智能超大吨位双车迁车台的研发设计

褚福城

(齐齐哈尔斯潘塞重工装备有限公司,黑龙江 齐齐哈尔 161002)

该智能超大吨位双车迁车台是铁路机车制造企业在不同生产制造工序中进行铁路车辆平行转轨作业时所必用到的重要非标机械设备,主要适用于同时对两台铁路机车车辆的长距离转轨作业。近年来,轨道条数多、跨度大的综合性厂房越来越多,因此对工序车辆进行合理的多轨道、长距离转运作业是企业提高生产效率的关键,而传统的160 t迁车台每次只能运载一台车辆,转运效率较低,很难适应企业生产需求。针对该现象,我公司在传统迁车台的基础上进行创新,采用新的设计理念、设计结构、制造工艺,并经过研究攻关及计算机模拟,开发出了智能超大吨位双车迁车台,解决企业工序车辆的多轨道、长距离转运作业的难题。

1 主要技术参数

额定载重320 t,迁车台总长度42 m,单边渡板长度1.5 m,迁车台总功率75 kW,走行速度0～30 m/min无级调速,迁车台上轨距为标准轨距1435 mm,迁车台走行轨面高400 mm,迁车台上轨道顶面与车间轨道顶面平齐,适合同时迁移2台铁路机车。

2 关键技术问题

由于该迁车台载重大,车体长,设计中的主要技术问题是如何保证迁车台的整体结构强度和刚度;因迁车台较长,设备运行时操作者必然存在视野盲区,如何保证迁车台的运行安全是设计中的关键技术问题。为保证该迁车台车体的强度和刚度满足使用要求及防止大梁与托梁结合处大梁腹板撕裂,结合以往产品的实际经验,经过反复研究及计算机软件仿真分析,决定迁车台大梁采用复合箱形隔板结构,即在传统大梁隔板结构中再加一道横隔板,使大梁内部隔板结构由单一箱形变为上下复合箱形结构,采用该设计结构的大梁刚度得到提高的同时,大梁与托梁结合处受力面结构强度也得到大幅提高,从而有效地提高了迁车台车体在重载条件下的强度和刚度,保证了使用承载要求,同时由于大梁内部增加了一道横隔板,大大提高了大梁腹板间稳定性,从而也解决了大梁与托梁结合处大梁腹板撕裂的技术问题[1]。另一方面,为保证迁车台的运行安全,采用目前最先进的激光雷达避障传感器对迁车台运行时进行实时扫描监测,如遇障碍物能够及时停车,从而保证了迁车台的运行安全。

3 结构组成

如图1所示,该迁车台主要由大梁模块、托梁模块、渡板装置模块、防雨棚模块、安全装置系统、驱动运行系统、供电系统,电气控制系统等部分组成。

图1 迁车台组成Figure 1 Composition of the transfer platform

3.1 大梁模块

大梁模块是迁车台的主要承载部件,其强度和刚度直接关系到迁车台的整体的稳定性和使用性能,为保证大梁必须有足够的强度和刚度,采用复合箱形梁结构设计,设计时还需要考虑大梁运输超长问题,经过方案评审后,决定大梁设计时采用分两段设计制造,在中间位置分成两个大梁子模块,两个大梁子模块之间利用连接板采用M20螺栓连接固定,连接板与大梁板材同规格型号。制造时先将每件子模块按要求制造合格,再将两件子模块组对、调直,各项参数检测合格后,按图纸要求在接口处与连接板配钻各连接孔,用M20螺栓连接牢固,然后再次对连接后总长度39 m的大梁进行直线度、挠度等各项参数的检查及调整,调试合格后,在连接处拆成两部分进行运输,运到现场后再次组装成型[2]。大梁连接方式见图2。

图2 大梁连接方式Figure 2 Connection method of the girder

大梁模块内部结构采用复合箱形梁结构设计,即由上翼缘板、下翼缘板、腹板、隔板及托梁连接座等部分组成,制造流程为:首先对所用板材进行抛丸除锈处理、喷涂富锌底漆[3]、水切割下料、去应力处理,翼缘板组对调直,腹板组对调直,然后箱形梁组对成形,对焊缝进行去应力处理,最后对大梁进行调直整形处理。组对焊接时为减小大梁变形,不发生扭曲,需先将翼缘板与腹板在长度方向分段点焊牢固,再由两名焊工在大梁的两侧沿同方向、同时、同步、同速度焊接,从工艺上最大程度减小焊接变形[4]。组对后的大梁模块为高1000 mm×宽400 mm的复合箱形梁结构,翼缘板厚度20 mm、腹板厚度12 mm,隔板厚度10 mm,该大梁内部隔板为在传统隔板基础上增加一道横隔板,采用该设计结构使大梁的强度和刚度得到大幅提高,同截面尺寸承载力更大,重载状态下受力效果更合理,同时大梁与托梁连接座结合处受力面结构强度能够提高20%,防止大梁与托梁结合处大梁腹板撕裂的情况发生,托梁连接座用于连接托梁模块。大梁模块所用材质均为Q460C低合金高强度钢,该材质具有综合力学性能好、焊接性能良好等特点[5]。大梁组成结构图见图3。

