線路維修多功能機(jī)械的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及優(yōu)化改進(jìn)

李勇

摘要：中國(guó)鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所為實(shí)現(xiàn)鐵道工務(wù)線路中小型機(jī)械化換枕而研制了線路維修多功能機(jī)械。針對(duì)該機(jī)械在吐魯番站貨場(chǎng)專用線現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)暴露出的問(wèn)題，采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提升材質(zhì)、完善功能等方式對(duì)整機(jī)進(jìn)行了升級(jí)改造，進(jìn)一步提升了該機(jī)械的適用性，使其更加符合現(xiàn)場(chǎng)維修作業(yè)的需要。

Abstract： The Research Institute of Science and Technology of China Railway Urumqi Bureau Group Co. ， Ltd. has developed a multi-function machine for railway maintenance in order to realize the small and medium-sized mechanical replacement of railway track. In view of the problems exposed during the field test of the machine on the special line for the Turfan Station freight yard， the whole machine was upgraded by means of optimizing its structure， upgrading its material quality and perfecting its functions， so as to further enhance its applicability， to make it more in line with the needs of field maintenance operations.

關(guān)鍵詞：鐵道;線路維修;機(jī)械;應(yīng)用;優(yōu)化改進(jìn)

Key words： railroad track;line maintenance;machinery;applications;optimization and improvement

中圖分類號(hào)：U216.61? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0079-02

0? 引言

中國(guó)鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱烏局科研所）為解決鐵道工務(wù)線路人工換枕作業(yè)人數(shù)多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低等問(wèn)題而研發(fā)了線路維修多功能機(jī)械[1]（以下簡(jiǎn)稱多功能機(jī)械）。多功能機(jī)械以日立ZX-130W型輪式挖掘機(jī)為原型，通過(guò)加裝扒砟板、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、夾枕裝置、防傾覆裝置、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等部件[2]，將其改造成可實(shí)施鐵道工務(wù)線路灰枕更換、道床整形等維修作業(yè)的工程機(jī)械（如圖1所示）。該機(jī)械初步研制完成后，對(duì)加裝部件進(jìn)行了簡(jiǎn)單的動(dòng)作試驗(yàn)，部件預(yù)設(shè)功能都得以實(shí)現(xiàn)。隨后，該機(jī)械在吐魯番站貨場(chǎng)專用線進(jìn)行了上下鋼軌、彎道行駛及整套換枕作業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，該機(jī)械暴露出損傷灰枕等問(wèn)題。為此，烏局科研所技術(shù)人員積極研究問(wèn)題的解決辦法，對(duì)該機(jī)械的機(jī)構(gòu)及功能進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)，使其工作性能進(jìn)一步符合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用。

1? 試驗(yàn)過(guò)程中暴露出的問(wèn)題

①夾枕裝置夾頭有時(shí)夾不緊灰枕，出現(xiàn)了灰枕松脫、滑落。②該機(jī)械加裝的后導(dǎo)向輪油管在上下鋼軌時(shí)，與鋼軌發(fā)生過(guò)度擠壓，出現(xiàn)了油管破損。③該機(jī)械加裝的前導(dǎo)向輪輪軸（直徑100mm）在整機(jī)橫向移動(dòng)上下鋼軌時(shí)中出現(xiàn)了過(guò)載斷裂。④扒砟板無(wú)拋（棄）土功能，無(wú)法將渣土拋（棄）至線路外側(cè)。

2? 問(wèn)題的原因分析及改進(jìn)方案

2.1 夾枕裝置夾頭有時(shí)夾不緊灰枕的原因分析

①多數(shù)鐵道工務(wù)線路道床為石砟道床，清潔狀態(tài)較好;而吐魯番站貨場(chǎng)專用線道床則為渣土道床，渣土結(jié)塊且多。由于夾枕裝置夾頭表面的防滑槽深度過(guò)淺且寬度過(guò)窄，易被渣土等粘連物填平，從而導(dǎo)致夾頭摩擦力減小。②夾頭材質(zhì)強(qiáng)度不足，在高頻次使用條件下，夾頭防滑槽易出現(xiàn)變形、磨損，出現(xiàn)防滑失效。

