胡雄偉 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

受外部環(huán)境、車(chē)輛荷載、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沉降、材料老化等多方面因素影響，部分高速鐵路無(wú)砟軌道已經(jīng)逐漸暴漏出軌道板傷損、砂漿層離縫脫空、底座板斜裂等病害，有些軌道板可能因?yàn)閭麚p嚴(yán)重導(dǎo)致強(qiáng)度大大降低，造成軌道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，甚至可能影響到高鐵行車(chē)安全，必須進(jìn)行更換處理。

然而，在對(duì)傷損軌道板進(jìn)行更換作業(yè)時(shí)，由于鋼軌-軌道板-底座板的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式以及軌道板的幾何尺寸限制，需要將軌道板上方的鋼軌分別向兩側(cè)移開(kāi)才能為傷損軌道板的起吊更換提供作業(yè)空間。目前現(xiàn)場(chǎng)撥軌作業(yè)主要采用"鋸軌+人工撥移"的作業(yè)方式，該方式存在操作過(guò)程復(fù)雜、控制精度差、作業(yè)效率低、施工成本高等缺點(diǎn)。

基于軌道板換板施工實(shí)際需求，結(jié)合鋼軌自身力學(xué)性能特點(diǎn)，研究提出了不鋸軌撥軌作業(yè)方法，并研制了一套電動(dòng)撥軌裝置。該不鋸軌撥軌工藝主要是通過(guò)在傷損軌道板兩側(cè)解扣的鋼軌底下墊入四套電動(dòng)撥軌裝置，將解扣的鋼軌支撐到一定高度方便移出，再利用各組電動(dòng)缸提供頂升力來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼軌的外撥和復(fù)位。撥軌過(guò)程中通過(guò)電控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄鋼軌外撥、復(fù)位過(guò)程中的受力和位移等參數(shù)，并顯示鋼軌外撥、復(fù)位過(guò)程中位移-力的實(shí)時(shí)曲線，方便撥軌人員實(shí)時(shí)掌握鋼軌撥移過(guò)程中的受力狀態(tài)，準(zhǔn)確控制鋼軌撥移位置，確保撥軌施工過(guò)程安全可控。本文重點(diǎn)介紹電動(dòng)撥軌裝置的技術(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況。

1 電動(dòng)撥軌裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前我國(guó)高速鐵路常用軌道板主要有CRTSⅠ、CRTSⅡ、CRTSIII 型三類(lèi)無(wú)砟軌道板，綜合三種型號(hào)軌道板的結(jié)構(gòu)尺寸和換板工藝要求，制定了電動(dòng)撥軌裝置的主要技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 電動(dòng)撥軌裝置性能參數(shù)

不鋸軌更換軌道板施工，需進(jìn)行較大范圍的扣件松開(kāi)，才可進(jìn)行撥軌方式為軌道板交換提供充分空間，因此電動(dòng)撥道裝置涉及的范圍較廣，因此電動(dòng)撥軌裝置分為為三個(gè)功能部件：撥軌裝置主框架、撥軌動(dòng)力裝置、輔助撥軌滑臺(tái)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及松開(kāi)扣件范圍進(jìn)行組合安裝進(jìn)行撥軌，具體設(shè)計(jì)方案如下：

電動(dòng)撥軌裝置整體設(shè)計(jì)實(shí)物照片如圖1 所示。

圖1 撥軌裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物照片

1.1 撥軌裝置主框架

撥軌裝置主框架主要作用是為撥軌動(dòng)力系統(tǒng)提供支撐、為鋼軌滑移提供滑道和導(dǎo)向、鎖緊固定鋼軌以及墊支鋼軌作用。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

撥軌主體框架設(shè)計(jì)為門(mén)式分體結(jié)構(gòu)，采用分體結(jié)構(gòu)可小量起道將主框架放入軌底進(jìn)行組裝?？蚣芊謨蓚€(gè)檔位，當(dāng)電動(dòng)缸在第一檔位撥軌至405 mm 后進(jìn)行止位，然后將電動(dòng)缸復(fù)位并移至第二檔位，插入支撐擋板提供支撐，可繼續(xù)進(jìn)行第二檔撥軌至實(shí)際需要位置。

