CQS-300側(cè)切式清篩機(jī)的研制

張國剛

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明654300）

0 引言

我國鐵路道岔地段線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長期以來，其道砟清篩主要依靠人工作業(yè)，人工作業(yè)勞動強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，維修質(zhì)量差，成為鐵路提速的一大瓶頸。因此，研制一種有別于傳統(tǒng)清篩模式的、更加簡單易用的、適用范圍更加廣泛的新型全斷面道砟清篩機(jī)具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值，能提高我國鐵路線路維修質(zhì)量及養(yǎng)路機(jī)械技術(shù)裝備水平。中國鐵路總公司科技司于2014年5月18日在北京組織召開《側(cè)切式全斷面道床清篩機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究》開題報(bào)告，并將“大型養(yǎng)路機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)自主化研究—側(cè)切式全斷面道床清篩機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究”列入科技研究開發(fā)計(jì)劃合同。根據(jù)中國鐵路總公司的科技開發(fā)計(jì)劃，進(jìn)行了側(cè)切式清篩機(jī)的研制。

1 側(cè)切式清篩機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

主要致力于解決鐵路線路道岔的清篩作業(yè)問題，可適用于正線，邊坡，兼顧部分滿足條件的橋梁和隧道清篩。

2 側(cè)切式清篩機(jī)的主要作業(yè)特點(diǎn)

側(cè)切式清篩機(jī)采用側(cè)切刀板枕底挖掘與挖掘斗輪挖掘并提升相結(jié)合的方式進(jìn)行作業(yè)。挖掘裝置通過側(cè)切刀板切入枕底，將枕底道砟挖掘并排出至邊坡位置，然后利用挖掘斗輪將道砟挖掘提升至道砟輸送裝置，并傳送到篩分裝置，道砟經(jīng)過篩分后，干凈的道砟回填至道床，污土通過主污土帶傳送到車體后方并拋出到污土車或者道床外面。與以往技術(shù)相比，有如下特點(diǎn)：挖掘裝置不需要連接底梁，輔助作業(yè)時(shí)間及施工人員較少；斗輪邊坡挖掘可單邊獨(dú)立或雙邊同時(shí)作業(yè)，斗輪提升效率高，結(jié)構(gòu)簡單；不需要拆除轉(zhuǎn)轍機(jī)等設(shè)備；能適用于對多種道岔及部分滿足條件的隧道橋梁進(jìn)行清篩作業(yè)。

3 側(cè)切式清篩機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

3.1 線路適應(yīng)性參數(shù)

適用鋼軌：50kg/m、60kg/m、75 kg/m

軌距：1435 mm

線路最大坡度：30‰

最小運(yùn)行半徑：180 m 最小作業(yè)半徑：250 m

最大軸重：≤23 t最大聯(lián)掛運(yùn)行速度：100 km/h

最大自行速度： 80 km/h

3.2 作業(yè)環(huán)境條件

海拔高度：≤2 000 m 環(huán)境溫度：-10～50℃；

相對濕度：≤95%

3.3 結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

輪徑：Ф840 mm轉(zhuǎn)向架中心距：20 900 mm；

轉(zhuǎn)向架軸距： 1 350 mm

車鉤高度 （距軌面）：（880±10）mm；

整車尺寸（長寬高）：29 400×3 370×4 760 mm

整備質(zhì)量：（109±2.5）t；

發(fā)動機(jī)型號：CAT C18；

水冷發(fā)動機(jī) 額定功率：522 kW；

制動性能：在平直線路上，以80 km/h速度運(yùn)行時(shí)，單機(jī)緊急制動距離不大于630 m，制動時(shí)不擦傷車輪。

3.4 作業(yè)性能參數(shù)

挖掘斗輪最大挖掘?qū)挾龋?距軌道中心線（單側(cè)）2 500 mm；

挖掘斗輪最大挖掘深度：軌面下850 mm；

挖掘斗輪轉(zhuǎn)速：≤11 r/min：

側(cè)切刀板挖掘鏈線速度：0～3.1 m/s，可無極調(diào)速

污土拋射距離：距軌道中心≥5500 mm

振動篩振頻：16Hz±1Hz

篩分潔度：≥97%

篩分效率：300 m3/h

4 主要部件

側(cè)切式清篩機(jī)主要由車架、動力傳動裝置、工作裝置、制動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成（見圖1）。

