清篩機(jī)起撥道裝置參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究

何國(guó)華 高春雷 王鵬 王金棟

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

有砟軌道養(yǎng)護(hù)作業(yè)主要有清篩、搗固、穩(wěn)定、配砟、焊軌、銑磨等。目前我國(guó)正線鐵路路基及部分橋梁地段廣泛采用大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，但是既有線部分橋梁及隧道，尤其是隧道，因受內(nèi)部輪廓制約，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有各型清篩機(jī)無(wú)法進(jìn)行機(jī)械化清篩，主要依靠人工作業(yè)，施工環(huán)境和清篩質(zhì)量差，安全保障困難［1-2］。為此，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司立項(xiàng)研究滿足國(guó)內(nèi)鐵路隧道橋梁機(jī)械化清篩要求的清篩機(jī)。其中難點(diǎn)是如何設(shè)定起撥道裝置安裝位置等參數(shù)。本文以既有大型養(yǎng)路機(jī)械起撥道裝置為研究對(duì)象，通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)研究確定相關(guān)參數(shù)，為隧道內(nèi)、橋梁上道床清篩機(jī)的研制提供支撐。

1 起撥道裝置參數(shù)優(yōu)化方案

1.1 鐵路曲線橋布置

目前鐵路上的曲線橋多以折代曲，曲梁應(yīng)用很少。由于線路中線是曲線，而所用的梁是直的，因此線路中線與梁中線不完全吻合［3］。梁在曲線上的布置是由多個(gè)梁跨的中線聯(lián)結(jié)起來(lái)，成為與線路中線基本相符的折線。這條折線成為橋梁的工作線。墩、臺(tái)中心一般就位于該折線轉(zhuǎn)折角的頂點(diǎn)上。在橋梁設(shè)計(jì)中，梁中線的兩端并非位于線路中線上，而是向外側(cè)移動(dòng)了一定距離E，稱之為偏距。曲線中點(diǎn)到曲線弦線的距離叫矢高，以f表示［4］。考慮內(nèi)外梁體受力均衡，鐵路曲線橋采用以下2種方式布置：

1）平分中矢布置。梁中線位于弦長(zhǎng)中矢的平分線上，曲線中點(diǎn)到梁中線的距離f1=f/2，見圖1（a）。

2）切線布置。梁中線位于線路中線的切線上，f1=0。見圖1（b）。

圖1 鐵路曲線橋布置

上述2種布置方式中平分中矢布置較為有利，鐵路曲線橋基本采用該方式布置。切線方式布置的梁，偏距，L為跨距，R為曲線半徑；平分中矢方式布置的梁，偏距

1.2 算例設(shè)計(jì)

選取寶成線和南昆線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，2條線路橋梁情況見表1。南昆線263座橋梁中有178座在曲線半徑小于700 m的曲線上，占全部曲線橋的68%。寶成線604座橋梁中有600座在曲線上，曲線半徑小于700 m的有442座，占全部曲線橋的74%；曲線半徑小于400 m的有240座，占全部曲線橋的40%。尤其是曲線半徑300 m橋梁梁的跨度變化范圍較大，從4～32 m不等。

按照TB 10002.1—2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》［4］，一般單線橋上道砟槽底面內(nèi)緣寬3.4 m，頂面外緣寬不宜小于3.9 m。當(dāng)橋面采用Ⅲ型軌枕時(shí)軌枕寬度2.6 m，則軌枕端面到道砟槽側(cè)面的距離為400 mm。挖掘裝置導(dǎo)槽寬200 mm，挖掘扒鏈和角滾輪合計(jì)寬70 mm［5］，若起道后把挖掘扒鏈和角滾輪放置到枕底，再加上預(yù)留60 mm的安全余量，則單邊還剩余200-60=140 mm的空間。即偏距在140 mm以內(nèi)時(shí)不用撥道，超過(guò)140 mm則須先撥道后進(jìn)行清篩作業(yè)。若起道量小，無(wú)法把挖掘扒鏈和角滾輪放置到枕底，則單邊還剩余200-70-60=70 mm，即偏距在70 mm以內(nèi)時(shí)不用撥道，超過(guò)70 mm則須先撥道后進(jìn)行清篩作業(yè)。

