汽车维修与保养
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车时代
AUTO TIME
适用于工务维修的多功能公铁两用车研制
陈
荣1
魏刚2
陈新华1
王琰1
雷张文1
（1.宝鸡中车时代工程机械有限公司株洲分公司，湖南株洲412007；2.中国铁路太原局集团有限公司工务处，
山西太原030013）
摘
要：实现铁路线路维护机具灵活机动、快速切入切出、减少用工数量、降低维护成本，一直是铁路线路维护工
作努力的方向。本文介绍了一种以专用挖机主机为平台，适用于铁路线路工务多功能维修公铁两用车的技术方案及关键技术。
关键词：工务维修；多功能；公铁两用车
随着中国铁路向着高速和重载的方向发展，维护周期也越来越短，同时维护的里程也不断增长，各铁路工务部门每年都要进行大量的线路保养维护工作，目前工务维护作业主要包括枕木更换、道岔换砟、线路捣固、翻浆冒泥整治、修理侵限树枝等，这些作业多采用传统人工作业模式，存在着劳动强度大，效率低、安全隐患高等问题，而且随着劳动力老龄化，作业人员不足的矛盾更加突出。研究一种新型的铁路工务多功能小型机械化设备，实现工务维修作业机械化、方便化迫在眉睫。
适用于工务维修的多功能公铁两用车以铁路专用挖机为平台，配置公铁两用走行系统、专业作业属具，可适应铁路线路维修环境并具有多种作业功能。这种车辆关键技术包括：专用挖机选型及定制设计、功能模块的划分和模块关键技术、安全性保障和运用。1
总体方案及主要技术参数
公铁两用车基于挖掘机平台，在底架配置钢轨走行装置，通过钢轨走行装置的收放来实现公铁两种模式的切换。目前公铁两用挖机主机根据在铁路上运行的方式主要分为导轮式和分动式两种。导轮式由橡胶轮驱动，钢轨轮只起导向作用，该方式结构简单、操作简便，但是橡胶轮和导向轮的载荷分配复杂，轮胎易磨损，运行性能较差，高速运行或者通过道岔时易发生脱轨。而采用分动式结构，在铁路上走行时，钢轨走行装置下放并将整车顶起，由液压马达驱动钢轨轮进行走行，分动式车辆具有运行速度高、运行平稳的优势。车辆作业臂前端装有快换，方便快速连接各种作业属具，以适应不同的作业需求；作
业臂前段预留有不同的液压管路，通过快速接头实现油路的连接。以下内容将以标准型公铁两用车为对象，介绍公铁两用车辆关键技术。
公铁两用车动力学计算依照GB/T 17426《铁道特种车辆和轨行机械动力学性能评定及实验方法》，采用多体动力学分析软件SIMPACK进行分析。由于最大运行速度为20km/h ，因此主要考虑公铁两用车曲线通过性能，计算曲线半径为300m ，缓和曲线15m ，超高60mm ，轨道激励为美国铁路5级谱，车辆运行速度为20km/h 。
通过仿真计算，公铁两用车轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率等各项动力学指标均符合GB/T 17426标准的要求。图1为公铁两用车前轮脱轨系数曲线。
2
模块化技术
公铁两用车由挖机主机模块、钢轨走行装置（模块）、作业属具模块3个模块组成。主机模块根据功率分为小型机、标准型机、加大型机三种规格；钢轨走行装置模块分为标准型和加大型；作业属据模块根据功能分为换枕器、挖斗、捣固器等模块。同一模块采用标准化接口，根据主要参数不同，设计系列化规格的模块产品，不同规格的模块相互组合，可快速组合成不同功能、规格的整机。2.1
挖机主机模块
挖机主机模块包括、车体、走行系统、液压系统、作业系统、电气控制系统等组成。主机根据铁路线路维护环境定制，核心定制部件为车辆底架，标准型机采用8t挖掘机平台，在底架上焊接钢轨走行装置安装座，用于安装钢轨走行装置。利用挖掘机液压系统预留的MPF中压功能回路新增控制阀来实现新增作业机构的功能。
公铁两用车底架是主机最关键的受力部件，需有足够的强度，通过对其进行有限元分析，计算其Von Mise应力，该应力不得超过材料许用应力。底架材料均采用Q345，安全系数取1.6，许用应力为216MPa 。
根据实际作业情况取以3个工况进行计算：（1）正常走行工况：4个钢轨轮同时接触钢轨
（2）纵向偏载工况：沿钢轨方向作业时，只有前端两车轮与钢轨接触
（3）横向偏载工况：横向作业时，只有一侧车轮与钢轨