圖1 CQS-300側(cè)切式清篩機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

4.1 車架及車鉤

車架采用材料為Q345D的H型鋼和鋼板焊接而成，該車架通過有限元分析計(jì)算優(yōu)化結(jié)構(gòu)、靜強(qiáng)度試驗(yàn)、動應(yīng)力試驗(yàn)，滿足TB/T 1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》要求。車鉤采用帶緩沖裝置的6G大擺角車鉤，以滿足長中心距車輛過曲線的需求。

4.2 司機(jī)室

該車的司機(jī)室主要由司機(jī)室、空調(diào)、減震器、雨刮器等組成。司機(jī)室各板壁采用復(fù)合式大板制作技術(shù)，確保了司機(jī)室的保溫和降噪性能。司機(jī)室用減震器與車架連接，保證了操作人員的舒適性。

4.3 轉(zhuǎn)向架

該轉(zhuǎn)向架根據(jù)側(cè)切式清篩機(jī)高速走行、作業(yè)走行和連掛的要求，在以往成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)而成。轉(zhuǎn)向架由整體焊接構(gòu)架、液力驅(qū)動裝置及其吊掛裝置、軸箱彈簧懸掛裝置、主動輪對、從動輪對、常接觸式彈性旁承、球面心盤、單元制動器及非接觸式列車軸端光電速度傳感器等組成。委托西南交通大學(xué)對側(cè)切式清篩機(jī)轉(zhuǎn)向架性能分析，結(jié)論為：整機(jī)的動力學(xué)性能符合GB/T 17426-1998《鐵道特種車輛和軌行機(jī)械動力學(xué)性能評定及試驗(yàn)方法》的要求，并在動力學(xué)試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

4.4 動力傳動系統(tǒng)

側(cè)切式清篩機(jī)動力傳動系統(tǒng)采用了靜液壓傳動方案，系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)、分動齒輪箱及液壓馬達(dá)、液壓泵、車軸齒輪箱等組成。發(fā)動機(jī)為動力傳動系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)速和扭矩輸出，通過分動齒輪箱進(jìn)行分配，增加輸出、調(diào)配傳動比，按需要將動力提供給各工作機(jī)構(gòu)、驅(qū)動輪等。其傳動示意圖如圖2所示。

圖2 動力傳動示意圖

4.5 工作裝置

側(cè)切式清篩機(jī)工作裝置由挖掘裝置、振動篩、儲運(yùn)裝置和輸送裝置組成。

挖掘裝置由挖掘斗輪和側(cè)切刀板組成。挖掘斗輪左右橫移挖掘道床邊坡，側(cè)切刀板挖掘枕底道砟。該挖掘裝置采用側(cè)切刀板挖掘底切方式切入枕底，挖出枕底道砟，通過斗輪挖掘、提升并輸送的原理進(jìn)行工作，挖掘裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 挖掘裝置結(jié)構(gòu)示意圖

作業(yè)時(shí)，放下挖掘斗輪挖掘道床邊坡，當(dāng)斗輪向下切入深度足以放下刀板時(shí)，斗輪一邊切入、一邊向外橫移，然后將刀板放下，擺動油缸推動刀板裝置向枕底方向慢慢切入并挖掘枕底道砟；結(jié)束清篩作業(yè)時(shí)，刀板擺動油缸先將刀板向外回轉(zhuǎn)90°撤出枕底，然后與斗輪裝置一起提升到收車位置。挖掘裝置工作位和收車位如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖4 挖掘斗輪挖掘位

圖5 側(cè)切刀板放下位

圖6 挖掘裝置工作位

圖7 挖掘裝置收車位

振動篩主要由框架、篩網(wǎng)、驅(qū)動裝置、支撐裝置組成，負(fù)責(zé)清篩從道床挖掘出來的道砟。振動篩結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8 振動篩結(jié)構(gòu)示意圖

