动车组高级修综合落成系统设计与分析
时间：2023-04-24 08:15:03 来源：千叶帆 本文已影响人
朱健伟，史时喜，侯小祥
(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)
车辆落成、称重调整、尺寸测量是动车组高级修中的重要工序。现有检修工艺将三处工位分别设置在不同区域，车辆每次落成后要通过移车台将组装好的单节车转送至其他工位进行称重试验、尺寸测量，当结果不满足要求时就需要将该单节车移回落成工位进行调整，如此循环作业，直至合格[1-2]。由此可知，该工艺存在如下缺点：多个工位用地面积大、工位间转运周期长、作业效率低[3]。
西安动车段四、五级修的场地有限且检修任务重，现有多工位检修模式已无法满足动车段高级修实际作业需求。针对上述问题，本文设计了一种可满足在单一工位上完成车辆落成、称重调整、尺寸测量作业的一体化设备系统——动车组综合落成系统。
动车组综合落成系统的设计以满足西安动车段CRH系列动车组及CR300、CR400系列标准动车组高级修车辆落成、称重调整、尺寸测量一体化作业需求为目的，具有较高的集成度、良好的兼容性。
1.1 方案原理
对应单节车辆的两台转向架，综合落成系统由两组单坑设备和一套电控系统组成，单坑设备采用侧进通道+中间及两侧升降平台+端部伸缩平台的布置方案，如图1所示。系统伸缩平台与升降平台同时动作，可将架车状态的水平作业面快速转化为称重及尺寸测量状态的下沉作业面。在非工作及落车时，中间及两侧升降平台与地面平齐，伸缩平台盖板伸出，方便人员及车辆通行，同时借助转向架举升装置和车体举升装置，把落车作业面调整到合适的高度。在称重及尺寸测量调整工序，中间升降平台及两侧升降平台下降至相应高度，实现局部模拟轨道桥及检查坑的作业环境，供快速称重及尺寸调整作业。此方案取消了常规工艺中检查坑与轨道桥结构的设置，避免了人员跌落风险，同时两侧检修通道的设置方便了作业人员进出，有效提高了作业效率。
图1 综合落成系统布置图
1.2 单坑设备组成及功能
系统单坑设备主要由车体举升单元、转向架举升单元、主机架、两侧升降平台、中间升降平台、两侧伸缩平台、称重系统、地面防护、电气系统等组成，如图2所示。
1—称重系统；
2—车体举升单元；
3—转向架举升单元；
4—两侧伸缩平台；
5—中间升降平台；
6—两侧升降平台；
7—地面防护
1.2.1车体举升单元
每套综合落成系统有4个车体举升单元，对应车辆车体的4个架车点。车体举升单元由伸缩托头、举升柱、移动导向轨、升降驱动装置、移动驱动装置等组成，如图3所示。
1—伸缩托头；
2—升降驱动装置；
3—移动驱动装置；
4—移动导向轨；
5—举升柱
车体举升由举升单元整体移动、托头伸出、举升柱升降3个动作组成。移动导向轨可支撑车体举升单元沿轨道方向移动，同时举升柱的顶端伸缩托头伸出距离可调，从而满足兼容CRH系列及CR系列标准动车组多种车型不同架车点的架车作业需求。
1.2.2转向架举升单元
每套综合落成系统有2个转向架举升单元，对应单节车辆的2台转向架。每个转向架举升单元由举升机构、随动盖板、同步驱动机构等组成，如图4所示。举升梁升起后，由随动盖板自动补齐空洞，可以避免检修作业人员因踏空而带来的危险。每根举升梁对应转向架的同侧2个车轮，2台转向架通过可编程逻辑控制器(PLC)系统实现同步举升作业[4]。
1—举升梁；
2—同步驱动装置；
3—主机架；
4—随动盖板
1.2.3主机架
主机架是动车组综合落成系统的关键承载部件，车体举升单元的导向轨、转向架举升的驱动装置安装梁、两侧升降平台固定架、中间升降平台固定架、称重系统均固定在主机架上。
1.2.4两侧升降平台
两侧升降平台在非工作及架车状态时升至与库内地面平齐；
在称重及尺寸测量调整工序时降落，提供相对于检修库地面900 mm深的工作环境，便于作业人员车下作业。两侧升降平台由升降平台本体、顶升机构、升降平台固定座、平台固定插销等组成，如图5所示。
1—随动盖板；
2—平台本体；
3—升降平台固定座；
4—顶升机构；
5—平台固定插销
1.2.5中间升降平台
中间升降平台在非工作及架车状态时升至与库内地面平齐；
在称重及尺寸测量调整工序时降落，提供相对于检修库地面1 700 mm深的工作环境，便于人员车下作业。
1.2.6两侧伸缩平台
两侧伸缩平台主要用于遮盖通往地下通道的钢梯。在非工作及架车状态，平台伸出覆盖通道钢梯，为作业人员提供平整作业场地；
在称重及尺寸测量调整状态，伸缩平台缩回，作业人员可以使用钢梯进入地下通道。
1.2.7称重装置
每套综合落成系统有8个称重单元，对应一节车辆的8个车轮，称重数据采集及处理集成于控制系统内，称重误差不大于±0.5%。落车作业后，轮对落在采用轮缘称重方式的称重轨上，每个车轮承载的重力经过传感器进入PLC系统，并计算轮重、轴重、整车重以及轮重差、轴重差、总重差等数据，为车辆调簧提供数据依据。