表1
标准型车辆主要技术参数
整车质量10t
发动机功率24kw
系统流量160L/min
最大系统压力32MPa
最大公路行驶速度4.2km/h
最大钢轨行驶速度
20km/h
图1
公铁两用车脱轨系数
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接触
由计算结构可知，第3工况下结构最大应力均小于材料需用用力，满足强度要求。图2走行工况下底架的应力云图。
2..2
钢轨走行装置
公铁两用车钢轨走行装置包括动力钢轨走行装置和非动力钢轨走行装置。非动力钢轨走行装置，轮轴组成可以绕销轴转动，从而使公铁两用车能适应轨道不平顺，保证所有钢轨轮都能与钢轨接触，保证行车的安全性。车轮踏面采用JM磨耗型踏面，具有良好的动力学性能。动力钢轨走行装置如图3所示，轮边减速机与钢轨轮螺栓连接，通过液压马达驱动轮边减速机来实现钢轨驱动走行。为了方便马达安装，中间采用连接盘与框架连接。
为实现公铁两用走行，挖机履带走行油路中设置切换阀，向钢轨走行马达提供动力，实现钢轨走行和履带走行的切换。钢轨走行时，通过切换阀向钢轨轮马达供油，履带走行马达不工作；履带走行时，通过切换阀向履带走行马达供油，钢轨轮马达不工作。钢轨走行装置动力原理，如图4所示。
公铁两用车钢轨走行共有2个驱动轮，分别由2个液压马达驱动，单个马达的扭矩为：
T =
ΔPvi ηm ηj
2π
式中：ΔP 为马达工作压差，v 为马达排量，i 为减速机速比，ηm 为马达机械效率，ηj 为减速机机械效率，从而可得公铁两用
车牵引力为：
F =
2nT D
式中n 为钢轨走行驱动马达数量，D 为驱动钢轨轮轮径，计算得到最大牵引力为12.5kN ，而黏着系数按湿滑钢轨取0.15，黏着力为15kN 。
公铁两用车牵引力远大于公铁两用车运行阻力，因为考虑到作业时的工作阻力，从而使其在不打滑的情况下尽可能地利
用黏着力增大牵引力。2.3
作业属具模块
作业属具是用于实现专业作业功能的装置，如换枕器、扒砟链、捣固头等。各属具采用统一的接口型式安装于主机作业臂上，并通过快速接头与主机液压管路连接，主机操作室内增加相应控制按钮用于控制属具作业。属具通过快换与作业臂链接，液压管路通过快速接头连接，可短时间内完成不同属具更换，实现多功能快速切换、一机多用。3安全措施与故障应急处理3.1
安全措施
公铁两用车作业时需规避垂向触电风险和临线侵限风险。通过在作业臂之间增加电气限位和机械限位装置，使小型挖机能在3.7m （接触网以下2m ）的高度下作业，超过该高度时电气限位装置起作用，切断作业臂上升动力并发出警报，在电气限位装置失效的情况下，机械限位装置作用，双重保护，保证小型挖机在接触网下作业的安全。同时还装有旋转电气限位和机械限位装置，保证小型挖机作业时不侵入邻线，保证了作业和邻线行车的安全。
主机还配备了多角度摄像头和雷达，方便司机全方位观察，保证行车和作业的安全。
3.2故障应急处理
公铁两用车根据故障对作业的影响分为Ⅰ~Ⅳ类故障模式，
故障模式的分类、影响及处理方式如表2~3所示
。
图2
底架应力云图
1-轮边减速机；2-车轮；3连接盘；4-框架；5-驱动马达
图3
动力钢轨走行装置
图4
钢轨走行装置动力框图
图5故障模式定义表2
故障模式
故障等级Ⅳ类Ⅲ类
Ⅱ类Ⅰ类
故障类别作业属具故障主机作业臂故障
电气控制系统故障走行系统故障动力系统故障
状态
属具或属具供油不满足作业作业臂、回转或作业供油不畅
电气系统设备或线路故障马达故障、履带断裂或钢轮收放故障柴油机或液压泵故障
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4结语
多功能公铁两用车基于适用于铁路线路的掘机平台，装有
钢轨走行装置，整车能适应钢轨不平顺，保证了运行平稳性和安全性；作业属具采用快换和快速接头与挖机连接，可实现不同属具的快速切换；整机配置多项安全防护措施，保证了作业安全。公铁两用车具有高效灵活的特点，满足工务维修作业的要求，填补了大型养路机械和人工之间市场的空白。
参考文献
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京：北京交通大学，2016.
