李季陽 滕旭升 朱林榮 中國鐵路上海局集團有限公司上海工務大修段
在焊軌基地長鋼軌焊接生產過程中,將單支100 m 或500 m 的鋼軌擱置在諸多輥筒上,電動機驅動輥筒轉動,利用摩擦力驅動鋼軌前行或后退。通過對這些簡單的輥筒和裝置排列組合,組成鋼軌走行輥道線。將鋼軌或鋼軌焊縫輸送至各作業(yè)工位。為了防止鋼軌從輥道線穿出,既有輥道線上根據不同情況分布安裝了導向間距固定的軌腰導向、八字導向、立輪導向等各類機械結構的導向限制裝置。這些裝置很大程度上避免了鋼軌穿出走行輥道線的情況,但有時由于鋼軌端部軟彎存在、基礎變化等各種因素,導致鋼軌端部與輥道線上的導向限制裝置產生劇烈碰撞,輕則使鋼軌的端部產生形變撞傷,影響后續(xù)焊接作業(yè)質量,重則撞壞導向,鋼軌從輥道線穿出。為了避免上述情況的出現(xiàn),結合既有各類導向裝置的特點,對焊軌基地鋼軌走行輥道進行了優(yōu)化和研究。
目前,蕪湖北焊軌基地根據走行輥道線的分布及功能,使用的導向裝置有以下各種類型。
(1)安裝于直線段的八字導向和立輪導向。其中八字導向如圖1,由于其導向口間距固定,當鋼軌走行過程中端部偏移大于導向固定的最大偏移時,鋼軌撞擊導向而導致撞壞鋼軌軌端和導向;當鋼軌走行過程中鋼軌出現(xiàn)蛇形狀態(tài)時,導致鋼軌軌底邊與導向裝置產生滑動摩擦的現(xiàn)象,可能擦傷鋼軌軌底邊;立輪導向如圖2,其導向口間距固定。若半徑為r,接觸點距輥筒中心距離為d,則鋼軌偏移量為r-d,鋼軌撞擊力為F,則輥筒受力其中因此,輥筒受力會隨著鋼軌偏移量 的增大而急劇增大,會隨著輥筒半徑的減小而對受力變化更加敏感。由于結構限制,立輪導向輥筒直徑較小,存在安全隱患及其局限性。
圖1 直線段八字導向
圖2 直線段立輪導向
(2)安裝于彎道的軌腰導向如圖3,限位能力強,能夠在輥道線彎道位置將鋼軌引導至順彎狀態(tài)。但由于導向位置設在軌腰部分,當鋼軌上的凸字鋼印與導向輪接觸時,一方面產生震動并發(fā)出較大噪聲,另一方面使導向輪軸承受力產生變化,導致故障。
圖3 彎道段軌腰導向
(3)安裝于設備兩端的可調導向如圖4,目的是保護設備,避免鋼軌撞擊;同時糾正鋼軌端部方向,使鋼軌中心與設備加工中心基本一致,降低鋼軌在設備加工位置的初始誤差,提升加工精度。由于此導向結構復雜,制造成本高,全線使用不經濟,也不合理。
圖4 可調導向
通過對焊軌基地各類既有導向裝置的分析,我們認為直線段導向和彎道段導向均有優(yōu)化改進空間,用于保護設備的可調導向可以延用,但分布結構可以優(yōu)化。
通過對既有導向的優(yōu)劣分析,結合現(xiàn)場實際調研,確定重新設計導向裝置。通過新型導向的設計,彌補八字導向、立輪導向的局限性。為了適應實際輥道基礎和現(xiàn)場安裝條件,裝置設計應滿足如下基本條件:
(1)具備糾偏量大小有限可調;
(2)撞擊力可多方向緩解釋放;
(3)具備對鋼軌端部糾偏的自適應能力;
(4)裝置重量恰當,維修、拆裝方便;
(5)裝置安全可靠,穩(wěn)定性好。
針對上述條件綜合統(tǒng)籌,設想導向輪采用圓錐結構,分離式設計,組成一個斜邊導向裝置。
導向機構包括底板、支承、輥筒和旋轉軸。旋轉軸橫向固定在支承接口內,輥筒側邊傾斜,兩套輥筒對稱設置。底板中部設置支承,同時支撐兩側輥筒。兩側輥筒均可獨立旋轉、裝卸。輥筒斜邊起支撐鋼軌和限位作用。斜邊導向結構示意如圖5。
