地铁高空作业车整车防倾覆性能设计及计算研究

2020-11-24徐照新高海军

机械工程师 2020年11期

关键词：和力高空作业支腿

徐照新，高海军

（中车山东机车车辆有限公司研究院，济南250000）

0 引言

高空作业车是一种采用液压作为动力，可以载人和工具到达3 m以上的高空进行作业的特种车辆。为了保证工作人员高空作业的安全性，在设计高空作业车时都应该考虑其防倾覆设计，防止在正常作业时高空作业车发生倾覆[1]。

一般公路上或工地上使用的高空作业车，由于作业地点空间比较空旷，常采用外伸支腿来防止车辆发生倾覆[2]。但是在地铁隧道中，由于作业地点特殊，公路上成熟的防倾覆方案不再适用，所以需要一套特别针对地铁环境使用的防倾覆方案。

防倾覆性能对于地铁高空作业车至关重要，地铁高空作业车登高作业时主要任务是维修接触网和隧道壁，一旦发生倾覆，不仅会造成作业人员伤亡，还会损坏地铁线路，造成地铁无法正常运营。所以，设计时要求地铁高空作业车在任何作业工况下均不会发生倾覆。

1 地铁高空作业车防倾覆系统设计

如图1所示，地铁高空作业车主要由司机室、固定作业平台、发电机组、高压清洗系统、曲臂式高空作业平台等组成。曲臂式高空作业平台设有三回转机构，垂直最高高度为12 m（距轨面），水平最远工作距离为11.7 m（距轨道中心线），可以使人和工具方便绕过接触网对隧道壁全断面进行检修作业，高空作业平台作业过程中不会与接触网发生干涉，额定载荷为300 kg。

图1 地铁高空作业车

曲臂式高空作业平台的回转减速机在液压动力下带动小齿轮转动，通过齿轮啮合实现回转支撑、臂体及其以上装置的回转。变幅油缸将各级臂体举升到一定角度，多个伸缩油缸将各级臂体及平台举升到一定高度，使安装在臂体端部的作业平台上升到所需高度。连杆机构在油缸作用下，通过结构位置变化实现作业平台小范围内回转。回转与伸缩的配合作用，使人员到达指定工作区域。

地铁高空作业车主要参数如表1所示。

表1 地铁高空作业车主要参数

曲臂式高空作业平台主要参数如表2所示。

表2 曲臂式高空作业平台主要参数

由于地铁车辆的特殊性，支腿装置无法外伸，且转向架悬挂系统刚度不足，所以防倾覆系统的设计采用以下3种结构：

1）采用液压支腿将车辆支撑在钢轨上，使车辆与钢轨之间形成刚性连接。地铁高空作业车共设有2对支腿装置，分别位于车辆前、后两端的左右两侧。该支腿位于钢轨正上方，下部带有一走行滚轮。曲臂高空作业机具不工作时，不用支腿，此时支腿位于轨面上方。当高空作业机具工作时，支腿伸出，落在轨面上，传递车辆上部载荷。

如图2所示，支腿装置主要由操作手柄、锁紧总成、伸缩油缸、滚动装置、液压系统、内导套、外导套等组成。锁紧总成的目的是防止支腿在收回状态时，车辆行驶时的振动使支腿意外落下。滚动装置在支腿发生故障时可以使车辆以不超过10 km/h的速度行驶，保证线路的正常运营。

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液压系统额定压力为20 MPa，系统流量为20 L/min。为了减少系统冗余，液压支腿和高空作业平台共用一个液压站，使用手动换向阀切换液压油到支腿或高空作业平台。

控制部分由2个三位六通的手动换向阀组成，换向手柄即是操作手柄，可以控制支腿伸缩油缸的伸缩。使用2个液控单向阀实现伸缩油缸的双向闭锁，而液压油可以通过换向阀的中位直接回流到油箱，节能高效。

2）充分考虑线路条件、轴重和经济性，适度增加车体自重,以增加安全力矩。采用配重块的方式增加车重，配重块使用铁板焊接，内部装填沙子，安放在车体两侧的型钢内部，最终使整车质量增加到45 t左右。

3）为解决安全力矩不足，车辆两侧各安装一组抓轨器（如图3），保证车辆和钢轨牢牢地连接在一起。

抓轨器主要由吊杆、螺母、链条、夹轨钳、锁紧框等组成，放下时由锁紧框的重力作用使夹轨钳夹住钢轨，不会意外脱出，收回时可把锁紧框吊在安装座上，不会超出限界，影响行车安全。

图2 支腿装置

图3 抓轨器放下及收回图

整车防倾覆系统设计原理图如图4所示。

图4 整车防倾覆系统设计原理图

2 防倾覆性能计算及校核

在上述防倾覆系统设计的基础上，下面将介绍一种地铁高空作业车防倾覆性能计算方法，并利用该计算方法进行校核。车辆在发生倾覆时总是绕支腿与钢轨接触线倾覆，我们将支腿与钢轨的接触线定义为倾覆线。将倾覆线以内的质量相对于倾覆线产生的力矩作为安全力矩，倾覆线以外的质量相对于倾覆线产生的力矩作为倾覆力矩。

2.1 载荷和力的确定

首先确定组成安全力矩和倾覆力矩的载荷和力，载荷和力主要包括以下五大部分：1）高空作业机具的额定载重量；2）结构载荷（自重）；3）风载荷；4）手动操作力；5）特殊载荷和力。

2.1.1 高空作业机具的额定载重量额定载重量m由人的质量和工具的质量组成：

一般而言，额定载重量的值由高空作业平台设计厂家给出，所有这些载荷均作用在产生最不利结果的位置[3]。

2.1.2 结构载荷（自重）

结构载荷M由车辆各部分自重组成：

结构本身的质量产生的载荷方向竖直向下，作用在质心位置。

2.1.3 风载荷

由于地铁高空作业车是工作在露天环境中，所以应考虑风载荷影响。一般认为车辆是受风压100 N/m2的作用，相当于风速12.5 m/s（风力等级6级）[1]。

风力水平作用在车辆零部件、工作平台上的人员、工具和材料表面的中心，并视为动态力乘以1.1倍系数。

登高作业的工作人员一个人的全面积按0.7 m2计算，面积中心位于工作台面以上1.0 m[4]。

2.1.4 手操作力

设计仅承载一个人员时，手操作力按200 N计算，设计承载一人以上时手操作力按400 N计算，该力作用于平台面以上1.1 m高度位置。手操作力视为动态力，应乘以系数1.1，作用于产生最大倾覆力矩的方向。

2.1.5 特殊载荷和力高空作业平台在特殊的工作方法和使用条件下会产生特殊载荷和力，例如承载大型物体承受风力等。

2.2 最恶劣工况的确定

确定完载荷和力之后，应确定车辆工作的最恶劣工况，并在该工况下进行计算。由于轨道高空作业车工作在钢轨上，钢轨存在轨道超高的情况（一般外轨比内轨高150 mm），当车辆位于轨道超高位置时，所产生的倾覆力矩最大，安全力矩最小。一般选取静态和动态两种工况分别进行计算。所以最恶劣工况为位于轨道超高时的侧倾（静态）和位于轨道超高下降到极限位置时的侧倾（动态）。动态工况下，额定载重量和结构载荷均应视为动态载荷，一般处理方式为将额定载重量和结构载荷各乘以0.1系数，作用在产生最大倾覆力矩的方向上[5]。