高速鐵路自輪運轉(zhuǎn)快速換軌車研究

雷張文 倪 琍 李石平 方繼武

1.寶雞中車時代工程機械有限公司株洲分公司，株洲，4120012.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢，4300633.株洲時代電子技術(shù)有限公司，株洲，412001

0 引言

我國在軌道工程機械領(lǐng)域起步較晚，機械化程度較低,近年來，隨著我國鐵路逐步向高速重載、大運量、高密度方向發(fā)展，鋼軌更換維護工作也相應(yīng)增加，加上我國鐵路線路里程基數(shù)大、增長快，所以換軌任務(wù)繁重。目前我國換軌大修的方法主要有兩種：一是人工更換；二是使用簡易機具或改裝車輛進行換軌作業(yè)。使用這兩種換軌方法進行換軌作業(yè)需要投入大量人力，換軌作業(yè)效率及自動化程度較低，且安全性很差，一旦換軌作業(yè)出現(xiàn)問題，將直接影響線路的服務(wù)；此外，使用簡易機械或改裝車量進行換軌作業(yè)時，新舊鋼軌交叉干擾，容易出現(xiàn)掉道的現(xiàn)象。隨著維護工作量的增加，鐵路運營效率的提高，傳統(tǒng)的換軌方式已無法匹配當前我國鐵路行業(yè)的發(fā)展速度與需求。

為實現(xiàn)機械化、自動化更換鋼軌的目標，筆者采用理論與試驗相結(jié)合的方法，研究了換軌車輛的自動化換軌原理及換軌關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了自輪運轉(zhuǎn)快速換軌車,并進行了換軌車運用考核試驗，以驗證換軌車自動換軌相關(guān)性能，為換軌車的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

1 自輪運轉(zhuǎn)快速換軌車

1.1 車輛整體介紹

快速換軌車自帶動力，屬于大型養(yǎng)路機械自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備，機械化、自動化程度高，而且自帶收料裝置。如圖1所示，快速換軌車車輛主要由車體、轉(zhuǎn)向架制動系統(tǒng)、車鉤緩沖裝置、司機室、動力系統(tǒng)、扣件回收系統(tǒng)、作業(yè)機構(gòu)、氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成[1]。車輛前端轉(zhuǎn)向架為動力轉(zhuǎn)向架，采用兩軸液壓馬達驅(qū)動，提供作業(yè)時的走行動力，后端轉(zhuǎn)向架為非動力轉(zhuǎn)向架。

圖1 快速換軌車車輛總圖Fig.1 General layout of the fast rail-changing vehicle

車輛前端設(shè)有司機室1，后端設(shè)有司機室2，司機控制器、制動閥、各種操縱按鈕和手柄、儀器儀表及信號顯示裝置等均安裝在司機室內(nèi)的操縱臺上，室內(nèi)設(shè)有冷暖兩用空調(diào)、滅火器等設(shè)備。換軌作業(yè)機構(gòu)布置在車體下部，扣件回收系統(tǒng)布置在車體中部，動力系統(tǒng)和液壓站、柴油箱布置在車輛尾部地板面上。

1.2 作業(yè)機構(gòu)介紹

換軌過程是通過沿車輛縱向布置的鋼軌收放裝置，使新舊鋼軌產(chǎn)生橫向、縱向彈性變形，從而令鋼軌形成3D的漸變曲線，再利用車輛縱向牽引力，使新鋼軌逐漸從車輛前方導(dǎo)入承軌槽，同時將舊鋼軌逐漸從車輛前方導(dǎo)出承軌槽，并放到道心或軌枕兩側(cè)。鋼軌收放裝置的布置位置，各個鋼軌收放裝置的縱向、橫向位移量，各個鋼軌收放裝置的功能，鋼軌彈性變形應(yīng)力，鋼軌變形給車輛牽引帶來的阻力，這些參數(shù)需綜合匹配。

