防撞式鐵路整體道床快速起道機的研制

黃殷夫,黃北川,王永義

(廣鐵集團公司懷化工務(wù)段,湖南懷化 418000)

1 研制背景

隨著鐵路運輸事業(yè)的快速發(fā)展,列車運行速度、密度、軸重的不斷增大,加重了軌道負(fù)荷。軌道結(jié)構(gòu)必須具備良好的動力特性和平順性,而軌道的彈性是表征動力特性的重要參數(shù),在頻繁的沖擊載荷作用下,軌道的殘余變形逐步積累,道床不斷下沉,軌枕膠墊加速失效,使軌面平順性受到破壞。整體道床線路維修作業(yè)需不定期抽換失效軌枕膠墊,以保持軌道良好的彈性和平順性,減少列車對道床軌枕的沖擊負(fù)荷,提高旅客列車的舒適度。

(1)由于整體道床軌底空間凈距在20～40 mm,現(xiàn)有的液壓起(撥)道機在整體道床不能使用。

(2)長期以來,在整體道床更換膠墊維修時常常使用撬棍起撬,不但效率低,勞動強度大,需要勞動力多,而且存在嚴(yán)重的人身和行車安全隱患。工務(wù)部門維修人員在抽換膠墊時,需4人用撬棍將鋼軌往上撬起20 mm左右,將失效膠墊抽出,再將新膠墊推進去。在取放膠墊時手指必須進入軌底與軌臺間隙進行校對,一旦撬棍打滑或用力不一致就有壓傷手指的事故發(fā)生。

(3)《鐵路工務(wù)安全規(guī)則》第2.1.10條規(guī)定線路維修作業(yè)單邊連續(xù)松開扣件不能超過7個枕木頭。用4根撬棍把60 kg/m以上鋼軌在松開7個枕木頭的長度范圍內(nèi),向上提升20 mm這是非常困難的,而且很容易滑脫壓傷手指。所以在作業(yè)中實際松開扣板的數(shù)量超過7塊,違反了《鐵路工務(wù)安全規(guī)則》,給行車安全造成較大的安全隱患。

為適應(yīng)整體道床線路維護的需要,確保安全生產(chǎn),加快該類起道機研制是擺在工務(wù)部門的重要攻關(guān)課題。

2 研究目的

2.1 機具小型輕便化

機具總質(zhì)量控制在13 kg范圍內(nèi),與現(xiàn)有液壓起道機相比,質(zhì)量減輕1倍多。方便現(xiàn)場工人操作和攜帶。

2.2 上道防撞功能

起道機的總體高度設(shè)計為186 mm,鋼軌60 kg/m鋼軌最大高度為175 mm,而該起道機設(shè)計L形齒條勾部到頂部(機具)高度為173 mm,起道機無論處于何種工作狀態(tài),始終保證不侵入機車車輛限界,現(xiàn)場來車時即使置于鋼軌軌底不能及時撤出線路,也不至于被撞上,安全可靠。

2.3 操作安全性能

列車速度提高,密度加大,必須確保安全,所以其工作和非工作狀態(tài)時必須不侵入機車車輛限界,機具外形結(jié)構(gòu)尺寸低于鋼軌軌面。

2.4 起道快捷

機具設(shè)計的單步進給不小于7 mm,滿足現(xiàn)場快速起道要求。

3 研制總體思路

3.1 工作原理

利用作業(yè)者的臂力(約500 N),通過杠桿原理,作用力傳動到偏心搖臂,搖臂帶動下部頂齒,頂齒再驅(qū)動齒條垂直位移,實現(xiàn)鋼軌垂直位移。設(shè)計最大偏心進給達到10 mm,正常作業(yè)位搖臂一次設(shè)計進給為7.5 mm,大于齒條齒間距,而L形齒條的齒間距設(shè)計為7 mm,剛好滿足1個齒的進給量,在回位彈簧的作用下,上部掛齒自動回位剛好掛住L形整體齒條3個鋸齒,在第二次頂齒工作1個齒位時,上部掛齒自動脫鉤一個齒并自動回位掛好齒條,依次循環(huán),滿足軌道起道要求。

3.2 主要技術(shù)參數(shù)

(1)最大頂舉力:150 kN；

(2)最大鉤舉力:100 kN；

(3)起重升程:100 mm；

(4)齒條鉤面至機具底座最小高度:20 mm；

(5)杠桿(撬棍)長度:1.4 m(外套絕緣套)；

(6)整機外型輪廓尺寸：(長×寬×高)195 mm×135 mm×186 mm；

(7)整機質(zhì)量:13 kg；

(8)搖臂往復(fù)一次升程:7 mm；

(9)杠桿力臂比：1∶150；

(10)快速卸荷時間不大于3 s。

3.3 機械性能

液壓起道機具質(zhì)量大,攜帶很不方便；同時密封件壽命周期短,現(xiàn)場維修很不方便等。結(jié)合設(shè)計和工藝要求,確定采用機械傳動中齒條和棘輪進給傳動,優(yōu)化設(shè)計并組織精細(xì)加工,確保配件互換性良好。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 滿足軌底最小間距要求

機具底座和L形齒條鑲嵌在一起,總厚度不大于20 mm。齒條端部的鉤舌能順利伸進軌底,滿足強度要求。考慮到理論設(shè)計和現(xiàn)場實際情況,道床面與鋼軌軌底間距一般在20～40 mm,在確保齒條鉤部強度的條件下,選擇鉤部截面積為40 mm×20 mm(寬×厚)。

