GO4S-Ⅲ-CN-SH型道岔清篩機(jī)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)與分析

李洪軍，李歡

（中國(guó)神華軌道機(jī)械化維護(hù)分公司，天津 300467）

0 引言

道岔機(jī)械化清篩一直是我國(guó)鐵路乃至世界鐵路線路維護(hù)的難題，道岔地段的板結(jié)極大影響列車通行速度，即使進(jìn)行多遍搗固，改善也不明顯?，F(xiàn)階段道岔清篩主要以人工清篩為主，作業(yè)效率低，清篩效果不良。為解決這一難題，最有效的整治辦法為對(duì)板結(jié)道岔區(qū)域進(jìn)行徹底清篩[1]。

GO4S-Ⅲ-CN-SH型道岔清篩機(jī)（簡(jiǎn)稱清篩機(jī)）是為解決鐵路道岔機(jī)械化清篩難題研發(fā)的雙輪側(cè)切式道岔清篩機(jī)。機(jī)械整備總質(zhì)量148.9 t，車長(zhǎng)25.589 m，裝用2臺(tái)三軸轉(zhuǎn)向架，采用液壓驅(qū)動(dòng)。截至2017年底，在100多組道岔清篩試驗(yàn)作業(yè)基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)不斷總結(jié)、優(yōu)化研究,形成了一套適合神華鐵路道岔機(jī)械化清篩作業(yè)的施工組織方案和作業(yè)方法。運(yùn)用該方法，清篩機(jī)可在天窗內(nèi)完成1組道岔（9號(hào)、12號(hào)、18號(hào)等）的清篩作業(yè)，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了清篩作業(yè)效率和質(zhì)量，并首次完成了交叉渡線全覆蓋的機(jī)械化清篩作業(yè)，較好地解決了道岔機(jī)械清篩難題，基本實(shí)現(xiàn)了道岔機(jī)械化清篩全覆蓋。清篩機(jī)裝用2臺(tái)三軸轉(zhuǎn)向架，軸重約25 t，車輛心盤(pán)中心距較大，因此保證其動(dòng)力學(xué)性能滿足鐵路標(biāo)準(zhǔn)要求較為困難，需對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，分析和評(píng)價(jià)其運(yùn)行的平穩(wěn)性、穩(wěn)定性。

1 清篩機(jī)概況

1.1 主要結(jié)構(gòu)及工作原理

清篩機(jī)采用液壓傳動(dòng)、電氣控制和氣動(dòng)控制相結(jié)合的技術(shù)，整機(jī)主要由主車架、轉(zhuǎn)向架、司機(jī)室、制動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、挖掘機(jī)構(gòu)、混砟輸送裝置、新砟輸送裝置、篩分裝置、污土輸送裝置、回轉(zhuǎn)輸送裝置、回填輸送裝置、輔助發(fā)電機(jī)組等組成。

清篩機(jī)基本工作原理（見(jiàn)圖1）：挖掘鏈在挖掘馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下，將枕底的臟污道砟挖出至同側(cè)挖掘輪前方；同側(cè)的挖掘輪將臟污道砟提升至混砟輸送裝置；混砟輸送裝置將臟污道砟運(yùn)送至篩分裝置進(jìn)行篩分，將道砟與污土分離；篩分后的潔凈道砟經(jīng)落砟斗分配后由左、右回填輸送帶回填至道床；排砟裝置對(duì)回填道砟進(jìn)行平整，同時(shí)清除鋼軌上散落的道砟；污土輸送裝置將污土輸送至物料運(yùn)輸車或拋至線路兩側(cè)[2]。

圖1 清篩機(jī)基本作業(yè)原理示意圖

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

清篩機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：作業(yè)效率為275 m3/h，挖掘深度（軌枕向下）為220～440 mm，挖掘?qū)挾葹? 100 mm。運(yùn)行通過(guò)最小曲線半徑為150 m；外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為25 589 mm×3 372 mm×4 751 mm；車輛心盤(pán)中心距為17 450 mm；整機(jī)質(zhì)量為148.9 t；最高自走行速度為80 km/h。

1.3 主要功能特點(diǎn)