圖2 撥軌裝置主框架示意圖

1.2 撥軌裝置動(dòng)力系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要作用是通過(guò)伺服電動(dòng)缸提供頂推鋼軌的動(dòng)力，并在頂推過(guò)程中實(shí)現(xiàn)撥軌力、鋼軌位移等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集和處理，從而保障撥軌過(guò)程的安全可控以及撥軌裝置自身的安全。撥軌裝置動(dòng)力系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、伺服電動(dòng)缸、可編程控制器、人機(jī)界面四部分組成，圖3 為伺服系統(tǒng)示意圖。

圖3 伺服系統(tǒng)

撥軌時(shí)，操作人員通過(guò)人機(jī)操作界面與系統(tǒng)進(jìn)行交互，操作界面可進(jìn)行撥軌量的輸入，并實(shí)時(shí)顯示撥軌量和撥軌力等參數(shù)，便于操作人員對(duì)撥軌過(guò)程的控制?？删幊炭刂破鬟B接人機(jī)界面與伺服驅(qū)動(dòng)，能按照施工人員通過(guò)人機(jī)界面下達(dá)的操作指令，精確控制伺服電動(dòng)缸推動(dòng)連接塊和鋼軌橫向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鋼軌撥軌量的精確控制。為實(shí)現(xiàn)更大的撥軌量，裝置設(shè)計(jì)有二級(jí)推進(jìn)機(jī)構(gòu)，電動(dòng)缸單次推進(jìn)最大撥軌量為405 mm，兩次頂升的最大撥軌量可達(dá)810 mm。

圖4 撥軌裝置操作界面

圖4 為人機(jī)界面顯示的撥軌作業(yè)前的系統(tǒng)準(zhǔn)備畫(huà)面，主要作用是使伺服系統(tǒng)上電并使伺服電動(dòng)缸到達(dá)零位，通過(guò)上述操作從而實(shí)現(xiàn)撥軌量的精確采集。

圖5 為撥軌作業(yè)過(guò)程中所顯示的界面，撥軌可按兩種不同的速度進(jìn)行，低速撥軌為2 mm/s，高速撥軌為20 mm/s，撥軌力顯示精度為0.01 N，撥軌行程顯示精度為0.05 mm。

圖5 操作界面

1.3 輔助撥軌滑臺(tái)

輔助撥軌滑臺(tái)主要是起支撐鋼軌滑移作用，根據(jù)理論計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，單股鋼軌每間隔12 m-14 m 布置一個(gè)滑道，根據(jù)實(shí)際松開(kāi)扣件范圍可適當(dāng)增加或減少滑臺(tái)數(shù)量?；_(tái)是由截面規(guī)格為100 mm×100 mm、120 mm×100 mm，壁厚為3 mm 的矩形管加工組成，材料為45#鋼。其中100 mm×100 mm共計(jì) 8 根（4 根備用），120 mm×100 mm 共計(jì) 8 根，120 mm×100 mm 拼焊 L 型滑臺(tái) 4 根。

