适用于城市轨道交通的钢轨铣磨车的研制

任晓刚

(中车洛阳机车有限公司 河南 洛阳 471002)

轨道交通行业迅猛发展，钢轨性能保持是全球轨道交通行业的重大课题, 随着钢轨服役期的增长，钢轨表面会产生多种病害损伤，给交通运营带来重大隐患，影响车辆安全性、舒适性。对钢轨进行科学维护，可以改善轮轨关系，延长钢轨使用寿命，提高运行舒适性，保障运行安全。

目前,在城市轨道交通领域，进行钢轨维护的设备为钢轨打磨车，打磨车以打磨头包络钢轨轮廓进行打磨作业，加工精度低，单次磨削量小，对钢轨的重大伤害处理效果不佳，打磨车作业时会产生大量粉尘，在封闭环境中，会对作业人员产生极大危害，打磨时产生的明火也存在安全风险，因此越来越多的地铁公司采用钢轨铣磨车进行钢轨维护作业[1]。

1 总体系统设计

钢轨铣磨车是基于电驱动的大型轨道养护车辆， 通过智能检测识别钢轨轮廓病害， 并采取“自裁决”修复作业方式， 恢复钢轨横断面轮廓形状,提高纵向平顺性, 可一次性消除钢轨病害。车辆从接触网或蓄电池两种直流电源接入， 经变换后实现整车电牵引系统的控制， 并为铣磨作业装置及车上辅助设备供电，以满足自牵引运行行驶及作业的动力需要。

钢轨铣磨车由动力车和作业车组成一列，如图1所示，配备1铣1磨单元，铣磨作业一次成型，恢复钢轨横断面轮廓形状，提高钢轨的纵向平顺性，消除轨面部分侧磨、波磨、碾压层、表面细小裂纹、剥离等缺陷。

动力车设置有牵引司机室、动力间。车顶设置受电弓、空调，空调位于司机室的上方。车内布置蓄电池组、牵引电器柜组、牵引电机通风机、车辆电器柜等。车下布置两台动力转向架以及风缸、打磨装置等。

作业车设置有牵引作业司机室、电气室、设备间。车顶设置一台空调，位于司机室的上方。电气室布置铣磨作业电气柜，设备间布置液压泵组、空压机、制动阀柜和集屑装置等。车下布置2台非动力转向架以及铣磨装置、制动电阻、风缸等。

钢轨铣磨车主要参数如下：

外形尺寸(长×宽×高) 29 344 mm×2 580

mm×3 700 mm

自行最高速度 80 km/h(接触网

供电)

30 km/h(蓄电池

供电)

连挂最高速度 100 km/h

低恒速作业速度 0.3～3 km/h

作业方式 双向行驶，单向

作业，一次成型

轴列式 动力车(B0-B0)

作业车(B-B)

轴重 ≤14 t

轨距 1 435 mm

允许通过的最小曲线半径R100 m

限界 地铁B型车限界

1—动力车；2—作业车；3—铣削装置；4—作业转向架；5—操纵台；6—制动系统；7—折棚风挡；8—电力牵引系统；9—动力蓄电池；10—打磨装置；11—动力转向架；12—受电弓。图1 钢轨铣磨车布局图

2 钢轨铣磨车主要结构

2.1 转向架

转向架为两轴焊接转向架。动力车为交流电传动转向架，作业车为非动力转向架。两种转向架基本结构相同，动力转向架加装牵引电机和齿轮箱，牵引电机采用水冷方式，非动力转向架设刚性支撑，其中一系支撑油缸4条，二系支撑油缸2条。

2.2 制动系统

动力车和作业车均采用JZ-7型空气制动机，两节车在空气制动系统组成与布置基本一致。制动机选用JZ-7型空气制动机，采用阶段制动一次缓解方式，主要包括：JZ-7型制动阀、中继阀、JZ-7型集中安装板、各种风缸和压力表。

2.3 电气系统

供电系统由主回路供电和辅助供电组成。主电路采用双电源供电系统，即DC1 500 V接触网供电或DC600 V牵引蓄电池供电。经受电弓或牵引蓄电池输入的直流电由牵引逆变器变换成频率、电压均可调的三相交流电，向异步牵引电动机供电。车辆控制系统采用网络控制系统解决方案，可以实现与机车牵引系统和铣磨作业控制系统之间的数据交换和控制, 网络控制系统采用PROFINET及MODBUS总线技术。

2.4 铣销系统

钢轨铣削作业系统是钢轨铣磨车的主要作业系统，通过对钢轨轨顶面金属进行切削，实现钢轨养护作业的预防性铣削、定期铣削和损伤修复铣削。钢轨铣削作业系统主要包括铣刀盘、铣刀盘驱动及进给装置、液压系统、检测定位装置、辅助系统和作业控制系统等。