（1）采用側(cè)切式清篩技術(shù)，既適用于線路道床清篩作業(yè)，也可用于道岔區(qū)清篩作業(yè)，能夠滿足單開(kāi)道岔及交叉渡線等道岔全覆蓋清篩作業(yè)[3]。

（2）無(wú)需人工挖槽，可由挖掘輪機(jī)械挖槽，減少人工開(kāi)槽勞動(dòng)量，降低輔助作業(yè)時(shí)間。

（3）配備2套挖掘鏈和挖掘輪，可以從道岔和正線的任何一側(cè)切入。在道岔和線路一側(cè)有障礙干涉的情況下，可以從另一側(cè)進(jìn)行施工作業(yè)，能在15 min內(nèi)完成轉(zhuǎn)換。

（4）清篩作業(yè)時(shí)，挖掘鏈長(zhǎng)度不需要進(jìn)行人工調(diào)整，挖掘?qū)挾瓤梢酝ㄟ^(guò)控制挖掘鏈切入角度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以保證正線和道岔的連續(xù)施工作業(yè)。

（5）使用JupiterⅡ控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用新一代工業(yè)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，具有分析能力強(qiáng)、可靠性高、故障率低等特點(diǎn)。

2 試驗(yàn)方法、試驗(yàn)準(zhǔn)備及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 試驗(yàn)方法和內(nèi)容

2.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

清篩機(jī)作為側(cè)切式清篩機(jī)，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的目的是對(duì)機(jī)械的穩(wěn)定性及安全性進(jìn)行驗(yàn)證，以保證機(jī)械的安全運(yùn)用。

2.1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 17426—1998《鐵道特種車輛和軌行機(jī)械動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)方法》編寫(xiě)試驗(yàn)大綱及試驗(yàn)實(shí)施細(xì)則，本次動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中，不采用機(jī)車牽引的方式，由道岔清篩機(jī)單機(jī)自輪運(yùn)行[4]。由于道岔清篩機(jī)前、后端不對(duì)稱，因此機(jī)械需在試驗(yàn)地段往返運(yùn)行，分別對(duì)兩端車軸進(jìn)行測(cè)試。更換測(cè)力輪對(duì)后，將加速度傳感器、位移計(jì)、陀螺儀等測(cè)量設(shè)備安裝布置在清篩機(jī)相應(yīng)位置，司乘人員及試驗(yàn)人員均在駕駛室內(nèi)完成本次試驗(yàn)[5]。

2.1.3 測(cè)試設(shè)備

為滿足試驗(yàn)需求，制作了2套測(cè)力輪對(duì)，在輪對(duì)上安裝傳感器用于測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)[6]。

試驗(yàn)主要測(cè)試設(shè)備有：IMC數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)及配套設(shè)備3套，用于采集數(shù)據(jù)；測(cè)力輪對(duì)2套，用于測(cè)量輪軌垂向、橫向力；電容式加速度傳感器8個(gè)，用于車體加速度、司機(jī)室加速度的測(cè)量；位移計(jì)4個(gè)，用于軸箱彈簧垂向位移的測(cè)量；陀螺儀1個(gè)，用于曲線半徑的測(cè)量；計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備2臺(tái)以及其他輔助測(cè)試設(shè)備。

其中，加速度傳感器安裝在司機(jī)室距司機(jī)（車輛運(yùn)行的前進(jìn)方向）座椅中心500 mm半徑內(nèi)的地板面上（或座椅的支柱上），測(cè)量橫向、垂向振動(dòng)加速度。位移計(jì)安裝在前、后轉(zhuǎn)向架軸箱處，用于測(cè)量軸箱彈簧的垂向位移。

2.1.4 試驗(yàn)線路

為滿足110 km/h試驗(yàn)速度的要求，經(jīng)多方調(diào)研確認(rèn)朔黃鐵路肅寧北（K405+900）—原平南（K84+375）區(qū)段線路條件良好，作為本次試驗(yàn)區(qū)段。

