無(wú)砟軌道打磨鐵屑清理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王凱旋， 劉旭東， 周勇漢， 徐照新， 董國(guó)慶

（1.中車(chē)山東機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，濟(jì)南 250000；2.烏魯木齊城市軌道集團(tuán)有限公司，烏魯木齊 830000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市出現(xiàn)抱團(tuán)發(fā)展趨勢(shì)，城市之間的客運(yùn)壓力逐漸增加，因此修建了更多的高速鐵路和城際客專(zhuān)用于緩解交通壓力。繁重的運(yùn)輸任務(wù)加劇了鐵軌的損傷，對(duì)鐵路的預(yù)防性和修復(fù)性打磨作業(yè)頻率也隨之增加。鋼軌打磨產(chǎn)生的鐵屑如果不及時(shí)清理或者清理不徹底，會(huì)對(duì)軌道車(chē)輛和線(xiàn)路設(shè)備產(chǎn)生不利影響。目前對(duì)于打磨鐵屑的清理，仍然采用人工來(lái)完成，人工清理不僅效率低下、清理效果不夠理想，而且還存在一定的人員安全隱患。如果能將電磁鐵用于打磨鐵屑的清理，不僅能夠降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短作業(yè)時(shí)間，還消除了對(duì)于清理人員存在安全隱患的弊端。

1 打磨鐵屑形狀及清理方式研究

鋼軌打磨車(chē)在鋼軌打磨過(guò)程中，高速旋轉(zhuǎn)的砂輪與鋼軌軌頭接觸，并且以一定的速度延線(xiàn)路方向行駛。砂輪對(duì)鋼軌切削產(chǎn)生細(xì)小高溫碎鐵屑的直徑尺寸遠(yuǎn)小于1 mm[1]。部分高溫鐵屑積結(jié)一起形成鐵屑板結(jié)物，通過(guò)對(duì)鐵屑板結(jié)物的現(xiàn)場(chǎng)采集，厚度尺寸主要集中在在3～5 mm之間，如圖1、圖2所示。

圖1 鋼軌打磨遺留鐵屑

圖2 鋼軌打磨遺留鐵屑分布

通過(guò)實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前工務(wù)段多采用人工方式清理鐵屑。當(dāng)鋼軌打磨車(chē)回程打磨時(shí)，打磨車(chē)位于作業(yè)線(xiàn)路中間段停車(chē)，作業(yè)人員下車(chē)并分成兩組向兩個(gè)方向分別作業(yè)。作業(yè)人員分別兩人一組，攜帶鼓風(fēng)機(jī)、汽油、滅火器等設(shè)備進(jìn)行清理作業(yè)，如圖3所示。作業(yè)人員通過(guò)攜帶的鼓風(fēng)機(jī)將散落在道床及扣件區(qū)域的鐵屑吹離至鋼軌兩側(cè)，如圖4所示。

圖3 作業(yè)人員攜帶設(shè)備

圖4 作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

采用人工清理打磨鐵屑存在著諸多弊端：清理作業(yè)時(shí)相鄰線(xiàn)路仍會(huì)有列車(chē)通過(guò)，對(duì)作業(yè)人員的人身安全產(chǎn)生威脅；人工清理作業(yè)效率比較低，并且作業(yè)效果無(wú)法得到保證。因此使用機(jī)械化設(shè)備代替人工清理不僅提高了作業(yè)效率，更能保證作業(yè)效果，降低人工成本。

2 鐵屑清理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)掛載于軌道工程車(chē)的可以用于無(wú)砟軌道的鐵屑清理系統(tǒng)，不僅能夠吸附收集鐵屑，還能將被吸附的鐵屑移動(dòng)到專(zhuān)門(mén)的鐵屑收集箱中進(jìn)行存儲(chǔ)，到達(dá)指定位置后進(jìn)行卸除。每輛軌道工程車(chē)可以?huà)燧d2個(gè)鐵屑清理系統(tǒng)用于清理作業(yè)，如圖5所示。

