铁路起重机循环工况下产热研究

摘 要：我国鐵路事业在全国范围内实现高速发展，列车事故频繁，因而实现快速、及时的救援就成为了重要的研究课题。在铁路起重机长时间持续工况下，会导致液压油油温升高，进一步影响其工作时间，使其可靠性降低。本文系统分析了铁路起重机在循环工况下，起升、回转、带载变幅阶段产生热量的情况。

关键词：铁路起重机；循环工况；起升；回转；带载变幅

中图分类号：TH218 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）08-0091-02

1 引言

铁路起重机，又称为轨道起重机，其仅能在铁路轨道上运行，按用途分救援和装卸两种，本文所研究的是救援用起重机，其主要是实现铁路车辆颠覆和脱轨事故救援任务，其绝大部分最大起重在125吨以上[1]。

时下，我国铁路事业在全国范围内实现高速发展，列车事故频繁，因而实现快速、及时的救援就成为了重要的研究课题。在铁路起重机长时间持续工况下，会导致液压油油温升高，进一步影响其工作时间，使其可靠性降低。如何降低循环工况下的起重机产热量，进而合理控制系统热平衡，成为研究重点[2]。本文系统分析了铁路起重机循环工况下的产热量。

2 产热分析

铁路起重机在进行救援时，其需由机车牵拉至事故现场，然后自行移动到适当的位置，根据现场的情况和吊重来选择伸支腿位置，利用相关系统将上车位置调至水平，之后确定吊臂的变幅角度、伸出长度以及配重[3]；将被吊物体固定至吊钩，开动起升马达将被吊重物提升至预定高度；在回转马达开启后，将上车回转至预定角度，同时可以在允许条件下进行带载变幅，来调整被吊物体的水平方位；操控起升控制手柄，把重物放于设定的位置；需要注意的是，在电气化铁路的接触网或者隧道内，需带载伸缩用来调节重物的水平方位。在进行实际救援操作时，通常铁路起重机要进行多个批次的工作循环，每个循环由起升、回转、带载变幅以及伸缩变幅构成。

通过对铁路起重机的一般工作流程进行简要介绍，可以确定：液压系统中均载部分、伸支腿部分、各辅助液压缸和重铁部分是一些准备性的工作，在循环工作过程中会保持不变，因而不会产生大量的热量。带载伸缩和带载变幅能够改变重物和回转中心的幅度值，不需要同时进行，本文只以带载变幅为案例。

综上可以确定，铁路起重机的液压系统温升主要是由起升、回转和带载变幅引起的。本文正式基于这点来进行研究的。根据国家铁路起重机试验规定，设定一个循环工作总用时600秒，其中起升290秒，回转50秒，变幅260秒。

2.1 带载变幅工况

通过吊臂的带载变幅，以实现对重物进行径向移动[4]。通常汽车起重机极限带载变幅是在0.7倍最大载重下进行的，绝大部分铁路起重机可进行额定载重带载变幅的能力，即在限定的工作幅度内，进行全载变幅，从而对重物实现水平移动。油缸伸出阶段，变幅多路阀启动，油液通过多路阀流向变幅油缸无杆腔，与此同时，通过压力油来控制有杆平衡节流口的反向开启，油缸实现平稳伸出。油缸缩回阶段，多路阀调节至收缩侧，油液正向流入无杆腔，同时启动无杆腔平衡阀和液压锁，使得油缸缩回，通过平衡阀节流口将重物的势能转为热能。

在变幅阶段中，主要产生热量的部分为：油缸功率损失，管路压力损失，合流阀压力损失，两侧平衡阀开启损失和节流损失。

2.2 回转工况

回转系统通常是闭式系统，通过双向流量泵来供油，通过转向阀来切换回转模式，本文为双马达共同回转，通过闭式泵的控制阀来调控马达启动和调速。这个阶段产热为回转缓冲、回转制动和油液补偿[5]。

在回转缓冲阶段，正常制动时，泵是不供油的，在转动惯量及自重的影响下，对马达造成的冲击较大，因而在液压回路中，马达高压侧液压油通过双向回转缓冲阀流向低压侧，从而使得两侧压差减小，马达慢慢关闭，实现缓冲[6]。在这个过程中，缓冲阀节流口使得上车转动惯量慢慢降低，直到转动停止，此过程动能转化为了热能[7]。

在回转制动阶段，回转制动分为紧急回转制动和正常回转制动。紧急制动是在发生意外状况时，关闭马达制动器的控制阀，在弹簧作用下将制动器关闭，实现制动，紧急制动会产生强烈的冲击，系统产热增加。正常制动是将伺服阀调到中位，此时变量控制阀的两侧压力等同，斜盘倾角变零，泵停止排油[8]。

在油液补偿阶段，为了实现马达两侧的供油量，在变量泵的两侧设置双向补油单向阀，当制动或系统中油液不足时，用补油泵来补油。

综上所述，在回转工况下，主要的产热为：制动状态下回转缓冲阀节流损失，管路的局部损失和沿程损失，定量马达和变量泵的容积损失和机械损失[9]。

2.3 起升工况

由于被吊重物重量大且差距大，如客车车厢一节为40吨，机车为100吨，为了达到吊钩在重载时运行速度低和轻载时运行速度高，铁路起重机通常采用双马达结构（主卷扬马达系统和副卷扬马达系统）、双卷筒结构。两控制阀分别控制两个马达，且其之间有合流阀，可以在空载情况下进行合流供油，以提高吊钩升、降速度。本文研究了系统在极限工作状况下的热性质，深入分析了整个系统在起升时的动作过程及产生的热量，工况条件为：同时双马达开动和合流阀开启[10]。

（1）在起升阶段，启动起升控制多路阀，通过泵将液压油经主阀运输至平衡阀，平衡阀正向启动，将油液输入到起升马达上升侧，驱动马达开始运转，经由滑轮组和减速器，将重物吊起。该工作过程中产生的热量包括：合流阀和平衡阀开启压力损失、平衡阀和多路阀的节流损失、管路中局部损失和沿程损失、起升马达的功率损失和恒功率泵的损失[11]。（2）在降落阶段，操作控制多路阀到下降侧，液压油经主阀进入马达下降侧，同时反向开启压力控制平衡阀，回油侧平衡阀使得重物平稳下降，进油侧的压力决定了平衡阀节流口大小。在此过程中，由能量守恒定律可知，重物势能的降低和泵产生的液压能，一部分转化为机械能，另一部分转化为大量的热量[12]。（3）在马达制动阶段，起升和降落使得马达制动两次，制动过程中，液压油流回油箱，热量损失主要为溢流损失。

3 结语

铁路起重机的液压系统在循环工作时，其能量大部分用来支持执行元件做功，剩余损失部分会转变为热量，导致油液温升。泵将机械能转为液压能，缸和马达将液压能转为机械能，这两次的能量转变均存在机械损失和容积损失；此外，在能量传递过程中，各执行元件均会产生压力损失，这些损失将会导入液压油，致使其温度升高。运用仿真软件对产热部位进行优化仿真，来评价系统热平衡特性，同时根据理论上的分析结果，对仿真参数进行调整，最终能够实现系统热特性的优化[13]。

参考文献

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[6]杨小平.基于永磁涡流制动的起重机机构制动特性研究[D].西南交通大学，2017.

[7]金涵逊，郭思纯，殷晨波.起重机械液压回转制动能量回收系统设计[J].起重运输机械，2014，（09）：35-37.

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[13]程茂林.全液压船用甲板起重机的虚拟样机建模与动态仿真研究[D].武汉理工大学，2010.

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