WPZ-500型無砟智能鋪軌機組滾筒回收車設(shè)計

管新權(quán)，段啟楠

（中鐵四局集團有限公司第八工程分公司，安徽 合肥 230041）

鋪軌工程作為高速鐵路施工的重要環(huán)節(jié)，屬于勞動密集型施工。為降低工作強度、提高鋪軌效率，通過運用智能化技術(shù)，開展高速鐵路智能鋪軌各工序的機械化、信息化、自動化研究，研發(fā)新型智能鋪軌施工裝備及相關(guān)技術(shù)，應(yīng)用于高速鐵路鋪軌施工，解決高速鐵路鋪軌用工難和技術(shù)落后的問題。智能鋪軌機組與傳統(tǒng)鋪軌機形式相同，均采用前牽引導(dǎo)向、后拖拉推送形式[1]進(jìn)行無砟道床500 m長鋼軌敷設(shè)，主要由長鋼軌智能牽引車、長鋼軌智能滾筒回收車、長鋼軌智能推送車和智能分揀車組成。長鋼軌智能滾筒回收車主要用于滾筒回收和鋼軌落槽，其工作性能直接決定整個機組的鋪軌效率。鄧建華[2]對WZ500E無砟智能鋪軌機組長鋼軌牽引車結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理進(jìn)行分析；武慧平[3]運用I-DEAS軟件對CPG500型鋪軌機組作業(yè)車車體結(jié)構(gòu)靜強度、剛度進(jìn)行有限元分析；陳孟強[4]基于“群枕式布枕，步進(jìn)式鋪軌”作業(yè)模式，研制出群枕式長軌鋪軌機組；唐海斌[5]運用AMESim軟件對長鋼軌推送機構(gòu)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模及仿真分析，得到油缸和馬達(dá)的動態(tài)特性響應(yīng)規(guī)律，為鋼軌推送優(yōu)化提供指導(dǎo)；甘建偉[6]對鋪軌機組牽引裝置分散動力驅(qū)動和液壓系統(tǒng)同步分流進(jìn)行研究，并利用模糊PID控制器進(jìn)行行走速度穩(wěn)定控制?？梢?，目前國內(nèi)外對無砟軌道鋪設(shè)工藝和鋪軌設(shè)備有一定研究。本研究通過分析WPZ-500無砟智能鋪軌機組滾筒回收車結(jié)構(gòu)組成和工作原理，探討不同工況下回收車的行駛速度和牽引力數(shù)學(xué)匹配關(guān)系，并校核了滾筒回收車車架的強度剛度，為智能鋪軌機組滾筒回收車進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 滾筒回收車結(jié)構(gòu)組成和工作原理

長鋼軌智能滾筒回收車由車架總成、行走裝置、推/拉滾筒機械手組、拾取滾筒機械手組、中轉(zhuǎn)輸送帶、堆碼滾筒機械手組以及抓/抬鋼軌機械手、倒裝機構(gòu)、司機室、動力系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 長鋼軌智能滾筒回收車結(jié)構(gòu)組成

1.1 走行裝置

如圖2所示，長鋼軌牽引車有三套走行裝置：輪胎走行裝置、履帶走行裝置和鋼軌走行裝置。

圖2 走行裝置

輪胎行走裝置有前后兩組驅(qū)動橋，獨立驅(qū)動，用于滾筒回收和鋼軌入槽作業(yè)時的行走，設(shè)備大部分作業(yè)時間使用輪胎行走；驅(qū)動橋由驅(qū)動橋支架、回轉(zhuǎn)支撐、減速器支架、液壓馬達(dá)和減速器等組成，其中減速器與車輪總成連接安裝。轉(zhuǎn)向裝置設(shè)置在車輛前方2組驅(qū)動橋上，由轉(zhuǎn)向油缸和拉桿組成。轉(zhuǎn)向油缸控制車輪轉(zhuǎn)向，拉桿控制兩組車輪轉(zhuǎn)向同步。

鐵路走行機構(gòu)由伸縮架、升降油缸、車輪等組成。鐵路走行機構(gòu)的升降由升降油缸垂直調(diào)節(jié)，以適應(yīng)車輛過道岔或者短距離的鐵路行駛。鐵路走行機構(gòu)不帶驅(qū)動，僅作為行走導(dǎo)向，由后驅(qū)動橋輪胎壓在鋼軌上提供摩擦驅(qū)動力，實現(xiàn)鐵路行走。

履帶走行裝置有2套履帶走行機構(gòu)，每套履帶走行機構(gòu)由1套履帶走行桁架和2條走行履帶組成，每套履帶走行機構(gòu)由1套履帶走行桁架和2條走行履帶組成。履帶走行桁架包含桁架梁、轉(zhuǎn)向油缸、橫移油缸、回轉(zhuǎn)支撐等。桁架梁其采用Q345B鋼材組焊加工制造。每條走行履帶包含驅(qū)動馬達(dá)、減速機、履帶總成等。通過橫移油缸推動，使走行履帶滿足不同履帶間距調(diào)整的要求。每條走行履帶均有一套轉(zhuǎn)向油缸控制轉(zhuǎn)向，以及一個獨立的行走馬達(dá)減速機驅(qū)動，行走減速機裝有常閉式停車制動器。履帶走行主要用于有砟軌道鋪設(shè)作業(yè)時的行走。

