高速鐵路鋼軌軌面清掃及缺陷檢測車設(shè)計(jì)

宋天琦，鄒小龍，廖美蕓

（華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，選擇更安全、更便捷、更環(huán)保的出行方式，讓人們對交通工具的質(zhì)量提出了更高的要求，因此作為現(xiàn)代化交通運(yùn)輸工具產(chǎn)物的高速鐵路，在眾多客運(yùn)方式中占據(jù)了重要地位。截止2020年底，我國鐵路營業(yè)總里程達(dá)到14.6 萬km，覆蓋大約99%的20萬人口及以上城市。在我國北方的部分地區(qū)如東北、華北等，冬季存在較長的冰雪期，許多列車運(yùn)行區(qū)段由于下雪或風(fēng)吹雪等自然天氣造成道床積雪和線路掩埋，且由于氣溫較低，積雪可長達(dá)數(shù)十天至數(shù)月不融。鐵路線路是鐵路運(yùn)輸業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備，需要較高標(biāo)準(zhǔn)和精度保證列車實(shí)現(xiàn)高速安全運(yùn)行。如果不及時清掃積雪，會造成列車降速、停運(yùn)，甚至脫軌，道砟或道床縫隙內(nèi)冰雪的膨脹會使線路變形導(dǎo)致鋼軌不平或扭曲，對行車安全造成隱患[1]。因此需要工務(wù)部門隨時準(zhǔn)備除雪應(yīng)急作業(yè), 隨著我國高寒雪區(qū)鐵路運(yùn)營里程的延長，工務(wù)部門對軌面進(jìn)行檢測及清理的任務(wù)量日益加劇。

目前國內(nèi)除少數(shù)作業(yè)區(qū)段擁有尚未成熟的清理設(shè)備，大部分鋼軌清理任務(wù)仍是人工完成。由于傳統(tǒng)人工方式的單一性和局限性，依靠自動化機(jī)械設(shè)備作業(yè)迫在眉睫[2]。2016年我國研制出首臺大型養(yǎng)護(hù)機(jī)械GCX-1000型軌道高速鐵路鋼軌軌面清掃車，GCX-1000型軌道高速鐵路鋼軌軌面清掃車車體配備滾刷式拋雪機(jī)除雪鏟、吹雪風(fēng)機(jī)等除雪裝置，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜表面的除雪技術(shù)、應(yīng)答器位置處的吹雪技術(shù)、低溫冷啟動關(guān)鍵技術(shù)，行進(jìn)間可以清除線路內(nèi)積雪，除雪的寬度達(dá)到2.6 m左右，拋雪距超過15 m，能夠同時滿足普速線路和高鐵線路的除雪要求[3-4]。但由于此型號的除雪作業(yè)車的除雪鏟構(gòu)造較為簡單，難以將鋼軌旁邊的積雪有效地聚攏，且該車型使用的滾刷式拋雪機(jī)拋出的距離雖可達(dá)15 m，但從實(shí)際效果來看拋出雪的狀態(tài)多為雪塊與雪霧，因此在作業(yè)完成后道旁積雪極有可能被重復(fù)吹起[5]。此外，軌面上的積雪經(jīng)過車輪壓過后容易融化成水，積水在低溫條件下極易結(jié)成冰，而鋼軌軌面結(jié)冰會直接破壞輪軌間的黏著，影響行車安全甚至造成安全事故。

基于GCX-1000型軌道高速鐵路鋼軌軌面清掃車的不足之處，設(shè)計(jì)了高速鐵路鋼軌軌面清掃及缺陷檢測車，針對高速鐵路鋼軌表面不同的結(jié)冰積雪情況進(jìn)行分步驟地高效處理，并且對處理的結(jié)果進(jìn)行及時的檢測來確保行車安全。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模塊劃分

1.1 車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對于鐵道工程車輛，由于工作過程中會在道床兩側(cè)一定范圍內(nèi)作業(yè)，所以必須防范鐵道工程車輛的外伸工作部分與鐵道兩旁的設(shè)備、鐵道上方的接觸網(wǎng)以及其他線路上運(yùn)行的車輛產(chǎn)生碰撞。鐵道車輛在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，外伸工作部分必須完全收回，與鐵道工程車輛固定牢固，并采取一定的安全措施防止在鐵道工程車輛的運(yùn)行過程中外伸工作部分意外地伸展甚至脫落而引發(fā)事故。故我們對如圖1所示的車身限界、圖2所示的設(shè)備分布及其在工作過程中的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并針對其運(yùn)動軌跡進(jìn)行仿真和計(jì)算，確保在轉(zhuǎn)運(yùn)和施工作業(yè)過程中的安全。

圖1 車身限界圖

圖2 主要設(shè)備布局

1.2 車前除雪裝置設(shè)計(jì)

如圖3所示，車前除雪機(jī)構(gòu)可在積雪較厚的工況下（降雪，風(fēng)吹雪）快速有效地將鋼軌周圍的積雪聚攏在車的前方，并將車前的積雪推送到圖5所示的冰雪傳輸裝置中，從而暴露出鋼軌的表面，為下一步鋼軌表面的除雪除冰工作做好準(zhǔn)備。且在車底兩側(cè)配備有輔助吹風(fēng)機(jī)，可將除雪鏟縫隙里漏下的冰雪碎粒吹落鋼軌，防止二次積雪結(jié)冰，進(jìn)一步提高除雪的質(zhì)量。輔助吹風(fēng)機(jī)的安裝位置如圖4所示。

圖3 車前除雪裝置設(shè)計(jì)