图3 大梁组成结构图Figure 3 Structural diagram of the girder

3.2 托梁模块

托梁模块是迁车台的重要承重部件,由托梁、连接梁及火车轨道等部件组成。托梁为高300 mm×宽280 mm的箱形结构,翼缘板厚度16 mm,腹板厚度为14 mm。连接梁为高300 mm×宽280 mm的箱形结构,板材厚度均为14 mm。制造流程为:首先板材表面处理及底漆喷涂合格后,各板按图纸尺寸下料,去应力,然后分别组对托梁、连接梁各单件。托梁组焊时先将托梁刚性固定,防止焊接过程中变形,然后采用两名焊工在两侧沿同方向、同时、同步、同速度焊接,组焊后对焊缝进行去应力后,再调直处理,托梁各板材质Q460C低合金高强度钢,连接梁各板材质均为Q345E低合金结构钢,托梁间距1100 mm,考虑现场的模块化组装,并且兼顾运输条件,该托梁模块设计为3件托梁和4件连接梁为一个模块组焊成型,现场安装时直接用高强度螺栓与托梁连接座连接即可,火车轨道采用踏面尺寸与P50标准轨道截面相同,材质为65Mn的非标准轨道,该轨道为我公司直接在钢厂定制的成型产品,经热处理后顶面硬度36～50HRC,轨道与车体托梁采用内六角螺钉连接,具有强度高,耐磨损,更换方便等特点[6]。托梁组成结构见图4。

图4 托梁组成结构图Figure 4 Structural diagram of the joist

3.3 渡板装置模块

该迁车台两端各设有一个渡板装置模块,每个渡板长度1.5 m,渡板装置通过两端铰座与迁车台车体端部连接。渡板装置起到将迁车台与工序轨道间的过渡连接作用,需要迁车时操作者通过控制操作按钮将渡板落下,与台位轨道对接,工序车辆通过渡桥运行到迁车台上,渡板再抬起,迁车台进行车辆的迁移作业。渡板装置主要由渡板结构件、车辆通过轨道及驱动系统等部分组成。渡板的车辆通过轨道采用45钢制造,高170 mm,宽80 mm,踏面尺寸与P50标准轨断面尺寸相同,并进行调质处理。驱动系统采用PLC控制电动推杆完成升降动作,驱动力为15 kN,为防止操作者误操作,该系统与车辆走行系统具备互锁功能,即只有渡板装置抬起状态下迁车台才能走行。

3.4 防雨棚模块

防雨棚由拱形钢结构骨架外铺PC阳光板组成,拱形钢构骨架采用60 mm×40 mm方形钢管制作,与车体通过螺栓连接固定,骨架顶部铺设不透明阳光板,起到夏季遮阳作用。两侧阳光板采用透明PC材质阳光板,保证工作环境亮度。每侧各设置7个通风窗,每件通风窗尺寸长1 m×宽1 m,采用滑动启闭式,通风窗起到大风天气减少防雨棚风阻及天气炎热时的通风换气效果,下雨的时候关闭,起到防雨的作用。

3.5 安全装置系统

安全装置系统由安全警示蜂鸣器及激光雷达避障传感器组成。蜂鸣器用于通过声音警示周围人员注意安全。在迁车台运行方向两侧均匀布置5个AS-33C激光雷达避障传感器,用于迁车台运行时,实时检测运行方向环境状态,如果发现有人员或其它障碍进入到设定的危险范围内,会及时发出报警并将信号传递给自动停车系统,车辆会根据情况自动制动停车,防止事故的发生。该传感器的扫描角度270°,可在0～5 m范围内灵活设置避障区域,具有易装配和维护、不受可见光影响、精度高、响应快的优点。

3.6 驱动运行系统

该迁车台基础设置5条走行轨道,轨道型号为QU80起重机轨道,间距9 m,迁车台走行轨道踏面低于工序车辆走行轨道踏面,高度差400 mm,走行系统采用单侧两端4个主动轮组驱动的驱动运行系统,该侧中间1个走行轮组及另一侧5个走行轮组为从动轮组,轮组踏面直径700 mm。走行轮材质为65Mn锻造成型,踏面硬度36～50HRC,踏面硬化层深度大于10 mm。两侧角箱采用QT500-7制造,角箱内采用调心滚子轴承,轴承型号为22334,保证轮组结构具有耐冲击、运行可靠等性能。4个主动轮组分别由4台功率为18.5 kW三合一减速机驱动,减速机输出转速13.6 r/min,输出扭矩12 kN·m,制动方式采用驱动电机主轴尾部的电磁制动器进行制动,型号为BN20,该制动器的制动力矩为260 N·m,具有制动力矩大、使用可靠、响应速度快等优点[7]。

走行电机功率计算如下:

(1)计算摩擦阻力Fm

Fm=(Q+G)(2f+μd)β/D

式中,Q是运输载荷(N);G是自重(N);f是车轮沿轨道的滚动摩擦力臂(mm);μ是车轮轴承的摩擦阻力系数;d是与轴承相配合处车轮轴的直径(mm);D是车轮踏面直径(mm);β是车轮缘与轨顶侧面摩擦力系数。

计算得出迁车台额定载荷下的运行阻力Fm=48 200 N。

(2)计算坡道阻力FP

FP=(Q+G)i

式中,Q是运输载荷(N);G是自重(N);i是起重机系数,取0.001。

计算得出坡道阻力FP=4 500 N。

(3)计算风阻Ff

Ff=PS

式中,P是风压值,按风力等级6级,风压为250 N/m2;S是受力面积(m2)。

计算得出运行时风阻Ff=56 600 N。

(4)计算迁车台运行总阻力F总

F总=Fm+Fp+Ff=109 300 N

(5)计算电机稳态功率PN

式中,Fj是迁车台稳态运行阻力(N);v0是运行速度(m/s);η是传动效率,取0.9;m是电动机台数,迁车台采用4台电机驱动。

计算求得稳态运行时每台电机功率PN为15.2 kW。

(6)计算每台电机功率P

P=KdPN

式中,Kd是电动机起动时惯性影响的功率增大系数,取1.2;PN是电动机稳态功率(kW)。

最终求得每台驱动电机功率P为18.24 kW,根据电动机功率等级,最终选择每台功率为18.5 kW的电动机[8]。

3.7 供电系统

供电系统采用磁滞式电缆卷筒供电,磁滞式电缆卷筒为由三相异步电动机、磁滞联轴器、电缆卷筒等部分组成的动力调速系统,工作时通过系统释放出的恒定磁扭矩进行自动收放电缆,实时保证收放线速度与迁车台运行同步,具有恒转矩输出及电机与迁车台走行电机同步工作特点,使用寿命长、维护保养方便、卷取特性理想、长期堵转性能良好。

3.8 电气控制系统

在迁车台的操作台上设有方向手柄及按键,通过方向手柄可实现迁车台前进、后退、停机功能,按键可实现迁车台的紧急停止、点动等操作,控制系统利用1台变频器对4个主动走行轮的驱动电机进行同步控制。在变频器发出运行或停止信号时能确保4台电机同时接收运行或停止命令,使4台走行电机达到完全同步,从而保证各主动轮的同步运行。采用PLC可编程控制器实现迁车台运行的程序控制,走行电机的变频器具有设备运行状态提示功能,该控制系统具有适应频繁启动、同步控制精度高、制动响应快、安全可靠等优点[9]。同步控制原理见图5。

图5 同步控制原理图Figure 5 Schematic diagram of synchronous control principle

迁车台控制采用自动控制和人工控制两种方式,自动控制使用前由操作人员在触控屏上点击要运行到的轨道编号,并点击运行,给自动控制系统使能信号,自动控制系统以设定的速度按使能信号自动运行,到达预设轨道位置前一定距离先进行一级降速,然后根据信号及程序进行二级降速,最后平稳停在预设轨道位置。人工控制时由操作人员推动方向手柄控制迁车台运动及停车,通过推动方向手柄的角度实现运行速度无级调速功能。控制系统的核心部件PLC,操作台上设有触控屏,能够实时显示迁车台运行状态及对位状态,并能够查询设备开关机时间、工作时长及能耗等。迁车台两端及操控台上均设置紧急制动按钮,操作室内监控摄像头具备语音采集功能,记录迁车台运行时语音对话及影像内容。监控存储系统需保留不少于15天的影像及语音记录,并能自动覆盖。电器部分设有可靠的安全保护连锁装置和短路、断路及漏电保护,具备停电或意外停机等自我保护功能。

4 仿真分析

该迁车台设计时采用计算机软件进行仿真分析,保证该迁车台整体结构设计合理,性能安全可靠。主体车架仿真应力及位移分析结果见图6、图7。

图6 仿真应力分析结果Figure 6 Results of simulated stress analysis

图7 仿真位移分析结果Figure 7 Results of simulated displacement analysis

分析结果:迁车台在承载320 t机车情况下,迁车台的危险截面位置屈服应力为202 MPa,小于合金钢Q460C的屈服强度,安全系数达到2倍以上,最大变形量为6.7 mm,强度及变形量达到设计及使用要求,结构合理,方案可行[10]。

5 结束语

该智能超大吨位双车迁车台具有转运效率高、载重大、双台车辆长距离转轨、智能化程度高等特点,相对于传统迁车台节省一半的转运时间,提高了车辆的转运效率的同时还提高了安全性能、节省了人工成本,该迁车台的研制成功弥补了国内大吨位、超长迁车台的空白,目前该迁车台已在某铁路机车企业生产工序中得到应用,达到了用户预期使用需求,运行效果良好,今后可能会在有相关多工序轨道的长距离车辆迁移需求的企业中得到应用和推广。