圖5 鐵屑清理系統(tǒng)作業(yè)示意圖

鐵屑清理系統(tǒng)主要包括鐵屑清理部件、吹風(fēng)機(jī)構(gòu)、鐵屑收集部件等部分，如圖6所示。圖6中連接部件1與車(chē)體底架焊接，與鐵屑清理系統(tǒng)之間通過(guò)螺栓連接；鐵屑清理部件2包括可循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的傳送帶，傳送帶的上下兩側(cè)面之間設(shè)置電磁產(chǎn)生機(jī)構(gòu)；吹風(fēng)機(jī)構(gòu)3安裝于鐵屑清理部件的一側(cè)，以吹起無(wú)砟軌道處的鐵屑，由電磁產(chǎn)生機(jī)構(gòu)將吹起的鐵屑吸附于傳送帶；安裝框架4用于支撐固定各部件；鐵屑收集部件5安裝于傳送帶相對(duì)于吹風(fēng)機(jī)構(gòu)的另一側(cè)，傳送帶由下至上帶動(dòng)鐵屑運(yùn)動(dòng)，并送于鐵屑收集部件。圖7為系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造圖，其中永磁滾軸1用于輔助吸附鐵屑；鐵屑收集箱5由滑軌與鐵屑收集箱組成。

圖6 鐵屑清理系統(tǒng)示意圖

圖7 內(nèi)部構(gòu)造圖

鐵屑清理系統(tǒng)工作原理：由吹風(fēng)機(jī)構(gòu)吹起無(wú)砟軌道鋼軌處的鐵屑，避免扣件區(qū)域鐵質(zhì)零件對(duì)鐵屑清理的影響，保證鐵屑被吹起，然后再由鐵屑收集部件將鐵屑吸附于傳送帶的下表面，傳送帶在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，帶動(dòng)鐵屑運(yùn)動(dòng)，并將收集的鐵屑送于鐵屑收集部件內(nèi)完成收集，通過(guò)鐵屑收集部件可對(duì)鐵屑進(jìn)行集中處理。

3 鐵屑在外加磁場(chǎng)中的受力分析

當(dāng)打磨鐵屑位于外加磁場(chǎng)時(shí)，其首先會(huì)被磁化，因而具有磁化能和磁化力,磁化能計(jì)算公式為

以CRTSⅡ型板為例，軌頂距道床面距離為249 mm，下部限界距軌頂最小距離為60 mm，即電磁鐵距離鐵屑最小距離為309 mm[4]。目前應(yīng)用于除鐵操作的直流電磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度約為0.2 T。

根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，空間中某處的磁場(chǎng)強(qiáng)度與其距離平方成反比，即電磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度在道床處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.078 T，轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)強(qiáng)度則為6.24×104A/m。由圖8高碳鋼磁化曲線(xiàn)[5]可知，此時(shí)鐵屑的磁化強(qiáng)度已達(dá)到飽和。

圖8 高碳鋼磁化曲線(xiàn)圖

本應(yīng)用中，打磨鐵屑所具有的磁化力主要是用來(lái)克服其本身重力，所以在分析打磨鐵屑狀態(tài)時(shí)，只需要考慮磁化力在豎直方向上的受力，即：

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)出了一種以電磁鐵為主要部件的打磨鐵屑清理系統(tǒng)，依據(jù)限界標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出電磁鐵距打磨鐵屑之間的最小安全距離為309 mm，同時(shí)以常見(jiàn)除鐵器電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度0.2 T作為條件，對(duì)道床中的打磨鐵屑進(jìn)行了受力分析，計(jì)算出了當(dāng)前條件下的電磁鐵的初始加速度為4.75 m/s2，進(jìn)而計(jì)算出電磁鐵作業(yè)時(shí)的最快允許速度為20 km/h，通過(guò)推導(dǎo)計(jì)算得出該鐵屑清理系統(tǒng)能夠完成打磨鐵屑的清理工作。