检测定位装置包括垂向检测定位机构和横向检测定位机构。垂向检测定位机构由仿形靴、仿形靴支撑、固定块、垂向位置传感器及驱动机构等组成；横向检测定位机构由仿形指、摆臂、转动轴、复位弹簧、终端位置检测装置及横向位置传感器等组成，用于铣刀盘与钢轨相对位置的检测和定位。

作业控制系统用于铣削装置、 集屑装置、 转向架刚性支撑等相关铣削作业装置的协调控制； 与铣磨车牵引控制系统通讯， 完成整车的铣磨作业控制。 作业控制系统基于西门子SINUMERIK840Dsl数控系统， 可在司机室内通过按键操作， 完成列车和铣削装置的配合工作。 也可以在车两侧通过按钮进行调试操作。 作业单元MCU的系统框图如图2所示。

图2 作业单元MCU的系统框图

3 钢轨铣磨车结构特点

基于交流传动的纯电双动力驱动控制技术应用于大型轨道养护机械，绿色环保。

将智能控制技术应用于轨道维护行业，形成智能钢轨铣磨车。集成了机械、液压、电气、精密数控等多项技术，在统一的控制系统和控制软件下协同工作，成为一体化设备。

采用低恒速交流传动控制技术，低恒速作业速度达到0.3～3 km/h，满足铣削作业的超低恒速运行和高精度控制要求。

高精度钢轨轮廓数字化重建。通过传感器超前检测、曲线预判、数据滤波等算法，实现钢轨轮廓的高精度数字化重建。

钢轨铣削“自裁决”智能控制。通过实时精度跟踪钢轨以确定加工基准，通过伺服进给系统实现钢轨的精确加工。

4 计算试验验证

采用SIMPACK动力学分析软件建立了车辆系统非线性数学模型，对钢轨铣磨车的动力学性能进行了全面动力学分析计算，主要包括运动稳定性、运行平稳性和运行安全性等内容。计算结果表明该车不同工况下的性能指标符合相关标准的要求，运动稳定性具有足够的速度裕量，能够满足最高100 km/h速度内正常安全平稳运行的要求。

车辆的临界速度计算结果为187 km/h，能够满足连挂时最高100 km/h速度级运行的要求且有一定的裕量[2]。

各种速度下钢轨铣磨车车体横向和垂向平稳性指标均小于3.0，满足TB/T 17426—1998的优级标准规定，乘坐舒适性指标均满足中等水平规定。

运行安全性计算了不同速度和直线、道岔、不同半径曲线运行时整车各转向架、各轮对的轮轴横向作用力、轮轨垂向作用力、脱轨系数值、轮重减载率等，计算结果满足GB/T 5599—1985规定的限度值。其中R100 m半径曲线运行安全性计算结果如表1所示[3]。

表1 R100 m半径曲线运行安全性计算结果

车辆研制完成后，依据GB 17426—1998等动力学标准，分别考察了车辆运行安全性指标和运行平稳性指标，车辆的最高试验速度为80 km/h，试验结果如下：

运行安全性方面，车辆导向轮对的轮轴横向力、轮轨垂向力、轮重减载率和脱轨系数最大值均小于对应的限值。动力车的脱轨系数、轮轨垂向力和轮重减载率的最大值出现在R800 m的曲线半径上，通过速度是60 km/h，轮轴横向力出现在R150 m的曲线半径上，通过速度是15 km/h；作业车的脱轨系数、轮轴横向力、轮轨垂向力和轮重减载率的最大值均出现在R800 m的曲线半径上。

运行平稳性方面，动力车横向平稳性均值最大值为2.08，垂向平稳性指标均值最大值为2.15；作业车横向平稳性均值最大值为2.07，垂向平稳性指标均值最大值为2.11。动力车和作业车的横向和垂向平稳性指标均小于3.0，达到了GB 17426—1998规定的优级标准。

5 结论

钢轨铣磨车是基于交流传动的纯电双动力驱动的大型轨道养护机械，整车作业过程污染零排放，节能环保，更适用于城市轨道交通环境。

2020年5月至11月，钢轨铣磨车在南京地铁投入运用，作业里程12 km，作业期间整车性能稳定、可靠，故障率较低；铣磨作业功能良好、各项技术指标到达国际先进水平，解决了南京地铁线路的波磨、鱼鳞纹、剥离掉块、肥边等病害；铁屑收集率达到了95%以上；作业环境友好，污染少，噪音小，得到了南京地铁用户的认可。