換軌車設(shè)置了6套鋼軌收放裝置，其結(jié)構(gòu)見圖2，其中鋼軌收放裝置1、鋼軌收放裝置3、鋼軌收放裝置5、鋼軌收放裝置6用于控制新軌逐漸變形導(dǎo)入承軌槽，鋼軌收放裝置2、鋼軌收放裝置4用于控制舊軌逐漸變形導(dǎo)出承軌槽。車輛前轉(zhuǎn)向架在舊軌上走行，后轉(zhuǎn)向架在新軌上走行。鋼軌收放裝置迫使鋼軌最大垂向變形控制在280～350 mm范圍內(nèi)，橫向位移產(chǎn)生最大突變角不大于5°，新舊鋼軌間有足夠的間隙且相互不干涉。軌跡線方案最終通過CAE仿真檢驗，以確保鋼軌變形均勻、應(yīng)力適當，同時通過提取約束的支反力，校核鋼軌收放裝置性能；將提取的變形應(yīng)力及變形能轉(zhuǎn)化成牽引阻力校核車輛牽引性能[2]。換軌作業(yè)時，通過鋼軌收放裝置2、鋼軌收放裝置4對應(yīng)的輔助定位系統(tǒng)，可自動調(diào)整鋼軌橫向位置，確保出入承軌槽時，鋼軌始終處于道釘中間，而不會與道釘干涉，從而實現(xiàn)曲線自動換軌。

圖2 鋼軌收放裝置Fig.2 Rail retracting device

換軌作業(yè)是車輛自動化、多工序連續(xù)作業(yè)過程，全程由計算機自動控制，不需要人工進行干預(yù)。換軌作業(yè)中夾持鋼軌時，應(yīng)遵循先舊軌后新軌，舊軌從后往前(前后是相對于車輛的前端和后端而言的)，新軌從前往后的原則，依次用鋼軌收放裝置4、2夾持舊鋼軌，鋼軌收放裝置1、3、5、6夾持新鋼軌。當作業(yè)裝置夾持鋼軌完成準備作業(yè)時，左右鋼軌應(yīng)沿軌道中心線對稱分布。當收放裝置將新舊鋼軌夾持至預(yù)定位置后，通過車輛的牽引力將舊鋼軌從承軌槽內(nèi)提起，放置在道心或軌枕兩側(cè)，將新鋼軌從軌枕兩側(cè)準確放置在承軌槽內(nèi)，換軌原理示意見圖3。

圖3 換軌原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of track replacement

1.3 道釘檢測系統(tǒng)

為了能將新鋼軌準確放置在承軌槽中，將舊鋼軌放置在道心或軌道兩側(cè)，作業(yè)機構(gòu)橫向油缸采用自動控制方式。車輛通過鋼軌彎曲曲線時，道釘檢測系統(tǒng)檢測出作業(yè)機構(gòu)相對承軌槽的橫向偏移量，控制系統(tǒng)通過偏移量值來控制作業(yè)機構(gòu)橫向油缸的動作方向和行程，從而達到曲線上機構(gòu)自動控制的目的，道釘檢測系統(tǒng)原理見圖4。

圖4 道釘檢測系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of nail detection system

圖5 扣件回收系統(tǒng)Fig.5 The system of buckle recovery

1.4 扣件回收系統(tǒng)

扣件回收系統(tǒng)(圖5)包括提升輸送裝置、平移輸送裝置、接料裝置、扣件回收料斗和控制系統(tǒng)五部分。提升輸送裝置利用電磁滾筒將存放在鐵路道床中間的扣件自動回收，并將扣件斜向提升輸送到平移輸送裝置上。平移輸送裝置用于將回收的扣件輸送至接料裝置。電磁滾筒吸力能夠保證在扣件距離滾面400 mm時，可以順利地將扣件吸入滾面，作業(yè)時滾面距離道心扣件約320 mm，走行工況下可實現(xiàn)扣件的完全回收。接料裝置可以前后移動，也可以正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，使扣件能轉(zhuǎn)運至料斗各個位置，作業(yè)完成后運至整備基地，通過油缸打開料斗側(cè)門，將扣件卸在車輛兩側(cè)。

1.5 走行液壓系統(tǒng)