表1 寶成線和南昆線橋梁情況

依據(jù)2種布置方式和表1的數(shù)值，可計(jì)算出不同曲線半徑和梁跨度配置下梁中線和線路中線的偏距，見表2?？芍?種布置方式下最大偏距為213 mm，則作業(yè)時(shí)所需要的最大撥道量為213-70＝143 mm。

表2 梁中線和線路中線的偏距 m

2 數(shù)值模擬

根據(jù)《鐵道工程》［6］規(guī)定的計(jì)算方法，給軌排施加一定的起道力、撥道力和撥道量（見圖2）。通過(guò)數(shù)值模擬可估算出單根軌枕橫向阻力剛度，進(jìn)而得出撥道時(shí)起撥道裝置的影響范圍。

圖2 施加起道力、撥道力和撥道量前后軌排

假定在曲線半徑300 m的鐵路橋上撥道20 mm、起道40 mm。計(jì)算可得單次撥道時(shí)7＃軌枕的前后各7個(gè)軌枕的理論橫移量，見表3?？芍?，當(dāng)在7＃軌枕處撥道20 mm時(shí)0＃軌枕沒(méi)有橫移，說(shuō)明單根軌枕?yè)艿罆r(shí)撥道力影響范圍只有7根軌枕距離。

表3 單次撥道各軌枕理論橫移量

從0＃軌枕開始依次撥道，每次撥道量20 mm，多次撥道后各軌枕處軌道的累計(jì)撥道量見表4?？梢?，多次撥道后最大累計(jì)撥道量為108 mm。根據(jù)TG/GW 102—2019《普通鐵路線路修理規(guī)則》［7］要求，在無(wú)縫線路上進(jìn)行起撥道作業(yè)時(shí)，要根據(jù)軌溫情況調(diào)整單次起撥道量。

表4 多次撥道后各軌枕處軌道的累計(jì)撥道量

由模擬計(jì)算結(jié)果可知，單根軌枕?yè)艿罆r(shí)影響范圍為7根軌枕距離。起撥道裝置使用時(shí)，需要注意其與車輪之間的距離。如果距離過(guò)小，起撥道裝置撥道后線路回彈，實(shí)際累計(jì)撥道量變小，從而影響清篩機(jī)作業(yè)適用范圍。為了減少車輪對(duì)于起撥道裝置實(shí)際作業(yè)效果的影響，起撥道裝置應(yīng)設(shè)置在距離車輪至少7根軌枕遠(yuǎn)的地方。起撥道裝置起道力的選取應(yīng)根據(jù)軌排的質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算。由于在橋上作業(yè)時(shí)不拆除護(hù)輪軌，需要將50 kg/m鋼軌的質(zhì)量計(jì)算在內(nèi)。為了避免使用1臺(tái)清篩機(jī)不足以解決篩前大撥道量和篩后回?fù)芑謴?fù)線路的問(wèn)題，可在合理位置布置2套起撥道裝置。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

①起撥道裝置撥道作業(yè)時(shí)，記錄不同撥道量下各軌枕位移變化量，計(jì)算撥道力的影響范圍；②測(cè)試不同起道量、撥道量時(shí)起道力、撥道力的變化量，探尋其間關(guān)系。