2.1.5 試驗(yàn)內(nèi)容

清篩機(jī)在試驗(yàn)區(qū)段往返運(yùn)行，單程321 km，分別對(duì)最前端車軸（I軸）和最后端車軸（VI軸）的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)工況包括直線、曲線、側(cè)向通過(guò)9號(hào)道岔及側(cè)向通過(guò)12號(hào)道岔4種。直線速度級(jí)測(cè)試從50 km/h開(kāi)始，每次增加10 km/h，最高試驗(yàn)速度為90 km/h，每個(gè)速度級(jí)運(yùn)行時(shí)間不少于6 min；曲線上按最高限速80 km/h運(yùn)行；30 km/h速度側(cè)向通過(guò)9號(hào)道岔；45 km/h速度側(cè)向通過(guò)12號(hào)道岔。4種工況中分別對(duì)機(jī)械的輪軌作用力、振動(dòng)加速度、軸箱垂向位移等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量（見(jiàn)表1）。30 km/h速度側(cè)向通過(guò)9號(hào)道岔在設(shè)備調(diào)試階段一次性完成，與12號(hào)道岔試驗(yàn)過(guò)程類似，不做詳細(xì)描述。肅寧北—原平南（下行方向）試驗(yàn)時(shí)，Ⅰ軸在前；原平南—肅寧北（上行方向）試驗(yàn)時(shí)，Ⅵ軸在前。側(cè)向通過(guò)道岔試驗(yàn)時(shí)，在道岔清篩機(jī)尾部加掛1臺(tái)試驗(yàn)車。

表1 試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)直線、12號(hào)側(cè)線速度要求匯總 km/h

試驗(yàn)線路中肅寧北（K405+900）—西柏坡（K240+750）以平直道為主，直線速度級(jí)速度試驗(yàn)在此區(qū)段進(jìn)行；西柏坡（K240+750）—原平南（K84+375）以曲線和坡道為主，上坡道最大坡度12‰，下坡道最大坡度-4‰，曲線試驗(yàn)在此區(qū)段進(jìn)行。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

清篩機(jī)裝用2臺(tái)三軸轉(zhuǎn)向架，試驗(yàn)需將Ⅰ軸及Ⅵ軸輪對(duì)拆除，更換為測(cè)力輪對(duì)（其中作業(yè)方向指向前方，車體前方第一根軸為Ⅰ軸，最后一根軸為Ⅵ軸）。2016年6月14日，測(cè)力輪對(duì)的更換工作完成。主要包括拆除激感線圈—拆除走行馬達(dá)、電纜線等連接—拆除Ⅰ軸、Ⅵ軸閘瓦—架車—推出Ⅰ軸、Ⅵ軸輪對(duì)—推入測(cè)力輪對(duì)—落車—恢復(fù)各連接等步驟。同時(shí)應(yīng)注意在Ⅰ軸、Ⅵ軸閘瓦托架處進(jìn)行處理，避免制動(dòng)時(shí)閘瓦托架與測(cè)力輪對(duì)接觸。

清篩機(jī)整備質(zhì)量148.9 t，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)架車條件，最終使用6臺(tái)25 t的架車機(jī)完成清篩機(jī)的架車工作（見(jiàn)圖2）。

圖2 架車現(xiàn)場(chǎng)

主要拆裝流程：

（1）在Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅵ軸輪對(duì)設(shè)置有效止輪措施，徹底緩解清篩機(jī)并調(diào)節(jié)閘瓦調(diào)節(jié)螺桿至所有閘瓦盡可能遠(yuǎn)離踏面，拆除Ⅰ、Ⅵ軸閘瓦。

（2）排盡Ⅰ、Ⅵ軸車軸齒輪箱中的齒輪油。將Ⅰ、Ⅵ軸上連接的高速、低速馬達(dá)拆出，使用多股鉛絲將其懸在車架下方，避免油管受力；同時(shí)，將馬達(dá)裸露的花鍵等附件包扎保護(hù)好，并將齒輪箱上的2個(gè)安裝孔做好保護(hù)，防止灰塵進(jìn)入。

（3）拆除齒輪箱上各種接線和附件，包括換擋氣缸的風(fēng)管、各傳感器接線、Ⅰ和Ⅵ軸防跳裝置，并將拆下的風(fēng)管兩端分別加裝堵頭和堵帽。

（4）使用螺桿調(diào)節(jié)器和U型卸扣將轉(zhuǎn)向架牢固鎖定在車體上，并在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ軸的防跳裝置上設(shè)置限位塊，防止轉(zhuǎn)向架與車體分離。