4.2 起道高度(非工作狀態(tài))要求

目前正線60 kg/m鋼軌的高度為176 mm,75 kg/m鋼軌的高度為192 mm,以60 kg/m鋼軌的高度176 mm為設(shè)計依據(jù),計算軌底最小軌底間距20 mm,根據(jù)《鐵路工務(wù)安全規(guī)則》第2.6.7條規(guī)定,機具還有25 mm的預(yù)留空間,所以起道機的整體高度不應(yīng)超過176+20+25=221 mm,綜合考慮各方面因素,以機具在非工作狀態(tài)下的高度186 mm為設(shè)計依據(jù),滿足使用過程中不侵入限界要求。由于齒條跟部與鋼軌軌底升降是同步的,其工作過程中始終不侵入機車車輛限界。

4.3 操作力臂比設(shè)定

齒條受力：60 kg/m鋼軌在松開7塊扣件,把鋼軌軌底抬高24 mm,保留估算所需的作用力為70 kN左右。考慮到結(jié)構(gòu)尺寸,偏心搖臂的偏心距設(shè)計為10 mm,搖臂長度為1 500 mm,力臂比L∶R=1 500∶10=150∶1,忽略摩擦阻力,作業(yè)者需作用力F=70×1/150≈0.47 kN。

通過計算,最大作用力一般小于0.5 kN,在實際操作過程中,整體道床更換膠墊時的起道高度不會超過24 mm,所以,實際操作力比計算還要小得多,操作起來非常輕便。

4.4 起重L形齒條結(jié)構(gòu)強度受力分析

4.4.1 L形齒條承力座板的強度計算

L形齒條的整體高度為190 mm,勾部厚度設(shè)計為20 mm,寬度為40 mm,鉤部的橫截面積為F=20×40=800 mm2,長度L=50 mm,ZG50的[σb]=627 MPa，設(shè)計承受的起重重力F1=100 kN,作用在L/2=25 mm處。

建立剪應(yīng)力方程：

橫截面受到的剪切應(yīng)力Q=F1/A=125 MPa<[σb]=627 MPa滿足剪切強度極限要求。在中性軸上受到的最大剪應(yīng)力τmax=3Q/2A=187.5 MPa,符合強度要求。L形齒條具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 L形齒條結(jié)構(gòu)尺寸(單位：mm)

4.4.2 鋸齒齒條齒的力學(xué)計算

根據(jù)齒條的參數(shù),齒高f=5 mm,齒厚e=3 mm,齒寬b=40 mm,齒型角α=45°,齒間距w=7 mm,每次嚙合的齒數(shù)n=3個,平均分布到每個齒上的最大力F=34 kN。

單個齒的力學(xué)強度計算：在齒輪的齒厚處的截面積s=3×40=120 mm2

在其中性面上受到的應(yīng)力為

Q齒=F/S=283 MPa

Q齒<[σb]=627 MPa

齒條齒輪滿足強度極限要求。

機具結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 機具結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

5 使用情況及經(jīng)濟(社會)效益

該起道機自2006年9月以來已投入到懷化工務(wù)段銀匠界隧道整體道床(4 550 m)和張家界工務(wù)段牛角山隧道整體道床(長度4 338 m)、江底坳隧道整體道床(長度3 631.8 m)、燕子巖隧道整體道床(長度3 312.85 m)使用。其技術(shù)指標(biāo)達到設(shè)計要求,受到現(xiàn)場職工一致好評,技術(shù)經(jīng)濟效益明顯。

安全效益：該起道機的整體結(jié)構(gòu)尺寸較小,總體高度設(shè)計為186 mm,工作時機具頂部總是低于軌面2 mm,起道機無論處于何種工作狀態(tài),始終保證不侵入機車車輛限界,即使置于鋼軌軌底來不及撤出線路,也不至于被撞上,安全可靠。由于機具的可靠性,更換膠墊時不會有擠壓手腳的事故發(fā)生,比使用撬棍更安全可靠。

經(jīng)濟效益：經(jīng)濟省力,原更換膠墊需松開12根水泥枕螺栓螺母,用4根撬棍同時起橇,而用該起道機只需松開6根混凝土枕螺栓螺母,一個人操作機具可達到相同效果。原更換膠墊作業(yè)需5個人,現(xiàn)只要2個人,節(jié)省了一半以上勞動力,方便快捷。

6 結(jié)語

該整體道床快速起道機具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定、安全省力、工作效率高、維護方便等特點。本機具零配件全部按國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計規(guī)范設(shè)計,提高了零配件的通用性和互換性,便于養(yǎng)護維修。填補了目前整體道床維修養(yǎng)護無專用起道機的空白。根據(jù)無砟軌道、寬枕板道床的結(jié)構(gòu)特點,可進一步修正其機座底板尺寸,將有更大的推廣使用范圍。

[1]王先逵.機械制造工藝學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.

[2]劉爽等.養(yǎng)路機械(鐵路工務(wù)技術(shù)手冊)[M].北京：中國鐵道出版社，1988.

[3]鐵道部第一工程局.鐵路工程施工技術(shù)手冊(軌道)[M].北京：中國鐵道出版社，2000.

[4]陳蘭芬.機械工程材料與熱加工工藝[M].北京：機械工業(yè)出版社，1985.

[5]楊可楨，等.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，1988.