輸送裝置主要由橫向輸送帶、混砟帶、主污土帶、旋轉(zhuǎn)拋帶、回填帶組成。挖掘裝置提升的石砟通過橫向輸送帶輸入混砟帶，經(jīng)振動篩篩分后潔砟通過回填帶回填道床；篩分后的污土經(jīng)主污土帶送至旋轉(zhuǎn)拋帶后將污土拋出道床外。輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖9，石砟流向示意圖見圖10。

圖9 輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 石砟流向示意圖

儲運(yùn)裝置主要由分砟器、儲運(yùn)箱和落砟斗組成。它是CQS-300側(cè)切式清篩機(jī)篩分道砟回填系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，設(shè)置在振動篩清潔道砟出口下方、回填帶上部。分砟器緊接振動篩清潔道砟出口，其功能有兩個(gè)：

①用于將振動篩清潔道砟出口的來料送入儲運(yùn)箱；

②將道砟導(dǎo)流進(jìn)落砟斗后進(jìn)入回填帶。儲運(yùn)箱用于作業(yè)開始時(shí)臨時(shí)儲存一部分道砟，在作業(yè)完后回填至道床，使線路起始不堆砟，結(jié)束不缺砟，大大減少了人工輔助的勞動量與勞動強(qiáng)度，同時(shí)減少了作業(yè)前準(zhǔn)備時(shí)間和收車輔助時(shí)間，提高了天窗利用率。落砟斗用于導(dǎo)流從分砟器和儲運(yùn)箱送來的道砟，然后按照兩邊不同的比例量送入左右回填帶，以滿足左右兩邊不同道砟回填量的需要。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。

4.6 液壓系統(tǒng)

側(cè)切式清篩機(jī)液壓系統(tǒng)由開環(huán)控制的多個(gè)工作子系統(tǒng)和閉環(huán)控制的高速走行、作業(yè)走行、斗輪挖掘子系統(tǒng)組成。其中高速走行子系統(tǒng)和斗輪挖掘子系統(tǒng)由同一組泵在高速走行和斗輪挖掘來回轉(zhuǎn)換供油,實(shí)現(xiàn)一個(gè)泵控制兩個(gè)主系統(tǒng)，這樣可以降低整車的制造成本。另外多個(gè)工作子系統(tǒng)采用負(fù)載敏感變量泵和負(fù)載傳感多路閥控制，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)泵滿足多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)工作，而且每一路執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量和壓力互不影響。使用了該控制方式可使系統(tǒng)流量和壓力與系統(tǒng)所需達(dá)到最佳匹配要求，提高液壓系統(tǒng)效率，減少系統(tǒng)發(fā)熱。

圖11 儲運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4.7 電氣系統(tǒng)

側(cè)切式清篩機(jī)電氣系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整機(jī)各個(gè)子系統(tǒng)的控制以及信號的處理和顯示，按照系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能可分為以下子系統(tǒng)：

①電源供給系統(tǒng)；

②柴油機(jī)控制系統(tǒng)；

③照明系統(tǒng)；

④信號系統(tǒng)；

⑤輔助設(shè)備控制系統(tǒng)；

⑥通話系統(tǒng)；

⑦空氣干燥系統(tǒng)；

⑧走行控制系統(tǒng)；

⑨作業(yè)控制系統(tǒng)；

⑩顯示監(jiān)視、警報(bào)系統(tǒng)。

電氣系統(tǒng)由3臺高性能工業(yè)觸摸屏、1個(gè)主站加1個(gè)智能從站（帶以太網(wǎng)口的高性能PLC及本地I/O組成）、1臺交換機(jī)組成。其中主站和智能從站共帶5個(gè)從站（由PN BK耦合器及遠(yuǎn)程I/O組成）。系統(tǒng)用PLC編程控制。其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖12所示。

圖12 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.8 氣動及制動系統(tǒng)

側(cè)切式清篩機(jī)氣動系統(tǒng)主要對挖掘斗輪和旋轉(zhuǎn)拋帶鎖定與解鎖、風(fēng)喇叭的控制；制動系統(tǒng)采用成熟的YZ-1D型電控制動機(jī)，而且在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了旁路制動系統(tǒng)，增加了行車安全性。