換軌車牽引系統(tǒng)是整個車輛的關(guān)鍵裝置，該系統(tǒng)一方面要實現(xiàn)牽引速度恒定，另一方面要保證驅(qū)動輪的同步性。換軌車作業(yè)的速度較低，為了實現(xiàn)低恒速，車輛牽引系統(tǒng)采用靜液壓傳動方式，由主發(fā)動機提供動力驅(qū)動液壓泵站，通過液壓壓力能驅(qū)動行星減速器，再驅(qū)動車軸減速器，將發(fā)動機高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成車輪低轉(zhuǎn)速，并通過液壓系統(tǒng)高剛度的特性保證低速恒定。

轉(zhuǎn)向架上的車軸減速器上，設(shè)置了氣動換擋機構(gòu)，牽引狀態(tài)時擋位嚙合，驅(qū)動車輛走行，液壓馬達驅(qū)動車輪走行，此工況下運行速度較低，車輛牽引力較大；掛運狀態(tài)時，擋位處于空擋并鎖定，車軸齒輪箱離合器使液壓馬達與車軸脫離，車輪轉(zhuǎn)動不會帶動液壓馬達轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)多工況自動切換。

車輛走行液壓系統(tǒng)采用閉式液壓回路，由一個變量泵輸出液壓油，驅(qū)動兩個變量液壓馬達工作，液壓馬達通過減速器和車軸齒輪箱將動力傳動到車輪?？刂埔簤罕?、液壓馬達輸入電流，即改變其輸出流量及方向，可控制車輛走行速度和走行方向。詳細液壓原理見圖6。

圖6 走行液壓原理圖Fig.6 Schematic diagram of walking hydraulic system

2 快速換軌車作業(yè)流程

2.1 預(yù)備作業(yè)條件

快速換軌車預(yù)備作業(yè)條件如下：換軌線路扣件已拆卸完，被拆卸的扣件放置于雙軌中間，切入點(換軌起始點)預(yù)留數(shù)個扣件暫不拆且切入點鋼軌已切斷；換軌車通過牽引車牽引到指定作業(yè)位置后，將換軌車與其他車輛解編，換軌車駛?cè)霌Q軌切入點上方；連續(xù)新軌已預(yù)放置在道心，一般每根鋼軌長度為500 m[3]。

2.2 作業(yè)準備

操作車體下方各操作控制箱上解鎖機構(gòu)按鈕解除機構(gòu)鎖定，使其進入可移動狀態(tài)。

2.3 作業(yè)機構(gòu)對位

作業(yè)機構(gòu)對位步驟分為如下五步：①用鋼軌收放裝置2夾舊軌，將舊軌提出承軌槽，使前轉(zhuǎn)向架(動力轉(zhuǎn)向架)第2根軸(靠近后轉(zhuǎn)向架的軸)后第5根軌枕位置處舊鋼軌的下表面高于軌枕螺栓上表面；②用鋼軌收放裝置4夾舊軌，將舊軌橫向收攏，使舊鋼軌大約在后轉(zhuǎn)向架(非動力轉(zhuǎn)向架)第1根軸(靠近前轉(zhuǎn)向架的軸)位置落到軌枕上；③用鋼軌收放裝置1、3配合夾新軌；④用鋼軌收放裝置5夾新軌入槽，在鋼軌收放裝置5的位置，使新鋼軌下表面距軌枕螺栓上表面20～50 mm；⑤將鋼軌收放裝置6落下，壓住新軌軌頭使其落入承軌槽。

2.4 連續(xù)作業(yè)

松開鋼軌吊鉗，啟動作業(yè)輔助定位系統(tǒng)，使道釘檢測系統(tǒng)與對應(yīng)的收放裝置位移系統(tǒng)組成閉環(huán)系統(tǒng)，實時調(diào)整收放裝置位置。啟動車輛，使其低恒速走行，鋼軌在作業(yè)機構(gòu)的作用和車輛順向移動下，可完成連續(xù)換軌作業(yè)。

2.5 作業(yè)切出

換軌進入切出點前，提前將新軌末端的舊軌切斷。車輛作業(yè)到切出點上方時停車，解除鋼軌收放裝置鎖定，借助鋼軌吊鉗和鋼軌收放裝置，手動將新軌入槽、舊軌放置到指定位置。