1.2 機械手裝置

車身上布置有2套推/拉滾筒機械手、2套拾取滾筒機械手（圖3）、2套堆碼滾筒機械手，均由伺服電機驅(qū)動，具有x、y和z軸三個方向自由度。推/拉滾筒機械手控制機械手末端滾筒鉤抓伸到滾筒側(cè)板掛耳下，將地面滾筒從鋼軌下方取出并擺放到道床中間位置。拾取滾筒機械手控制末端抱爪伸到滾筒中心正上方，將滾筒從地面拾取搬運到中轉(zhuǎn)傳送帶上。中轉(zhuǎn)傳送帶將滾筒送至中轉(zhuǎn)臺，堆碼機械手控制末端抱爪伸到滾筒中心正上方，將滾筒按順序堆碼到滾筒存放籃中。

圖3 拾取滾筒機械手

1.3 鋼軌夾持裝置

兩套抓/鎖機械手分別固定在車架前、后端，如圖4所示。通過升降油缸控制抓/鎖機械手升降，調(diào)整鋼軌的提升高度；通過橫移油缸控制夾軌器組件在橫梁上移動，調(diào)整鋼軌左右位置，通過抓/鎖機械手、升降油缸和橫移油缸的聯(lián)合作業(yè)可以實現(xiàn)鋼軌的智能鎖緊、準(zhǔn)確對位和自動入槽。

圖4 抓/鎖機械手

2 滾筒回收車行駛特性分析

路面干燥及一般潮濕狀態(tài)下，車輪實際粘著牽引力Fm計算公式為

式中：m0為牽引車單個輪胎承重，6.615 t；μ為橡膠輪胎在混凝土路面的黏性系數(shù)，0.6；將各參數(shù)代入，可以求得Fm=158.76 kN。

輪胎行走Fy運行阻力算式為：

式中：Fg為輪胎行走滾動阻力，取7.936 kN；Fp為爬坡時車身自重產(chǎn)生的阻力，取7.95 kN；Fw為風(fēng)載荷作用車車身上產(chǎn)生的阻力，取4.79 kN；Ft為機械手抓抬鐵軌產(chǎn)生的阻力，取10kN；將各參數(shù)代入，可以求得爬坡時，F(xiàn)y=30.676 kN，平地行走時，F(xiàn)y=22.726 kN。滾筒回收車爬坡時所受阻力如圖5所示。

圖5 坡度30‰滾筒回收車受力分析示意圖

可見，重載工況下牽引車粘著牽引力Fm＞Fy，車輪是不會出現(xiàn)打滑。

當(dāng)海拔高度小于3000 m時，對柴油機功率輸出影響較小，但海拔高于3000 m時，每升高300 m功率下降4%，經(jīng)計算可知，當(dāng)海拔高度達(dá)5000 m時，柴油機功率下降約30%。選擇輸出功率Pde0=168 kW的柴油機，在海拔5000 m工地使用時，其輸出功率Pde0=117.6 kW。

坡道運行速度計算公式為

式中：Ps為車輛上其它功耗（含散熱、電氣控制、照明）不會超過45 kW，取45 kW；η為發(fā)動機工作效率，取0.7；將各參數(shù)代入，可以求得海拔2000 m以下時，Vt0=2.8 km/h；海拔5000 m時，Vr=1.1 km/h，滿足作業(yè)行駛速度要求。

3 滾筒回收車車架有限元分析

為保證鋼軌入槽與滾筒回收工作的安全性和穩(wěn)定性，需要對滾筒回收車進(jìn)行有限元分析[7，8]，尤其是對膠輪行駛狀態(tài)車架的強度和剛度分析，車架的材料為Q345B。車架的網(wǎng)格劃分模型、車架的應(yīng)力狀態(tài)分析和位移變形狀態(tài)分布，如圖6所示。從圖中可以看出，最大應(yīng)力為149 MPa，位于中間縱梁位置，這是因為車架兩端抓/抬軌機械手受鋼軌作用力，且車架后方放置有滾筒存放籃，當(dāng)滾筒都放滿時重達(dá)3 t，所以車架中部位置所受彎矩最大，但經(jīng)計算可知應(yīng)力安全系數(shù)可以達(dá)到2.32；車架最大位移變形位置分布在前后兩端，但最大位移變形僅有3 mm，對滾筒回收車抓放鋼軌和滾筒回收運動影響很小。因此，滾筒回收車車架的設(shè)計具有安全裕量，可進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖6 滾筒回收車架強度剛度分析

4 結(jié)論

滾筒回收車是WPZ-500型無砟智能鋪軌機組的主要組成部分。通過研究滾筒回收車的機構(gòu)組成及工作原理，對重載爬坡工況下牽引速度以及膠輪行駛狀態(tài)下車架強度剛度進(jìn)行計算分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）滾筒回收車三套行走裝置可以滿足公路與鐵路路面的轉(zhuǎn)場及行駛作業(yè)要求；推/拉滾筒機械手、拾取滾筒機械手和堆碼滾筒機械手的聯(lián)合作業(yè)可以完成滾筒的拖放、拾取和堆碼；抓/鎖機械手可以實現(xiàn)長鋼軌的自動鎖緊、對位和下放入槽。

（2）滾筒回收車所用發(fā)動機可以滿足不同海拔高度的功率需求；路面一般潮濕條件下，其牽引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于運行阻力，在海拔高度2000 m和5000 m時，其行駛速度分別為2.8 km/h和1.1 km/h。

（3）最大應(yīng)力為149 MPa，處于車架中間位置，其應(yīng)力安全系數(shù)可達(dá)2.4；最大位移變形位于車架兩端，最大值僅有3 mm，可見回收車還有結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間。

根據(jù)計算分析結(jié)果，滾筒回收車結(jié)構(gòu)能夠滿足現(xiàn)場施工要求。如圖7所示，樣機試制完成后，已完成首對500 m長鋼軌自動鋪設(shè)。

圖7 滾筒回收車