（5）在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ軸輪對(duì)與轉(zhuǎn)向架之間加裝吊裝帶和多股鉛絲鎖定，使其與轉(zhuǎn)向架共同升降，作為防止車軸掉落的二級(jí)防護(hù)。

（6）在齒輪箱下方設(shè)置支撐，防止齒輪箱下垂，隨后拆除齒輪箱懸掛固定螺桿和防護(hù)鏈條。

（7）拆除Ⅰ、Ⅵ軸輪對(duì)排障器，并在車軸彈簧相應(yīng)位置下方設(shè)置枕木塊，防止其擺動(dòng)。

（8）使用6臺(tái)架車機(jī)，并逐一上升到架車機(jī)臺(tái)面與頂升點(diǎn)接觸，隨后將6臺(tái)架車機(jī)連接到同一臺(tái)控制器，并開(kāi)始提升清篩機(jī)，保證6臺(tái)架車機(jī)同步動(dòng)作；提升高度約為800 mm。

（9）將Ⅰ、Ⅵ軸移出后，使用測(cè)力輪對(duì)安裝在原位置。

2.3 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)GB/T 17426—1998《鐵道特種車輛和軌行機(jī)械動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)方法》對(duì)清篩機(jī)的平穩(wěn)性及穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)[7]。

2.3.1 運(yùn)行平穩(wěn)性

車體垂向最大振動(dòng)加速度為6.87 m/s2（0.7 g），橫向最大振動(dòng)加速度為4.91 m/s2（0.5 g），要求該極限值在100 km試驗(yàn)區(qū)段出現(xiàn)不超過(guò)3次。

橫向及垂向平穩(wěn)性指標(biāo)W為：W＜3.0為優(yōu)；3.0≤W＜3.5為良；3.5≤W＜4.0為合格。

2.3.2 運(yùn)行穩(wěn)定性

脫軌系數(shù)Q1/P1≤1.2，P1為爬軌側(cè)車輪作業(yè)于鋼軌上的垂向力，Q1為爬軌側(cè)車輪作業(yè)于鋼軌上的橫向力。

輪重減載率△P/P≤0.65，△P為輪重減載量，P為左右側(cè)車輪的平均輪重。

輪軸橫向力H≤0.85（15+（（Pst1+Pst2）/2）），Pst1、Pst2為1、2位車輪靜載荷[8]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

從2016年6月開(kāi)始，經(jīng)試驗(yàn)、整改、再試驗(yàn)等過(guò)程，清篩機(jī)分階段進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，最終于2016年8月8日完成了所有試驗(yàn)，取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果。

3.1 運(yùn)行平穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)運(yùn)行平穩(wěn)性判斷標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)得的振動(dòng)加速度及平穩(wěn)性指標(biāo)見(jiàn)表2。平穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果均符合GB/T 17426—1998的要求，Ⅰ軸在前運(yùn)行垂向平穩(wěn)性指標(biāo)為“良”，Ⅰ軸在前運(yùn)行橫向平穩(wěn)性指標(biāo)、Ⅵ軸在前運(yùn)行橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均為“優(yōu)”。試驗(yàn)測(cè)得各指標(biāo)散點(diǎn)圖見(jiàn)圖3—圖6[9]。

表2 試驗(yàn)測(cè)得振動(dòng)加速度及平穩(wěn)性指標(biāo)

圖3 車體橫向加速度散點(diǎn)圖（Ⅰ軸在前）

圖4 車體垂向加速度散點(diǎn)圖（Ⅰ軸在前）

圖5 橫向平穩(wěn)性散點(diǎn)圖（Ⅰ軸在前）

圖6 垂向平穩(wěn)性散點(diǎn)圖（Ⅰ軸在前）

3.1.1 車體橫向振動(dòng)加速度

Ⅰ軸在前車體橫向振動(dòng)加速度最大值為1.77 m/s2，發(fā)生在以45 km/h速度側(cè)向通過(guò)12號(hào)道岔時(shí)，小于4.91 m/s2的限度值。

Ⅵ軸在前車體橫向振動(dòng)加速度最大值為2.16 m/s2，發(fā)生在以75 km/h速度通過(guò)R500 m曲線時(shí)，小于4.91 m/s2的限度值。