改進(jìn)方案：通過(guò)提高接觸面靜摩擦系數(shù)以增大夾頭表面與灰枕間的摩擦力。因橡膠類復(fù)合材料耐用度差，便對(duì)夾頭表面防滑槽結(jié)構(gòu)和材質(zhì)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。增大夾頭防滑槽的寬度和深度;對(duì)夾頭進(jìn)行淬火、回火熱處理，以提高夾頭的硬度并降低脆性;從而提升夾頭的防滑性及耐磨性。

2.2 多功能機(jī)械在上下鋼軌時(shí)出現(xiàn)擠壓后導(dǎo)向輪油管的原因分析

鋼軌上表面高于軌枕表面約180mm，該機(jī)械通常采用扒砟板前后兩端交替撐地進(jìn)行橫向側(cè)移來(lái)實(shí)現(xiàn)整機(jī)的上下鋼軌。由于后導(dǎo)向輪油管是經(jīng)多功能機(jī)械行走體后部背板下方接入雙向液壓鎖的，當(dāng)扒砟板撐地將多功能機(jī)械前輪支起且后導(dǎo)向輪油管路恰好處于鋼軌上方時(shí)，隨著前輪支起的高度上升，后部背板的高度將隨之下降。當(dāng)后輪所處道床路基較為松軟時(shí)，多功能機(jī)械后部下降程度將更大，就會(huì)發(fā)生鋼軌擠壓油管的問(wèn)題。

改進(jìn)方案：受行走體后部背板內(nèi)側(cè)油缸及其他連接構(gòu)件的位置限制，后導(dǎo)向輪油管路徑只能從后部背板下方引出。為最大限度地提升油管高度，在后部背板無(wú)擋礙處向上開槽，且槽口寬度要小于鋼軌軌面寬度。將油管從槽口穿過(guò)，并用銷連接對(duì)其高度進(jìn)行限位，防止油管下墜低于背板下部端面。

2.3 加裝的前導(dǎo)向輪輪軸斷裂的原因分析

①由于缺乏導(dǎo)向輪視頻監(jiān)控設(shè)備，多功能機(jī)械的駕駛員在駕駛室內(nèi)無(wú)法觀察到前、后導(dǎo)向輪的實(shí)際位置。在導(dǎo)向輪未完全收回的情況下，駕駛員便操作整機(jī)橫向側(cè)移進(jìn)行上下鋼軌作業(yè)，從而導(dǎo)致左前導(dǎo)向輪輪軸因承載超限而發(fā)生了斷裂。②前導(dǎo)向輪輪軸強(qiáng)度不夠。設(shè)計(jì)初期只考慮了多功能機(jī)械依靠?jī)?nèi)側(cè)4個(gè)橡膠輪（外側(cè)4個(gè)橡膠輪懸空）承載并驅(qū)動(dòng)整機(jī)在鋼軌上行駛，4個(gè)導(dǎo)向輪只承擔(dān)導(dǎo)向功能。但在現(xiàn)場(chǎng)上下鋼軌試驗(yàn)過(guò)程中，受整機(jī)撐起高度的影響（前導(dǎo)向輪離地最大間隙為280mm，后導(dǎo)向輪離地最大間隙為330mm），前導(dǎo)向輪更容易與鋼軌發(fā)生擠壓接觸。以單個(gè)前導(dǎo)向輪為研究對(duì)象，需分析其在極端承載狀態(tài)下（兩前導(dǎo)向輪和兩內(nèi)側(cè)橡膠輪共同承載整機(jī)質(zhì)量）輪軸危險(xiǎn)截面所承載的載荷及其作用力臂（如圖2所示），按照當(dāng)量彎矩軸徑計(jì)算公式[3]計(jì)算軸的強(qiáng)度是否滿足極限承載要求。

危險(xiǎn)截面臨界軸徑d需滿足：

式中，Me為當(dāng)量彎矩：

[σ-1]為對(duì)稱循環(huán)的許用應(yīng)力，取54N/mm2（45號(hào)鋼）;ɑ為彎矩折算系數(shù)，取ɑ=1（對(duì)稱變化）;

M為計(jì)算截面彎矩：

M=F×L? ? （N.m）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

F為1個(gè)前導(dǎo)向輪承載載荷，取1/4G（按2個(gè)前導(dǎo)向輪與內(nèi)側(cè)2個(gè)橡膠輪承重相同計(jì)算）;

