GCS—80铁路道床除沙车工作小车升降液压系统原理的设计

公司最新研究开发的一种高速铁路用大型养护机械设备，主要以兰新高铁的道床结构及线路运行情况为设计依据，用于清除沉积在道床表面的沙尘，保证高铁车辆在兰新高铁线路风沙区域段的正常运行。

GCS-80铁路道床除沙车由主车和工作小车两部分组成，作业时工作小车与主车分离落至轨面上，仅通过牵引杆与主车相连，由牵引杆牵引向前进行作业。作业小车可将兰新高铁道床板上沉积的沙尘清除，并收集至主车上，再通过物料转运装置向后输送至与之联挂的物料运输车上，由物料运输车运至指定地点，因此，工作小车是影响整个除沙车作业效果的关键部件。主车上的所有执行装置及设备都采用电力驱动，只有工作小车的提升、下降等采用液压油缸驱动。

本文主要根据GCS-80铁路道床除沙车工作小车的作业要求，设计了满足工作小车各种工况下升降要求的液压系统，有效保证了整车在高铁线路上的除沙作业性能。

1 工作小车的基本结构及作业要求

1.1 工作小车的基本结构

工作小车可分为罩体和小车框架两个部分，其基本结构如图1所示。作业开始前，先小车框架与主车分离，下降直到4个轮子都落在轨面上。然后罩体也与主车分离，下降直到落在小车框架上。此时，工作小车即可通过牵引杆被主车拉着向前进行作业。作业完成后，先将罩体收到主车上并锁定，然后再将小车框架也收到主车上锁定。

罩体是小车的主要工作部件，为保证作业效果，罩体的下边缘应尽可能贴近道床表面，通过小车框架控制其最大下降高度。罩体由2个液压缸控制其升降，液压缸位于罩体中间左右两侧，图1中2所在的位置。小车框架由4个液压缸控制其升降，分别位于4个小车轮的上方。

1.工作小车框架；2.罩体提升油缸；3.罩体；4.框架提升油缸；5.小车轮；6.轨道

1.2 液压系统的作业要求

1.2.1 小车框架的提升和下降

在放小车框架时，要求小车框架的四个车轮尽可能同时落到轨面上；不管是提升还是下降，都要求速度平稳，并能够在任意位置停止。

1.2.2 罩体的提升和下降

罩体在钢轨和扣件处有紧贴的缺口，作业时，罩体的下边缘需落至轨面以下并贴近道床板，因此，为保证罩体的缺口不与钢轨碰撞，罩体升降过程中应速度平稳，并尽可能保持水平，且能够在任意位置停止。

1.2.3 提供下压力

作业过程中，工作小车只由牵引杆牵引向前作业，仅靠自身重力还不足以保证小车在曲线上的运行安全，必须给小车提供垂直下压力，以防止工作小车在曲线作业时掉道。

1.2.4 可实现快速避障

作业过程中，罩体与道床板之间只有很小的距离，因此，如不采取措施，线路上只要高出道床表面的结构或设备都将与罩体发生碰撞（主要是应答器），为避免损坏线路设备，当工作小车经过障碍物前，罩体应能快速提升至轨面以上，当越过障碍物后再自动放下。

2 液压系统的组成及工作原理

2.1 液压系统的组成

根据工作小车的作业要求，液压系统设计原理如图2所示。

根据功能及实现的动作，系统主要可分为4个组成部分：1）泵源；2）小车框架升降液压回路；3）罩体升降液压回路；4）过滤及冷却回路。各部分的组成元件及其功能如表1所示。

2.2 工作原理

GCS80铁路道床除沙车到达工作地点后，开始工作前首先需将工作小车放到轨面，具体步骤及工作原理如下：

1）先启动驱动液压泵的电动机，此时压力控制阀3处于失电状态，系统泄荷，电动机零负载启动；

2）小车框架升降开关打到下降位，线圈Y1得电使压力控制阀3处于30bar的低压状态，同时，电磁阀5的线圈Y3得电使其处于下降位，小车框架下降，直到小车框架的四个轮子都落到轨面上；小车框架下降开关回中位，根据在轨信号，线圈Y1和Y3得电状态不变，小车框架升降油缸一直会给框架一个下压力，下压力的大小由单向减压阀6设定。

3）罩体升降开关打到下降位，电磁阀9的线圈Y6得电使其处于下降位，罩体下降，直到罩体落至小车框架上；罩体升降开关回中位，根据位置信号，线圈Y6的得电状态不变，罩体升降油缸也一直会有一个下压力压在罩体上，下压力的大小即为压力控制阀3设定的低压压力。