3.1.2 車體垂向振動(dòng)加速度

Ⅰ軸在前車體垂向振動(dòng)加速度最大值為2.65 m/s2，發(fā)生在以50 km/h速度通過(guò)直線時(shí)，小于6.87 m/s2的限度值。

Ⅵ軸在前車體垂向振動(dòng)加速度最大值為3.34 m/s2，發(fā)生在以80 km/h速度通過(guò)R1 000 m曲線時(shí)，小于6.87 m/s2的限度值。

3.1.3 橫向平穩(wěn)性指標(biāo)

Ⅰ軸在前橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值為2.87，發(fā)生在以50 km/h速度通過(guò)直線時(shí)，屬“優(yōu)”級(jí)。

Ⅵ軸在前橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值為2.38，發(fā)生在以45 km/h速度側(cè)向通過(guò)12號(hào)道岔時(shí)，屬“優(yōu)”級(jí)。

3.1.4 垂向平穩(wěn)性指標(biāo)

Ⅰ軸在前垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值為3.12，發(fā)生在以50 km/h速度通過(guò)直線時(shí)，屬“良”級(jí)。

Ⅵ軸在前垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值為2.53，發(fā)生在以70 km/h速度通過(guò)R800 m曲線時(shí)，屬“優(yōu)”級(jí)。

上述各項(xiàng)指標(biāo)均符合表2的試驗(yàn)要求，Ⅰ軸在前垂向平穩(wěn)性指標(biāo)屬“良”，Ⅰ軸在前橫向平穩(wěn)性指標(biāo)、Ⅵ軸在前橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均屬“優(yōu)”。

3.2 橫向穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)橫向穩(wěn)定性判斷標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)得的脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力見(jiàn)表3。穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果均符合GB/T 17426—1998的要求，最大值均出現(xiàn)在30 km/h側(cè)向通過(guò)9號(hào)道岔的工況。試驗(yàn)測(cè)得各指標(biāo)散點(diǎn)圖見(jiàn)圖7—圖9。

表3 穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

圖7 脫軌系數(shù)散點(diǎn)圖（Ⅰ軸在前）

圖8 輪重減載率散點(diǎn)圖（Ⅰ軸在前）

圖9 輪軸橫向力散點(diǎn)圖（Ⅰ軸在前）

3.2.1 脫軌系數(shù)

Ⅰ軸在前脫軌系數(shù)最大值為0.93，Ⅵ軸在前脫軌系數(shù)最大值為0.84，均發(fā)生在以30 km/h速度側(cè)向通過(guò)9號(hào)道岔，小于1.2的限度值。

3.2.2 輪重減載率

Ⅰ軸在前輪重減載率最大值為0.47，Ⅵ軸在前輪重減載率最大值為0.43，均發(fā)生在以30 km/h速度側(cè)向通過(guò)9號(hào)道岔，小于0.65的限度值。

3.2.3 輪軸橫向力

Ⅰ軸在前輪軸橫向力最大值為98.55 kN，Ⅵ軸在前輪軸橫向力最大值為101.57 kN，均發(fā)生在以30 km/h速度側(cè)向通過(guò)9號(hào)道岔，小于輪重橫向力的限度值。

4 結(jié)論

（1）在最高90 km/h試驗(yàn)速度范圍內(nèi)，清篩機(jī)的橫向穩(wěn)定性指標(biāo)（脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力）符合試驗(yàn)要求，滿足80 km/h橫向穩(wěn)定性的要求[10]。

（2）在最高90 km/h試驗(yàn)速度范圍內(nèi)，清篩機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)符合試驗(yàn)相關(guān)要求，滿足80 km/h運(yùn)行平穩(wěn)性要求。

本次動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中道岔清篩機(jī)采用單機(jī)自行的方式，最高試驗(yàn)速度達(dá)93 km/h，通過(guò)對(duì)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果的分析和評(píng)估，驗(yàn)證了該機(jī)型在80 km/h具有良好的運(yùn)行平穩(wěn)性及橫向穩(wěn)定性，能很好地滿足我國(guó)重載鐵路80 km/h最高運(yùn)營(yíng)速度的使用要求。