2 撥軌裝置關(guān)鍵工況下受力分析

在曲線段或者溫度變化較大區(qū)段，鋼軌的張力較大，撥軌裝置進(jìn)行撥軌時(shí)不僅要承受支撐鋼軌的重力和縱向張力，還要承受頂推鋼軌傳遞給撥軌裝置主框架的反力，尤其是撥軌作業(yè)完成進(jìn)入軌道板更換施工之后，為了確保整個(gè)換板施工安全順利進(jìn)行，需要對(duì)鋼軌進(jìn)行鎖緊固定，此時(shí)撥開(kāi)后的鋼軌張力、重力等合力由撥軌裝置承擔(dān)。基于以上需要對(duì)撥軌裝置進(jìn)行強(qiáng)度校核，確保在關(guān)鍵工況條件下，撥軌裝置強(qiáng)度仍具備較大安全余量。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和試驗(yàn)，在曲線地段撥軌作業(yè)時(shí)，若實(shí)際軌溫低于線路鎖定軌溫，則進(jìn)行鋼軌外撥的撥軌力較大；若實(shí)際軌溫高于線路鎖定軌溫，則進(jìn)行鋼軌復(fù)位的回復(fù)力較大，因此，需選取極端情況下進(jìn)行電動(dòng)撥軌裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的受力進(jìn)行核算。正常情況下實(shí)際軌溫低于鎖定軌溫20℃或高于鎖定軌溫5℃時(shí)即不再進(jìn)行撥軌方式下的施工作業(yè)，為了更大范圍的掌握結(jié)構(gòu)的安全余量，本設(shè)計(jì)選取在小半徑、大超高曲線情況下，分別對(duì)施工實(shí)際軌溫高于鎖定軌溫20℃或低于鎖定軌溫20℃的兩種極端情況進(jìn)行關(guān)鍵部位核算，具體計(jì)算參數(shù)如表2 所示。

表2 強(qiáng)度校核參數(shù)表

2.1 撥軌裝置主框架

撥軌裝置主要承力部件是主框架，因此撥軌裝置在極端工況下進(jìn)行工作時(shí)主框架能否滿足強(qiáng)度安全要求，需要進(jìn)行檢算。主框架受力檢算如圖6、圖7 所示。

圖6 15 kN 撥軌力時(shí)主框架應(yīng)力云圖

圖7 12 kN 回復(fù)力時(shí)主框架應(yīng)力云圖

撥軌裝置主框架在極限工況下綜合最大應(yīng)力為556 MPa，小于其屈服強(qiáng)度，施工軌溫高于或低于鎖定軌溫20℃的極端工況下一般不建議施工，極限工況下可能會(huì)對(duì)鋼軌產(chǎn)生一定損傷。

2.2 電動(dòng)缸法蘭

圖8 15kN 撥軌力時(shí)法蘭應(yīng)力云圖

圖9 12kN 回復(fù)力時(shí)法蘭應(yīng)力云圖

在極端工況下進(jìn)行工作時(shí)，電動(dòng)缸法蘭能否滿足強(qiáng)度安全要求，需要進(jìn)行檢算。圖8、圖9 為撥軌力15 kN、回復(fù)力12 kN 工況下的應(yīng)力云圖。

電動(dòng)缸法蘭在極限工況下綜合最大應(yīng)力為437 MPa，小于其屈服強(qiáng)度，施工軌溫高于或低于鎖定軌溫20℃的極端工況下一般不建議施工，極端工況下可能會(huì)對(duì)鋼軌產(chǎn)生一定傷損。

3 應(yīng)用情況

電動(dòng)撥軌裝置采用電動(dòng)缸提供鋼軌外撥、復(fù)位的動(dòng)力，利用電控系統(tǒng)控制電動(dòng)缸的行程、速率，撥軌過(guò)程中人機(jī)界面顯示鋼軌外撥的位移-力的曲線，便于作業(yè)人員實(shí)時(shí)掌握鋼軌在外撥、復(fù)位過(guò)程中的受力情況，在位移-力發(fā)生突變時(shí)進(jìn)行緊急處置，以保障撥軌作業(yè)安全（見(jiàn)圖10）。

對(duì)撥軌裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件在極端工況下進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度核算，其強(qiáng)度能夠滿足在不同工況下的撥軌及復(fù)位需求。

電動(dòng)缸撥軌裝置在線路上進(jìn)行了檢測(cè)試用，同時(shí)還測(cè)試了撥軌過(guò)程中鋼軌應(yīng)力情況，撥軌過(guò)程中電動(dòng)撥軌裝置、鋼軌應(yīng)力情況各項(xiàng)指標(biāo)能夠達(dá)到要求并在安全范圍以內(nèi)。