3.2 試驗(yàn)方案

在一座普通混凝土低高度T形梁?jiǎn)尉€橋上采用DCL-32搗固車進(jìn)行試驗(yàn)。由于DCL-32搗固車起撥道裝置與搗固裝置設(shè)置在一起，需要在試驗(yàn)時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控相關(guān)參數(shù)的變化。按照縱斷面測(cè)量值進(jìn)行作業(yè)，橋上最大撥道量150 mm、最大起道量50 mm，試驗(yàn)完畢后恢復(fù)線路原始設(shè)計(jì)線位。在起撥道油缸進(jìn)出油管與閥體連接端加裝三通接頭，安裝壓力傳感器（見圖3），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)搗固車作業(yè)時(shí)起撥道油缸壓力的變化。

圖3 壓力傳感器布置

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1）撥道量影響范圍

搗固車起撥道作業(yè)時(shí)肉眼可見從第1～7根軌枕的橫向位移都有變化，作業(yè)完畢測(cè)量軌枕端部距固定測(cè)量點(diǎn)的距離，確定第1～7根軌枕橫向位移確實(shí)發(fā)生了變化。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合，證明了起撥道作業(yè)影響范圍為7根軌枕距離。

2）起道量與起道力的關(guān)系

搗固車從橋頭護(hù)輪軌起始位置開始走行作業(yè)，撥道量10 mm，起道量依次從10 mm加大到50 mm，連續(xù)監(jiān)測(cè)并記錄左右起道油缸進(jìn)油口壓力，根據(jù)《液壓與氣壓傳動(dòng)》［8］中的相關(guān)公式計(jì)算出起道力，見表5。可見：隨著起道量增大，左右起道油缸進(jìn)油口壓力和起道力均逐漸增大。

表5 起道量與起道力測(cè)試記錄

3）撥道量與撥道力的關(guān)系

搗固車從125#軌枕開始起撥道作業(yè)，起道量為50 mm，撥道量依次由20 mm加大到200 mm，連續(xù)監(jiān)測(cè)并記錄左右撥道油缸進(jìn)回油口壓力，進(jìn)而計(jì)算出撥道力，見表6?？梢?，隨著撥道量增大，撥道油缸壓力在進(jìn)油口總體上增大，在回油口先減小后增大，撥道力逐漸增大。

表6 撥道量與撥道力測(cè)試記錄

4）起道力與撥道力的關(guān)系

搗固車在順坡回?fù)茏鳂I(yè)階段，起道量由60 mm逐漸減小到0，撥道量由180 mm逐漸減小到0，連續(xù)監(jiān)測(cè)并記錄起撥道油缸進(jìn)回油口壓力，進(jìn)而計(jì)算出起道力和撥道力，見表7?？芍鸬懒﹄S起道量減小而明顯減小，撥道力隨撥道量減小而明顯增大，撥道力與起道力成反比。

表7 起道力與撥道力測(cè)試記錄

4 結(jié)論

本文以清篩機(jī)起撥道裝置為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）撥道時(shí)起撥道裝置影響范圍為7根軌枕距離。

2）隨著起道量增加起道力呈增大趨勢(shì)；起道量從0增大到50 mm過(guò)程中起道力逐漸增大，最大值為209.95 kN，小于理論值250 kN，起道油缸參數(shù)設(shè)置滿足使用要求。

3）隨著撥道量增加撥道力呈增大趨勢(shì)；撥道量從0增大到200 mm過(guò)程中撥道力逐漸增大，最大值為70.71 kN，小于理論值150 kN，撥道油缸參數(shù)設(shè)置滿足使用要求。

4）起道力隨起道量減小而明顯減小，撥道力隨撥道量減小而明顯增大，撥道力與起道力成反比。

5）既有大型養(yǎng)路機(jī)械起撥道裝置的起撥道油缸參數(shù)滿足新型隧道橋梁清篩機(jī)使用要求，起撥道裝置的安裝位置直接影響撥道后線路的實(shí)際累計(jì)撥道量，進(jìn)而影響隧道橋梁清篩機(jī)的作業(yè)適用范圍。

研究結(jié)果可為新型隧道橋梁清篩機(jī)的設(shè)計(jì)和施工提供參考。