圖4 輔助風(fēng)機(jī)圖

1.3 冰雪傳輸及拋灑裝置設(shè)計(jì)

當(dāng)圖3中車前除雪裝置將鋼軌表面與軌道板上的大量的積雪聚攏入收集口內(nèi)，收集口內(nèi)置的多個圖5所示的冰雪傳輸單元可依次傳輸收集到的冰雪，并在傳輸過程中對積雪進(jìn)行初步壓縮，將蓬松的雪花壓實(shí)形成冰粒，傳送到拋灑口附近，由拋灑口通過圖6所示的冰雪拋灑裝置中的高速氣流將冰雪顆粒拋灑到鋼軌之外的一定距離。拋灑出的冰粒由于具有比蓬松的雪花更大的密度和較小的表面積，故不易被風(fēng)吹起而形成高速鐵路鋼軌表面的二次積雪結(jié)冰。

圖5 冰雪傳輸裝置設(shè)計(jì)

圖6 冰雪拋灑裝置設(shè)計(jì)

1.4 檢測模塊與檢測形式

鋼軌表面清理工作完成后必須判斷處理過的鋼軌區(qū)段是否滿足通行條件，檢測鋼軌表面處理的效果以及是否存在較大的表面缺陷。該鋼軌軌面清掃及缺陷檢測車上攜帶接觸式和非接觸式兩種檢測裝置，為此區(qū)段是否能夠恢復(fù)通車提供有力依據(jù)。

接觸式鋼軌表面檢測裝置如圖7所示，依據(jù)檢測實(shí)驗(yàn)輪與鋼軌表面的相對運(yùn)動狀態(tài)來測定鋼軌表面狀態(tài)，從而得出除冰除雪學(xué)的作業(yè)效果是否滿足要求。

非接觸式視覺檢測裝置如圖8所示，采用Dalas Prianha 4K高精度線陣攝像機(jī)將鋼軌邊界細(xì)化為像素級別的精細(xì)輪廓的尺度，檢測影響鋼軌表面質(zhì)量的嚴(yán)重磨耗與肥邊掉塊等情況，快速獲得準(zhǔn)確有效的鋼軌表面信息。輔助以大功率LED燈輔助照明系統(tǒng)，以獲得統(tǒng)一穩(wěn)定的成像質(zhì)量。

1.5 車底折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖7與圖8所示的鋼軌表面檢測裝置均懸掛在圖9所示的車底折疊裝置上，并通過定位裝置精準(zhǔn)地定位到鋼軌的正上方。

圖7 接觸式鋼軌表面檢測裝置

圖8 非接觸視覺檢測裝置

圖9 車底折疊機(jī)構(gòu)

采用自頂向下的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)車底折疊機(jī)構(gòu)，根據(jù)車身與鋼軌底部的可利用空間以及車輛限界等因素確定此機(jī)構(gòu)的運(yùn)動范圍。通過承載架、斜向擺動液壓缸、斜向伸縮液壓缸、調(diào)整液壓缸、橫向調(diào)整機(jī)構(gòu)等調(diào)整機(jī)構(gòu)來改變車底折疊機(jī)構(gòu)各零件間的位置關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)鋼軌檢測裝置在鋼軌表面的精確定位。

2 創(chuàng)新及實(shí)用性

該軌面清掃及缺陷檢測車集清冰除雪、軌道檢測等多種設(shè)備為一體，能夠針對高速鐵路鋼軌表面結(jié)冰積雪的不同情況進(jìn)行分步有效的處理，并對處理結(jié)果進(jìn)行檢測分析，以確保列車在運(yùn)行過程中的安全。如圖10所示，該車型共涉及三大模塊，分別是車前除雪模塊、冰雪傳送與拋灑模塊及缺陷檢測模塊。車前除雪模塊將鋼軌周圍的積雪快速有效地聚攏在車前方，通過冰雪傳送與拋灑模塊將車前堆積的冰雪拋灑至遠(yuǎn)離鋼軌處，并利用吹掃方式處理軌道表面的殘余冰雪碎粒，提高了除雪質(zhì)量，防止二次積雪成冰，最后通過檢測模塊，利用接觸與非接觸檢測裝置共同對軌面處理效果給予反饋，并為除冰除雪作業(yè)后線路的安全通行條件的評估提供依據(jù)。

圖10 高速鐵路鋼軌表面清掃及缺陷檢測車模塊劃分

各模塊之間的協(xié)調(diào)配合，大大提高了清冰除雪的效率，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，降低了清冰除雪過程中對鋼軌的傷害，減少了軌道表面二次結(jié)冰的概率，降低了降雪天氣下列車運(yùn)行過程中的安全隱患，為建造高速高效的全方位軌道清冰除雪設(shè)備提供新的方案。

3 結(jié)語

近年來氣候變化多端，我國多個地區(qū)冬季頻降暴雪，不僅給鐵路交通的正常運(yùn)行造成了極大不便，同時也給鐵路工作人員的作業(yè)帶來巨大困難。本文針對高速鐵路鋼軌軌面清掃及缺陷檢測車設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索與嘗試，主要依據(jù)高速鐵路鋼軌表面積雪結(jié)冰的實(shí)際工況，對高速鐵路鋼軌表面積雪結(jié)冰及其他雜物形成的原因進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并以此為基礎(chǔ)，以軌道車輛的限界以及方法為參考，分功能模塊設(shè)計(jì)了一款高速鐵路鋼軌軌面清掃及缺陷檢測車，有效提高了作業(yè)效率，降低了勞動強(qiáng)度，確保了行車安全，具有一定的實(shí)用價值。