2005:14-17.

［3］赵国堂.铁路轨道刚度的确定方法［J］.中国铁道科学，2005，26(1):1-6.

［4］郝瀛.铁道工程［M］.北京:中国铁道出版社，2008.

［5］MCVEY B，FARRITOR S，NORMAN C，et al.Track modulus measurement from a moving railcar［J］.AREMA，2005(1):354-383.

［6］中国铁道科学研究院.高速铁路线路动态加载技术及试验装备研制阶段报告［R］.北京:中国铁道科学研究院，2010.

［7］暴学志，柴雪松，李家林，等.移动式线路动态加载试验车加载机构设计［J］.铁道建筑，2011(12):113-115.