作者简介：陈荣，硕士，高级工程师，研究方向为轨道工程机械的技术开发与工程化。
表3
故障应急处理
等级Ⅳ类Ⅲ类
Ⅱ类
Ⅰ类
故障类别作业属具故障作业臂、回转故障电气控制系统故障
马达故障
履带断裂钢轮收放故障
柴油机故障液压泵故障
处理措施
现场排除或取消作业现场排除或取消作业现场排除或取消作业
汽车线路维修
作业臂辅助单边马达驱动，或作业臂辅助撤离现场排除或作业臂辅助撤离
现场排除或手动调整收放油缸后履带走行撤离现场排除或应急电源驱动撤离现场排除或应急电源驱动撤离
高压互锁故障检测及电连接器根因分析技术研究
徐青松
谭景林曹德峰
刘鹏飞
（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲412001）
摘
要：开展电驱动系统工程样机研制阶段高压互锁故障定位，对高压电连接器进行失效分析及根因分析技术研
究。研究表明，被分析电连接器端子间存在约20μm左右的间隙，导致高压互锁问题出现；端子材料的回弹性能不足是根本原因。选用回弹性能较好的压接端子材料解决了互锁故障问题，效果验证良好。
关键词：电驱动系统；高压互锁；电连接器；失效分析；根因分析
与传统燃油汽车相比，新能源汽车与之最大区别是将传统的发动机变为被称为动力“心脏”的电驱动系统总成[1]。新能源汽车的电气系统使用了高压电，其高压系统采用了高压互锁设计。因此，对用电设备的安全性及维修性等提出了越来越高的要求[2]。电驱动系统采用高压连接器进行电气连接。
本司作为电驱动系统总成的研发及生产厂家，其总体目标是要保证低成本和高可靠性，探究并建立与市场需求相适应的集可靠性、产品设计及验证为一体的技术体系。然而，产品研制到批量供货，需要解决较多的技术问题，尤其是在各类元器件选型及应用方面，需要经过科学、合理的验证。为此，对关键元器件也开展了较多的技术研究工作，如本文的高压连接器选型及应用技术研究，开展高压互锁检测、电连接器失效分析及根因分析技术研究，确认问题原因并在正式量产选型前提出解决方案，极大地降低了高压互锁问题发生的概率。
产品技术发展中，元器件的可靠性是基础更是关键[3]。保证产品量产后的批次性质量并逐步引入新技术，逐步向低成本与高可靠目标靠近，一定程度上为国产自主电驱动系统的稳步发展助力。1
高压互锁作用及问题定位
高压互锁(HVIL)也被称为危险电压互锁回路，其整车中包括了动力电池、动力线束、高压接线盒、电机控制器、驱动电机、DC-DC 、OBC等，通过使用低压信号监测高压回路，是新能源汽车高压电器保护的重要组成部分[4]。
在某型电驱动系统总成工程样机研制中，其可靠性试验验证环节出现高压互锁故障，为此制定详细的故障排查方案并复现故障。采用自制工装将输入端短路，将低压插头引出两线并进行阻值测量，出现互锁断路，最终确定为高压线束连接器失效问题。