5 作業(yè)流程

以邯鄲肥鄉(xiāng)站道岔施工為例，對側(cè)切式清篩機(jī)的作業(yè)流程進(jìn)行說明。

根據(jù)在邯鄲肥鄉(xiāng)站道岔線路情況，作業(yè)前制定出施工模式，作業(yè)中按施工模式進(jìn)行施工，其施工作業(yè)流程如下：

（1）使用右側(cè)斗輪挖掘出刀板進(jìn)入枕底的工作坑如圖13所示。

圖13工作坑挖掘示意圖

各工作裝置解鎖用時(shí)5 min，右側(cè)斗輪挖掘出刀板進(jìn)入枕底的工作坑長5.3 m，用時(shí)5 min，共計(jì)用時(shí)10 min。

（2）放置刀板和起道裝置，切入枕底如圖14所示。

圖14 刀板切入枕底示意圖

將刀板放入工作坑，解鎖起道裝置，將起道裝置置于工作狀態(tài)，切入枕底總計(jì)用時(shí)10 min。

（3）挖掘完成整組道岔，如圖15所示。

圖15 枕底挖掘示意圖

總計(jì)挖掘用時(shí)30 min。

（4）收車。

右側(cè)刀板反向退出枕底，儲運(yùn)斗石砟回填道床，用時(shí)5 min；收各工種裝置，用時(shí)5 min，總計(jì)10 min。

綜上，整組第32號道岔完成挖掘，總計(jì)用時(shí)60 min。

6 樣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

側(cè)切式清篩機(jī)樣機(jī)幾次作業(yè)試驗(yàn)后，針對發(fā)現(xiàn)的問題，對工作裝置進(jìn)行了如下優(yōu)化設(shè)計(jì)：

（1）挖掘斗輪優(yōu)化：在挖掘斗輪側(cè)擋板上加工缺口，使側(cè)面的道砟能進(jìn)入挖掘斗，提高了斗輪上砟效率，如圖16所示。

圖16 挖掘斗輪優(yōu)化示意圖

（2）挖掘斗輪限位板的優(yōu)化：整改前斗輪限位板沒有滾輪，斗輪升降困難。在斗輪限位板上加裝了滾輪，使滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，改善了斗輪升降能力，如圖17所示。

圖17 挖掘斗輪限位板優(yōu)化示意圖

（3）提軌裝置的優(yōu)化：原第三軌輔助提軌裝置對稱布置在車體左右兩側(cè)，作業(yè)時(shí)只對第三軌進(jìn)行提軌，不能有效改善道岔道床的下沉。優(yōu)化整改后的提軌裝置安裝在車體中心線位置，作業(yè)時(shí)對整個(gè)道床進(jìn)行提軌，減小道岔道床鋼軌的下沉量及側(cè)切刀板挖掘阻力，提高了側(cè)切刀板的挖掘效，改善了道床的回填效果，如圖18所示。

圖18 提軌裝置優(yōu)化示意圖

7 結(jié)語

2017年1月至2017年12月，我公司根據(jù)側(cè)切式清篩機(jī)型式試驗(yàn)大綱的要求，在廠區(qū)和昆明鐵路局管內(nèi)線路進(jìn)行了各項(xiàng)功能的試驗(yàn),其各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。2017年12月，該車通過了中國鐵路總公司科技和信息化部會同工電部在北京組織召開的“CQS-300側(cè)切式清篩機(jī)”試用評審會。2020年10月發(fā)運(yùn)給用戶進(jìn)行運(yùn)用考核。2020年11月在邯濟(jì)鐵路公司肥鄉(xiāng)站施工了三組道岔，在不拆穿任何鐵路線路設(shè)備的情況下，60分鐘清篩完一組9號道岔。2021年3月，在濟(jì)南鐵路局集團(tuán)公司大機(jī)基地操作培訓(xùn)并作業(yè)了4天，用戶對該機(jī)的施工模式和作業(yè)效果比較滿意，計(jì)劃在4月后繼續(xù)對道岔進(jìn)行清篩作業(yè)。