WPZ-500型智能鋪軌機鋼軌牽引機械手設計

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)

0 引言

隨著我國鐵路建設的全面開展,具有良好性能的無砟軌道常應用于新建時速350公里的高速鐵路中。傳統(tǒng)無砟軌道鋪軌屬于勞動密集型施工,存在用工數(shù)量多、勞動強度大、安全風險高、自動化程度低等弊端。為提高無砟軌道鋪軌施工機械化、數(shù)字化和智能化程度,研發(fā)了WPZ-500型無砟軌道智能鋪軌機組[1]。傳統(tǒng)無砟軌道鋪軌施工工藝采用鎖頭鎖軌易造成牽引的鋼軌擺動和鎖軌器松動脫離后傷人的風險。為降低勞動強度,減少安全風險,提升自動化施工水平,提高作業(yè)效率,研發(fā)了具有自動抓取和雙向鎖定長鋼軌功能的鋼軌牽引機械手[2]。

1 鋼軌牽引機械手

1.1 結構介紹

鋼軌牽引機械手安裝于長鋼軌智能牽引車和長鋼軌智能回收車車尾部起落支架上,主要由導向套、安裝座、夾軌器、楔形塊、鎖軌銷、擺動油缸和夾緊油缸等組成。在進行鋼軌的抓取時,鋼軌牽引機械手的夾軌器套住鋼軌軌頭,夾緊油缸推動楔形壓塊上行,兩側鎖軌銷在楔形壓塊的作用下,向中間移動,鉗住鋼軌軌頭,實現(xiàn)對鋼軌的抓取。

圖1 鋼軌牽引機械手示意圖

鋼軌牽引機械手的夾軌器在擺動油缸的作用下,可前后擺動角度。往前擺動角度,實現(xiàn)向前進行牽引鋼軌時的鋼軌鎖緊;往后擺動角度,實現(xiàn)鋪軌機向后退,往后推鋼軌時的鋼軌鎖緊;保持夾軌器不發(fā)生偏擺角度,在正中間位置時,則為解鎖鋼軌。如圖2所示。

圖2 夾軌器擺動極限位置示意圖

圖3 60 kg/m鋼軌外形尺寸圖

圖5 鋼軌受力分析圖

1.2 鋼軌牽引機械手特點

鋼軌牽引機械手特點是利用液壓油缸提供的動力,能夠快速抓取鋼軌并通過推動夾軌器向前或向后傾斜能夠迅速將鉗住的鋼軌進一步鎖緊。整個機構能夠臨時形成一個剛性整體,能夠隨鋪軌車的進退即時向鋼軌傳導縱向力,實現(xiàn)對鋼軌的牽引,同時,又能在必要時快速解除鎖緊約束直至完全將鋼軌放開。

2 鋼軌牽引機械手設計

鋼軌牽引機械手主要結構固定在安裝座上。實現(xiàn)往前鎖緊鋼軌的是鎖軌銷與夾軌器底部的前踏面配合;實現(xiàn)往后鎖緊鋼軌的是鎖軌銷和夾軌器底部的后踏面配合。鎖軌銷向中間移動鉗住鋼軌軌頭,在夾軌器傾斜時,鎖軌銷會抵住鋼軌的鋼軌頭下方,夾軌器底部的踏面會抵住鋼軌底的上方。此時鎖軌銷、夾軌器底部的踏面和夾軌器偏擺旋轉銷軸三點間形成了自鎖關系。在鋪軌機牽拉長鋼軌時,作用到夾軌器旋轉銷軸上的力與長鋼軌的阻力大小相等,方向相反。在進行牽拉鋼軌時,控制夾軌器鎖住鋼軌后,偏擺的油缸切換成自由浮動模式,在鋪軌機牽引力作用下,夾軌器繞偏擺旋轉銷軸轉動自動形成對鋼軌的鎖緊,使得鎖軌銷和夾軌器底部的踏面對鋼軌的正壓力所產(chǎn)生的摩擦阻力會始終大于鋼軌牽引機械手的牽引力,從而實現(xiàn)對鋼軌的鎖緊。

當夾軌器底部踏面與鋼軌不接觸時,鎖定解除。退出鎖軌銷后即可解除對鋼軌的抓取。

2.1 夾軌器

2.1.1 夾軌器底部踏面設計

夾軌器按鋪設鋼軌型號(60 kg/m)進行設計。查閱60 kg/m型鋼軌外形尺寸,設計專用夾軌器。

圖4 夾軌器結構示意圖

夾軌器左右兩側踏面間距,依據(jù)60 kg/m型鋼軌頭寬度尺寸(73 mm)設計為80 mm寬;設計夾軌器底部踏面位置內(nèi)側間距至少100 mm。為便于鋼軌牽引機械手抓取鋼軌時,夾軌器對位套住鋼軌。夾軌器底部踏面與鋼軌接觸位置均進行圓弧處理,避免損傷鋼軌。

2.1.2 夾軌器底部的踏面、夾軌器偏擺旋轉銷軸孔和夾軌器鎖軌銷孔的位置關系確定

實現(xiàn)夾軌器在牽引鋼軌時形成自鎖,需要使作用在夾軌器偏擺旋轉銷軸處的牽引力傳遞到鋼軌上后,對鋼軌產(chǎn)生的摩擦阻力始終大于作用在夾軌器偏擺旋轉銷軸處的牽引力,分析鋼軌在牽引過程中的受力情況,夾軌器底部的踏面、夾軌器偏擺旋轉銷軸孔和夾軌器鎖軌銷孔,三點間應存在如下關系:

Fq×cos(β-θ)×Lqt=Fx×sin(α-β)×Ltx

Fq×cos(ψ+β)×Lqx=Ft×sin(α-β)×Ltx

Fs=Ft×u+Fx×μ

式中:Fq—夾軌器牽拉鋼軌的力;Ft—夾軌器的踏面作用到鋼軌上的正壓力;Fx—鎖軌銷作用到鋼軌上的正壓力;Lqt—夾軌器旋轉銷軸與夾軌器的踏面間的距離;Ltx—夾軌器的踏面與鎖軌銷間的距離;θ—夾軌器的踏面和夾軌器旋轉銷軸間的連線與垂直中線的夾角;ψ—鎖軌銷和夾軌器旋轉銷軸間的連線與垂直中線的夾角;α—夾軌器的踏面和鎖軌銷間的連線與垂直中線的夾角;β—夾軌器偏擺角度;Fs—夾軌器的鎖緊力;μ—夾軌器的踏面和鎖軌銷與鋼軌間的靜摩擦系數(shù),查閱相關資料,靜摩擦系數(shù)μ取值0.15。

2.2 鎖軌銷和楔形塊

鋼軌牽引機械手的鎖軌銷與楔形塊采用斜面配合方式來實現(xiàn)鎖軌銷的自動插銷和退銷。當鎖軌油缸帶動楔形塊上移,兩側鎖軌銷受到楔形塊斜面?zhèn)鬟f的推力往中間移動,兩側鎖軌銷鉗住鋼軌軌頭。當鎖軌油缸帶動楔形塊下移,兩側鎖軌銷受到楔形塊斜面?zhèn)鬟f的推力往外側移動,兩側鎖軌銷退回到夾軌器內(nèi),解除對鋼軌軌頭的抓取。

圖6 楔形塊和鎖軌銷構造圖

鎖軌銷作用在鋼軌位置為鋼軌頭下部斜面,為減小鎖軌銷對鋼軌的接觸應力,鎖軌銷與鋼軌接觸位置按60 kg/m型鋼軌頭下部斜面設計。

為滿足鎖軌銷能對鋼軌進行自動化鉗住和解除,鎖軌銷的伸縮行程要求≥20 mm。鎖軌銷的伸出和退回采用液壓油缸控制,在進行鎖軌銷和楔形塊配合斜面設計時,考慮盡量控制夾軌器結構尺寸大小來設計。

3 夾軌器對鋼軌鎖緊力及強度復核

鋼軌牽引機械手牽引鋼軌為長500 m、規(guī)格P60(60 kg/m),鋼軌牽引走行過程中,鋼軌在拖拉滾筒上滾動前進?？紤]到大坡道牽引施工工況,按照30‰坡道來計算,單根鋼軌所需最大牽引力不超過40 kN。

3.1 夾軌器對鋼軌鎖緊力復核

3.1.1 自鎖條件復核

由于鋼軌牽引機械手牽拉鋼軌的力與鋼軌被牽拉時的阻力為大小相等,方向相反。鋼軌牽引機械手要形成對鋼軌的自鎖,需要滿足以下關系:

鋼軌牽引機械手設計尺寸如下:Lqt=455 mm,Lqx=350 mm,Ltx=160 mm,θ=6°,ψ=10.7°,α=43.5°,β=7°。經(jīng)計算:

滿足自鎖條件。

3.1.2 鋼軌強度復核

經(jīng)分析可知:Fx>Ft,以及鋼軌牽引機械手的銷軸作用到鋼軌上的正壓力大于鋼軌牽引機械手的踏面作用到鋼軌上的正壓力。當鋪軌機牽拉鋼軌時,鋼軌阻力為40 kN時為最極限工況,此時鋼軌牽引機械手的銷軸作用到鋼軌處的應力最大,其應力計算為:

式中:σ—單個鋼軌牽引機械手的銷軸作用到鋼軌處的應力;S—單個鋼軌牽引機械手的銷軸與鋼軌的接觸面積約為4 mm2(銷軸采用硬度低于鋼軌的材料,不進行熱處理,進行幾次鋪軌后,讓其與鋼軌接觸面被碾壓成與鋼軌完全配合接觸[3])。

根據(jù)鋼軌屈服強度指標[4]中可查熱軋U71Mn熱軋鋼軌屈服應力[σ]=460 MPa,其許用應力為306 MPa。

經(jīng)計算,在極限工況下,單個銷軸作用到鋼軌處的應力σ=239 MPa<306 MPa,滿足要求。

3.2 鋼軌牽引機械手強度復核

鋼軌牽引機械手采用Q355B合金鋼,屈服強度達到355 MPa[5-6],將機械手在Solidworks Simulation模擬受力情況對機械手主要受力框架進行有限元分析,如圖7所示。

圖7 鋼軌牽引機械手有限元分析

由分析結果可以得知,最大應力遠小于Q355B合金鋼的許用應力,滿足強度要求。

4 結束語

WPZ-500無砟軌道智能鋪軌機鋼軌牽引機械手采用巧妙的機械設計,實現(xiàn)了鋼軌的雙向鎖定,從而自動抓取和鎖定長鋼軌。通過采用自鎖原理,使鋼軌牽引機械手始終能滿足對鋼軌的鎖緊,完全滿足各工況施工要求。鋼軌牽引機械手的結構設計充分考慮到構件的承載能力,各應力分配合理,完全滿足要求。鋼軌牽引機械手的設計體現(xiàn)了智能鋪軌從細節(jié)上著手,實現(xiàn)了無砟軌道鋪軌施工的智能化。