圖5 斜邊導向設計
兩側的支承座3 之間由固定螺栓11 和固定螺母1 連接,中心支承7 與兩側設置支承的底板3 通過固定螺栓11 和固定螺母1 連接,構成底座整體。軸8 安裝在中心支承7 和支承座3 上,由止動墊片固定螺栓12 固定的止動墊片2 防止軸8 在運行中旋轉。斜邊輥筒5 通過軸承9 安裝在軸8 上,兩邊設有端蓋6 配合密封圈10 防水、灰塵等,使用端蓋固定螺栓4 固定。系統(tǒng)通過油嘴13 向內部軸承等部件注入3 號鋰基脂保持潤滑。
在支承座3 上開腰孔,通過腰孔可調節(jié)兩側支撐座間距,實現(xiàn)糾偏量大小有限可調;錐形導向輪的設計可實現(xiàn)鋼軌與裝置之間撞擊力緩解釋放,同時實現(xiàn)對鋼軌端部糾偏的自適應;分離式結構降低了單個部件重量,并為檢修提供了方便;整體和較強的能力改變固定螺栓11 和固定螺母1 相對于設置支承的底板3 的相對位置實現(xiàn)調整限位間距的目的,最大可調間距10 mm,最大可調高度10 mm。
根據鋼軌在輥道線上實際運行情況,導向的設置間距約5 m,理論上可實現(xiàn)的最大糾偏量S 為123.84 mm:
由鋼軌的楊氏模數E可知,鋼軌越出輥輪外邊界時,抵消自重Mg時的正向應變量ε為1.84 mm。導向的糾偏能力為軌底長度的一半d1加上限位點與導向間距d2加上接觸點到輥輪外圓的直線距離d3加上正向應變量ε。
根據鋼軌在導向接觸點到中心點的圓弧半徑r,以及運行角度為1/24 圓,可以計算鋼軌在斜邊導向上的切入點到最高點的距離S,
鋼軌的實際運行速度V為0.83 m/s,可以計算加速時間T,
T=S/V=0.04 s
單個錐形輥輪質量為7.5 kg(將鋼軌運行撞擊輥輪等效于輥輪運行撞擊鋼軌),其相對沖擊力F,
F=mV/T=7.5 kg×0.83 m/s/0.04 s=155.6 N
可以得出約在0.04 s 內導向輥輪小徑上5 mm 高處將線速度加速至50 m/min,切線處承受的沖擊力約為155.6 N,遠小于45#鋼及鋼軌材質的耐受極限。
鋼軌鋼印經過軌腰導向時,會產生震動,伴隨很大的噪聲。由于鋼印凸起不規(guī)則,導向輪受力變化劇烈,易損壞軸承。因此,需要對軌腰導向進行改進。
具體實施方式是:加裝墊塊,墊塊與原有的底座焊接在一起,軌腰導向通過螺栓連接在墊塊頂部。此項改進可以將軌腰引導改為軌頭引導如圖6。
圖6 軌頭導向
相比軌腰來說,軌頭更為平滑。運行起來一方面噪聲大大減小,另一方面可以降低導向軸承的磨損,有利于減少裝置故障率。
可調導向擁有優(yōu)異的限位能力,其導向限位間距和導向中心的可調,在保護設備和提高加工精度上具有明顯的優(yōu)勢。如果在設備二端再加裝1 到2 組可調導向,并使導向限位間距形成階梯式縮小,這樣有利于更好地保護設備,更好地避免鋼軌軌端撞擊導向裝置,使鋼軌中心與設備加工中心重合度更高。
通過對鋼軌走行輥道線導向的研究,在進行了局部試驗的基礎上,利用蕪湖北焊軌基地精整線鋼軌走行輥道大修的機遇,進行推廣應用,提升了鋼軌走行速度和流水線作業(yè)效率。應用過程中,輥道導向裝置性能穩(wěn)定、安全可靠;并使輥道導向裝置定型為三個形式,減少了配件儲備類型,降低了輥道運行噪聲,消除了鋼軌脫離輥道線的風險;為輥道線導向的檢修提供了方便,提高了設備維修效率。