鋼軌走行輥道線導(dǎo)向裝置的研究

李季陽 滕旭升 朱林榮 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海工務(wù)大修段

在焊軌基地長鋼軌焊接生產(chǎn)過程中，將單支100 m 或500 m 的鋼軌擱置在諸多輥筒上，電動機(jī)驅(qū)動輥筒轉(zhuǎn)動，利用摩擦力驅(qū)動鋼軌前行或后退。通過對這些簡單的輥筒和裝置排列組合，組成鋼軌走行輥道線。將鋼軌或鋼軌焊縫輸送至各作業(yè)工位。為了防止鋼軌從輥道線穿出，既有輥道線上根據(jù)不同情況分布安裝了導(dǎo)向間距固定的軌腰導(dǎo)向、八字導(dǎo)向、立輪導(dǎo)向等各類機(jī)械結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向限制裝置。這些裝置很大程度上避免了鋼軌穿出走行輥道線的情況，但有時由于鋼軌端部軟彎存在、基礎(chǔ)變化等各種因素，導(dǎo)致鋼軌端部與輥道線上的導(dǎo)向限制裝置產(chǎn)生劇烈碰撞，輕則使鋼軌的端部產(chǎn)生形變撞傷，影響后續(xù)焊接作業(yè)質(zhì)量，重則撞壞導(dǎo)向，鋼軌從輥道線穿出。為了避免上述情況的出現(xiàn)，結(jié)合既有各類導(dǎo)向裝置的特點，對焊軌基地鋼軌走行輥道進(jìn)行了優(yōu)化和研究。

1 既有各類導(dǎo)向裝置的分析

目前，蕪湖北焊軌基地根據(jù)走行輥道線的分布及功能，使用的導(dǎo)向裝置有以下各種類型。

（1）安裝于直線段的八字導(dǎo)向和立輪導(dǎo)向。其中八字導(dǎo)向如圖1，由于其導(dǎo)向口間距固定，當(dāng)鋼軌走行過程中端部偏移大于導(dǎo)向固定的最大偏移時，鋼軌撞擊導(dǎo)向而導(dǎo)致撞壞鋼軌軌端和導(dǎo)向；當(dāng)鋼軌走行過程中鋼軌出現(xiàn)蛇形狀態(tài)時，導(dǎo)致鋼軌軌底邊與導(dǎo)向裝置產(chǎn)生滑動摩擦的現(xiàn)象，可能擦傷鋼軌軌底邊；立輪導(dǎo)向如圖2，其導(dǎo)向口間距固定。若半徑為r，接觸點距輥筒中心距離為d，則鋼軌偏移量為r-d，鋼軌撞擊力為F，則輥筒受力其中因此，輥筒受力會隨著鋼軌偏移量 的增大而急劇增大，會隨著輥筒半徑的減小而對受力變化更加敏感。由于結(jié)構(gòu)限制，立輪導(dǎo)向輥筒直徑較小，存在安全隱患及其局限性。

圖1 直線段八字導(dǎo)向

圖2 直線段立輪導(dǎo)向

（2）安裝于彎道的軌腰導(dǎo)向如圖3，限位能力強(qiáng)，能夠在輥道線彎道位置將鋼軌引導(dǎo)至順彎狀態(tài)。但由于導(dǎo)向位置設(shè)在軌腰部分，當(dāng)鋼軌上的凸字鋼印與導(dǎo)向輪接觸時，一方面產(chǎn)生震動并發(fā)出較大噪聲，另一方面使導(dǎo)向輪軸承受力產(chǎn)生變化，導(dǎo)致故障。

圖3 彎道段軌腰導(dǎo)向

（3）安裝于設(shè)備兩端的可調(diào)導(dǎo)向如圖4，目的是保護(hù)設(shè)備，避免鋼軌撞擊；同時糾正鋼軌端部方向，使鋼軌中心與設(shè)備加工中心基本一致，降低鋼軌在設(shè)備加工位置的初始誤差，提升加工精度。由于此導(dǎo)向結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，全線使用不經(jīng)濟(jì)，也不合理。

圖4 可調(diào)導(dǎo)向

通過對焊軌基地各類既有導(dǎo)向裝置的分析，我們認(rèn)為直線段導(dǎo)向和彎道段導(dǎo)向均有優(yōu)化改進(jìn)空間，用于保護(hù)設(shè)備的可調(diào)導(dǎo)向可以延用，但分布結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化。

2 直線段導(dǎo)向的改進(jìn)

2.1 導(dǎo)向裝置的改進(jìn)思路

通過對既有導(dǎo)向的優(yōu)劣分析，結(jié)合現(xiàn)場實際調(diào)研，確定重新設(shè)計導(dǎo)向裝置。通過新型導(dǎo)向的設(shè)計，彌補(bǔ)八字導(dǎo)向、立輪導(dǎo)向的局限性。為了適應(yīng)實際輥道基礎(chǔ)和現(xiàn)場安裝條件，裝置設(shè)計應(yīng)滿足如下基本條件：

（1）具備糾偏量大小有限可調(diào)；

（2）撞擊力可多方向緩解釋放；

（3）具備對鋼軌端部糾偏的自適應(yīng)能力；

（4）裝置重量恰當(dāng)，維修、拆裝方便；

（5）裝置安全可靠，穩(wěn)定性好。

針對上述條件綜合統(tǒng)籌，設(shè)想導(dǎo)向輪采用圓錐結(jié)構(gòu)，分離式設(shè)計，組成一個斜邊導(dǎo)向裝置。

2.2 斜邊導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括底板、支承、輥筒和旋轉(zhuǎn)軸。旋轉(zhuǎn)軸橫向固定在支承接口內(nèi)，輥筒側(cè)邊傾斜，兩套輥筒對稱設(shè)置。底板中部設(shè)置支承，同時支撐兩側(cè)輥筒。兩側(cè)輥筒均可獨立旋轉(zhuǎn)、裝卸。輥筒斜邊起支撐鋼軌和限位作用。斜邊導(dǎo)向結(jié)構(gòu)示意如圖5。