小车落到轨面后，整车其他准备工作完成即可向前进行作业，此时压力控制阀3一直处于低压状态，小车框架及罩体升降控制电磁阀5和9都处于下降位，一直有一定的下压力作用在工作小车上。当向前作业经过有障碍物的路段时，通过在司机室按下快速提升开关，压力控制阀3的线圈Y2得电，使其切换到高压状态，系统工作压力升至160bar，同时，电磁阀9的线圈Y5以及电磁阀12的线圈Y7得电，罩体快速提升至高于轨面设定的位置；经过障碍物后，快速提升开关复位，压力控制阀3的线圈Y1得电，系统工作压力降至30bar，电磁阀9的线圈Y6得电从而回到下降位，而电磁线圈Y7失电，罩体正常下降至小车框架上。

作业完成后，工作小车需提升到主车上，并进行可靠的锁定，保证区间行走时的安全，具体操作步骤及工作原理如下：

1）罩体升降开关打到上升位，压力控制阀3的线圈Y2得电切换到高压状态，系统工作压力升至160bar，同时，电磁阀9的线圈Y5得电，罩体上升直到锁定位；罩体升降开关回中位，压力控制阀3的线圈Y1得电，系统工作压力降至30bar，同时，电磁线圈Y5失电。

2）小车框架升降开关打到上升位，压力控制阀3的线圈Y2得电切换到高压状态，系统工作压力升至160bar，同时，电磁阀5的线圈Y4得电，小车框架上升直到锁定位；小车框架下降开关回到中位，电磁线圈Y2和Y4都失电，系统泄荷。

液压系统工作过程中，液压泵输出的油液绝大部分都是经过压力控制阀3回油箱，过滤器14和散热器15装在压力控制阀的回油路上，对油液不断的过滤和冷却，从而保证油液的正常质量，并使系统的油温维持在正常的工作温度范围之内。

3 液压系统的主要特点

3.1 无负载启动

液压泵启动时，压力控制阀3失电，系统处于泄荷状态，因此，电动机起动扭矩小。

3.2 良好的速度控制特性

小车框架及罩体升降回路都采用了节流调速阀进行调速，保证其上升或下降的速度平稳性。小车框架升降回路在主进油路上有进油节流阀，可调节小车框架升降的整体速度，同时，每个油缸的入口和出口都有回油节流阀，可以在下降时平衡小车框架的重力，保证下降速度平稳，还可实现单独对任意一个油缸的速度进行调节；罩体升降回路在油缸出口和入口的主油路上都设有回油节流阀，可方便地对罩体的升降速度进行控制。

同时，罩体还能够快进行快速提升，实现快速避障功能。

3.3 同步性好

工作小车框架有4个升降油缸，分别位于小车的的4个车轮上方，由于小车的质量分布不均，升降时4个油缸的受力情况也不同，从而会造成框架升降油缸运动时不同步，双单向节流阀组7可单独调节任何一个油缸的速度，从而有效控制4个油缸的同步性。

罩体升降回路上装有齿轮同步分流马达，其同步精度可达到1.5%-2.5%，并具有良好的重复精度，可有效保证罩体在升降过程中的倾斜度，避免罩体在钢轨处的切口与钢轨发生碰撞造成线路或设备损坏，影响正常的作业功能。

因为系统具有良好的同步特性，可迅速完成对工作小车的收放任务；同时，不需要停车，在司机室操作即可反复实现罩体快速避障，有效地保证了作业效率。

3.4 可提供稳定可靠的下压力

工作小车工作过程中，小车框架和罩体升降油缸都处于下压状态，一直都有一定的下压力。由于线路的不平顺性，运行过程中会存在高低起伏变化，从而造成升降油缸无杆腔的压力波动。罩体下压力大小等于压力控制阀3的低压压力，采用先导溢流阀控制，响应快速，能够有效保证压力的稳定；设定小车框架下压力的减压阀6为三通型，从泵来的高压油通过减压阀后会减压到设定的大小，当由于小车的高低起伏变化，出口压力实然升高超过设定值时，减压阀会反向溢流，从而保证出口压力始终保持恒定状态。

恒定的下压力是保证工作小车安全运行的重要保证。

3.5 节能

通过压力控制阀3使系统工作压力可在高压和低压间切换，只有当小车框架或罩体提升时，线圈Y2得电，系统工作压力才升至160bar，其余工作状态下，系统工作压力都只有30bar，既保证满足正常的作业要求，又大大降低了液压系统的能量消耗，起到了良好的节能效果。

4 结论

本文所设计的升降液压系统，不仅满足GCS80铁路道床除沙车工作小车框架和罩体各种工况下的升降要求，还能為作业中的工作小车提供稳定的下压力，有效保证了工作小车的运行安全性。

【参考文献】

[1]左建民.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]路甬祥.液压气动技术手册[M].北京：机械工业出版社，2002 .

[责任编辑：田吉捷]

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