2.6 作業(yè)清場

車輛司機室2駛出切入點，停車；固定拉軌器，使拉軌器分別固定在鋼軌接縫處新舊鋼軌上；啟動拉軌器，使新舊鋼軌接頭間隙保持為要求值，并固定。換軌作業(yè)完成后，由其他設(shè)備完成扣件安裝、調(diào)軌、焊軌、舊軌回收等工作，最終完成新舊鋼軌更換并達到要求的軌道參數(shù)。

3 車輛運用考核試驗

2015年12月30日至2017年1月11日期間，自輪運轉(zhuǎn)快速換軌車在濟南鐵路局工務(wù)機械段完成了運用考核，累計運行里程4 000多千米，作業(yè)里程120余千米，達到相關(guān)考核要求。運用考核期間，樣車關(guān)鍵部件未見重大質(zhì)量問題，也未發(fā)生涉及安全的事故、故障。

相比較于人工換軌作業(yè)，使用換軌車進行換軌作業(yè)能夠節(jié)省大量成本且效率高，作業(yè)過程安全可靠。在運用考核期間，有三日樣車綜合作業(yè)效率分別達到3.4 km/h、2.3 km/h和5 km/h，最高效率遠超換軌車設(shè)計綜合作業(yè)效率2 km/h，在同樣的作業(yè)模式和“天窗”時間內(nèi)，濟南鐵路局突破了單日更換2 km鋼軌的記錄，單日最大換軌里程達2.4 km。

由此可以看出與傳統(tǒng)的人力為主、機械輔助的換軌作業(yè)方式相比，快速換軌車主要有以下優(yōu)點：

(1)快速換軌車集換軌、扣件回收于一體，作業(yè)效率高，收料功能在2 km作業(yè)任務(wù)時可以節(jié)約“天窗”時間約20 min，可進一步增加作業(yè)里程[4]。

(2)與人工換軌比，節(jié)省了大量的人工成本。

(3)其他換軌設(shè)備運行過程中，尾部均需10人撬軌輔助新鋼軌入槽，換軌速度較快時，勞動強度很大。而快速換軌車運行過程中，僅需2名作業(yè)人員隨車監(jiān)視，新鋼軌通過道釘檢測系統(tǒng)自動偏移，能準確放置在承軌槽內(nèi)，地面無需人員輔助入槽，避免了撬軌可能產(chǎn)生的毛細裂紋，提高了換軌質(zhì)量，也消除了鄰線通車狀態(tài)下輔助入槽人員作業(yè)安全隱患。

(4)快速換軌車扣件自動回收，減少了收料工序，可節(jié)省作業(yè)時間并大量減少收料輔助人員，且減輕了作業(yè)勞動強度，同時減少了線上收料對其他工序作業(yè)的干擾，還可節(jié)約1臺收料平車。

(5)換軌車具有作業(yè)走行動力，節(jié)約了1臺軌道車；采用液壓驅(qū)動，可進行無級調(diào)速，操控性強，低速情況下扭矩和牽引力大，更換完的新鋼軌平順。由于車輛多個部位裝有監(jiān)控及急停按鈕，出現(xiàn)危險情況時能短距離緊急停車，避免了作業(yè)安全隱患[5]。

(6)提供了換軌其他工序作業(yè)的外接電源，樣車優(yōu)化升級后，可以提供液壓源及“龍尾”拉軌裝置，減少了現(xiàn)場液壓站等笨重作業(yè)裝備，方便下一個“天窗”點的機具轉(zhuǎn)運。

4 結(jié)語

本文研究的自輪運轉(zhuǎn)快速換軌車能夠?qū)崿F(xiàn)既有線路上鐵軌的自動更換及扣件回收，機械化、自動化程度很高，同時該換軌車又具有良好的動力特性，因此能夠在非電氣化區(qū)段作業(yè)運行。

快速換軌車已完成運用考核，并取得相關(guān)行政許可，正進入批量化生產(chǎn)。運用考核試驗表明：相比于使用簡易機具或改裝車輛的傳統(tǒng)換軌作業(yè)方式，本研究開發(fā)的自輪運轉(zhuǎn)快速換軌車在2 km作業(yè)時可以節(jié)約“天窗”時間約20 min，單日最大換軌里程達到2.4 km，具有換軌效率高、作業(yè)勞動強度低以及安全可靠的特點。