1.3 人机交互研究
综合落成系统的主控制台配置彩色触摸屏，具有架车状态显示、控制模式选择、车体举升高度显示、转向架举升高度显示、平台状态显示、称重数据显示等多项人机交互功能，方便操作人员确认作业状态。
每台设备另配2台平板电脑，平板电脑与主控制台实时通讯互连，供作业人员随时查看数据，灵活便捷。车辆落成作业时，于主控制台及平板电脑处可同步查看各位置轴信息；
称重作业时，单车称重数据实时同步显示，有效提高了工作效率。
2.1 主机架结构强度评估
主机架为设备承载关键部件，采用碳素结构钢Q235焊接而成，用地脚螺栓安装固定于设备安装基础。设备工作时主要受力工况有以下3种：车体举升工况、转向架举升工况、称重试验工况。称重试验工况时车辆自重与配重等外力均同时作用于主机架上，为最大受力工况，Q235屈服极限为235 MPa，在运营工况下考虑焊缝区取安全系数1.6，则许用应力取142 MPa。本文利用有限元方法对主机架静强度进行评估，计算结果如图6所示，主机架上最大von Mises应力为38.3 MPa，小于材料许用应力，主机架静强度满足要求。
图6 主机架最大应力工况应力云图
2.2 平台结构强度评估
没有作业任务时，升降平台升起并通过气动插销锁定，伸缩平台活动盖板伸出，覆盖测量作业进出通道口，所有举升柱缩回，此时系统设备上表面与库内地面平齐。考虑库内其他作业需求，设备平台需满足3 t叉车满载通过[5]。
叉车自重约为4.3 t，满载质量即7.3 t，叉车前轮中心距为1 000 mm，轮胎宽230 mm，后轮中心距为970 mm，轮胎宽165 mm，前后轴距为1 760 mm。
两侧升降平台完全承载叉车时，强度计算结果如图7所示，最大von Mises应力为70.1 MPa。
图7 两侧升降平台承载叉车工况应力云图
中间升降平台宽度为980 mm，而3 t叉车前轴两轮胎外侧间距为1 230 mm，中间升降平台不会完全承载整辆叉车的载荷，按叉车一侧位于平台中心位置(平台受力最危险位置)考虑，计算结果如图8所示，最大von Mises应力为108.6 MPa。
图8 中间升降平台承载叉车工况应力云图
综上所述，两侧平台及中间平台叉车通过工况下最大von Mises应力均未超出Q235钢许用应力，静强度满足要求。
3.1 车辆落成
车辆单节车体利用工艺转向架承载和驱动进入工位，车体举升单元沿导向轨移动后从地面升起，伸出支撑托头，在指定架车点承载车体。作业人员拆解工艺转向架和车体之间的联接，将工艺转向架移出工位；
车辆转向架进入工位，车轮踏面到达转向架举升装置顶端，由转向架举升单元将其送达所需高度[6]，如图9所示。随后作业人员微调转向架位置，使其与车体能准确联接，所有部件单元联接完成后，支撑托头缩回到原始位置，转向架举升装置将转向架连带车体整体落下，即车辆落成。
图9 车辆落成架车状态
3.2 车辆称重
称重系统采用轮缘称重的方式[7]，称重轨布置在主机架上，落成作业后，车辆沿转向架举升梁进入称重工位，并到达称重轨位置。转向架举升梁下降使车轮轮缘与称重轨接触，随后举升梁继续下降直至与踏面分离，此时车辆重力完全落在称重轨上，通过称重传感器即可采集称重数据，如图10所示。完成车辆的轮重测量、轴重测量后通过软件系统可计算得出轮重差、轴重差，为车辆调整提供数据指导。
1—转向架举升梁；
2—称重轨；
3—称重传感器
3.3 尺寸测量
尺寸测量作业采用人工手持工具进行测量的方式。落成作业完成后，设备两侧盖板下降至距离检修库地面900 mm处，中间盖板下降至距离检修库地面1 700 mm处，伸缩平台盖板缩回。系统模拟轨道桥与检查坑的作业环境，为作业人员提供作业空间和测量基准，如图11所示。利用中间平台的升降功能，在尺寸测量尤其是测量车体与转向架零部件的间距时，可在采取安全措施的前提下升起平台，避免作业时攀爬轨道带来的跌落风险。工作人员在进行车钩高度调整测量时采用全地面作业的方式，升降平台升至与地面平齐，避免了人员在轨道桥上的跌落风险。
图11 尺寸测量作业示意图
本文设计了一种集车辆落成、称重调整、尺寸测量多种工艺于一体的动车组综合落成系统，可实现在同一工位完成3项动车组高级修工艺。集成化的动车组综合落成系统避免了工位间的流转，同时也省去因移动带来的重复定位时间，避免了因多次装夹带来的误差，简化了工艺流程，极大地提高了检修效率，并有效减小库房用地面积。系统设备结构设计合理、作业安全性强、人机交互友善，各部件满足运用要求。
目前，系统设备已投入西安动车段高级修库实际运用。本文的研究成果还可为今后动车组、机车车辆及城市轨道交通车辆等新型检修设备的设计提供参考。
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