G為多功能機(jī)械重量：

G=mg? ? （N）（4）

多功能機(jī)械質(zhì)量m約為15000kg;g取10N/kg;L為彎矩力臂長(zhǎng)度，取L=300mm;T為截面的轉(zhuǎn)矩，取T=0（軸未轉(zhuǎn)動(dòng)）。

經(jīng)公式（2）、式（3）、式（4）計(jì)算得出Me=11250N.m;將算出的Me帶入公式（1）中，得出前導(dǎo)向輪軸徑d≥127.72mm才能滿足極限狀態(tài)下的承載要求。而前導(dǎo)向輪實(shí)際軸徑為100mm，小于危險(xiǎn)截面的最小軸徑127.72mm，故在彎矩力臂為300mm時(shí)，前導(dǎo)向輪輪軸強(qiáng)度無(wú)法滿足極限承載要求。

改進(jìn)方案：①增設(shè)視頻監(jiān)控設(shè)備。駕駛員借助視頻監(jiān)控設(shè)備可在司機(jī)室內(nèi)實(shí)時(shí)查看導(dǎo)向輪及防傾覆裝置的位置狀態(tài)，輔助駕駛員進(jìn)行合理化操作，避免導(dǎo)向輪超限承載的發(fā)生，提高整機(jī)作業(yè)的安全性。②對(duì)前導(dǎo)向輪軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)加裝連接套，將單軸承載變?yōu)殡p軸聯(lián)合承載（如圖3所示），從而提升軸孔處危險(xiǎn)截面的承載能力;加裝的連接套還可將彎矩力臂外移，將力臂長(zhǎng)度由300mm縮減至120mm。③提升輪軸的材質(zhì)性能。輪軸材質(zhì)用調(diào)質(zhì)42CrMo替代原45號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)42CrMo對(duì)稱循環(huán)的許用應(yīng)力[σ-1]為100N/mm2）。同理，運(yùn)用軸徑計(jì)算公式（1）、式（2）、式（3）、式（4）再次對(duì)前導(dǎo)向輪危險(xiǎn)截面軸徑強(qiáng)度進(jìn)行校核。計(jì)算得出危險(xiǎn)截面軸徑d≥76.64mm，安全系數(shù)取1.2后，d≥91.97mm，而實(shí)際軸徑100mm≥91.97mm，故前導(dǎo)向輪輪軸直徑足以滿足承載要求。

2.4 扒砟板無(wú)拋（棄）土功能原因分析

初始設(shè)計(jì)階段，扒砟板的功能只設(shè)定為推、扒道砟。此次試驗(yàn)的吐魯番站貨場(chǎng)專用線為渣土道床，換枕后要鋪設(shè)新道砟。受扒砟板扒砟面及推砟面都是垂直平面的限制，換枕作業(yè)過(guò)程中會(huì)將渣土推、扒到新道砟中，造成新石砟道床污染。

改進(jìn)方案：對(duì)原扒砟板結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)改造。在原扒砟板的扒砟面開方孔（如圖4所示），以扒砟板推砟面的加強(qiáng)筋板為側(cè)板，加焊鋼板（如圖5所示），形成具有盛裝渣土的腔體，借助多功能機(jī)械上部機(jī)體的旋轉(zhuǎn)，可將渣土拋（棄）至線路外側(cè)。

3? 結(jié)束語(yǔ)

線路維修多功能機(jī)械經(jīng)過(guò)上述結(jié)構(gòu)及功能的優(yōu)化改進(jìn)后，更加符合了現(xiàn)場(chǎng)客觀條件下?lián)Q枕作業(yè)的需要。后續(xù)，該機(jī)械還將在多種線路路況下進(jìn)行換枕試驗(yàn)，以檢驗(yàn)整機(jī)的安全性、適應(yīng)性、穩(wěn)定性及可靠性。通過(guò)不斷的試驗(yàn)，持續(xù)性改進(jìn)，不斷完善其使用性能，努力將其打造成一款成熟的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：

[1]烏魯木齊鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所.鐵道工務(wù)線路維修多功能裝置[P].中國(guó)：201721261731.7，2018-9-4.

[2]王曉偉，張青，等.液壓挖掘機(jī)構(gòu)造與維修手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2018：46-73.

[3]蔡春源.新編機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1993：611-625.