圖5 斜邊導(dǎo)向設(shè)計

兩側(cè)的支承座3 之間由固定螺栓11 和固定螺母1 連接，中心支承7 與兩側(cè)設(shè)置支承的底板3 通過固定螺栓11 和固定螺母1 連接，構(gòu)成底座整體。軸8 安裝在中心支承7 和支承座3 上，由止動墊片固定螺栓12 固定的止動墊片2 防止軸8 在運行中旋轉(zhuǎn)。斜邊輥筒5 通過軸承9 安裝在軸8 上，兩邊設(shè)有端蓋6 配合密封圈10 防水、灰塵等，使用端蓋固定螺栓4 固定。系統(tǒng)通過油嘴13 向內(nèi)部軸承等部件注入3 號鋰基脂保持潤滑。

在支承座3 上開腰孔，通過腰孔可調(diào)節(jié)兩側(cè)支撐座間距，實現(xiàn)糾偏量大小有限可調(diào)；錐形導(dǎo)向輪的設(shè)計可實現(xiàn)鋼軌與裝置之間撞擊力緩解釋放，同時實現(xiàn)對鋼軌端部糾偏的自適應(yīng)；分離式結(jié)構(gòu)降低了單個部件重量，并為檢修提供了方便；整體和較強(qiáng)的能力改變固定螺栓11 和固定螺母1 相對于設(shè)置支承的底板3 的相對位置實現(xiàn)調(diào)整限位間距的目的，最大可調(diào)間距10 mm，最大可調(diào)高度10 mm。

2.3 糾偏量計算

根據(jù)鋼軌在輥道線上實際運行情況，導(dǎo)向的設(shè)置間距約5 m，理論上可實現(xiàn)的最大糾偏量S 為123.84 mm：

由鋼軌的楊氏模數(shù)E可知，鋼軌越出輥輪外邊界時，抵消自重Mg時的正向應(yīng)變量ε為1.84 mm。導(dǎo)向的糾偏能力為軌底長度的一半d1加上限位點與導(dǎo)向間距d2加上接觸點到輥輪外圓的直線距離d3加上正向應(yīng)變量ε。

2.4 強(qiáng)度校核

根據(jù)鋼軌在導(dǎo)向接觸點到中心點的圓弧半徑r，以及運行角度為1/24 圓，可以計算鋼軌在斜邊導(dǎo)向上的切入點到最高點的距離S，

鋼軌的實際運行速度V為0.83 m/s，可以計算加速時間T，

T=S/V=0.04 s

單個錐形輥輪質(zhì)量為7.5 kg（將鋼軌運行撞擊輥輪等效于輥輪運行撞擊鋼軌），其相對沖擊力F，

F=mV/T=7.5 kg×0.83 m/s/0.04 s=155.6 N

可以得出約在0.04 s 內(nèi)導(dǎo)向輥輪小徑上5 mm 高處將線速度加速至50 m/min，切線處承受的沖擊力約為155.6 N，遠(yuǎn)小于45#鋼及鋼軌材質(zhì)的耐受極限。

3 彎道段軌腰導(dǎo)向的改進(jìn)

鋼軌鋼印經(jīng)過軌腰導(dǎo)向時，會產(chǎn)生震動，伴隨很大的噪聲。由于鋼印凸起不規(guī)則，導(dǎo)向輪受力變化劇烈，易損壞軸承。因此，需要對軌腰導(dǎo)向進(jìn)行改進(jìn)。

具體實施方式是：加裝墊塊，墊塊與原有的底座焊接在一起，軌腰導(dǎo)向通過螺栓連接在墊塊頂部。此項改進(jìn)可以將軌腰引導(dǎo)改為軌頭引導(dǎo)如圖6。

圖6 軌頭導(dǎo)向

相比軌腰來說，軌頭更為平滑。運行起來一方面噪聲大大減小，另一方面可以降低導(dǎo)向軸承的磨損，有利于減少裝置故障率。

4 可調(diào)導(dǎo)向的布局優(yōu)化

可調(diào)導(dǎo)向擁有優(yōu)異的限位能力，其導(dǎo)向限位間距和導(dǎo)向中心的可調(diào)，在保護(hù)設(shè)備和提高加工精度上具有明顯的優(yōu)勢。如果在設(shè)備二端再加裝1 到2 組可調(diào)導(dǎo)向，并使導(dǎo)向限位間距形成階梯式縮小，這樣有利于更好地保護(hù)設(shè)備，更好地避免鋼軌軌端撞擊導(dǎo)向裝置，使鋼軌中心與設(shè)備加工中心重合度更高。

5 結(jié)束語

通過對鋼軌走行輥道線導(dǎo)向的研究，在進(jìn)行了局部試驗的基礎(chǔ)上，利用蕪湖北焊軌基地精整線鋼軌走行輥道大修的機(jī)遇，進(jìn)行推廣應(yīng)用，提升了鋼軌走行速度和流水線作業(yè)效率。應(yīng)用過程中，輥道導(dǎo)向裝置性能穩(wěn)定、安全可靠；并使輥道導(dǎo)向裝置定型為三個形式，減少了配件儲備類型，降低了輥道運行噪聲，消除了鋼軌脫離輥道線的風(fēng)險；為輥道線導(dǎo)向的檢修提供了方便，提高了設(shè)備維修效率。