劉曉磊 周 濤 李賢元 趙洪洋 張志強

(1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011；2.中鐵十一局集團第三工程有限公司 湖北 十堰 442012)

目前現(xiàn)場施工中鋼軌焊后正火熱處理大多采用火焰正火，優(yōu)點是投入成本小、操作簡便，但缺點是火焰正火加熱不均勻且受到多種因素的影響，尤其是在地鐵隧道施工，存在很大的安全隱患。鋼軌電感應(yīng)正火由于加熱速度快且均勻，實現(xiàn)了正火自動控制且安全風(fēng)險小，但缺點是成本一次性投入大?，F(xiàn)有鋼軌感應(yīng)正火作業(yè)車均采用集裝箱式結(jié)構(gòu)，放置于無動力裝置的鐵路平板車上通過軌道車牽引，需要配置專業(yè)的軌道車司機，另外在地鐵隧道施工時軌道車柴油機和正火車柴油機同時工作，尾氣排放大、噪音高。

本文研制了一款可低速自走行的鋼軌感應(yīng)正火作業(yè)車，滿足地鐵的小曲線半徑、大坡道的線路要求，同時設(shè)計有在線監(jiān)控系統(tǒng)，實時在線監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)并可遠(yuǎn)程進行數(shù)據(jù)管理。

1 正火作業(yè)車總體簡介

地鐵自行式鋼軌感應(yīng)正火作業(yè)車，采用自走行平板車上載集裝箱艙體結(jié)構(gòu)形式，主要由自行式平板車和集裝箱正火機組組成，其中集裝箱正火機組由集裝箱艙體、正火機、電氣控制柜、起重機、柴油發(fā)電機組、噴風(fēng)裝置等組成(見圖1)。

圖1 地鐵自行式鋼軌感應(yīng)正火車簡圖

自行式平板車運行至待正火工位，電氣控制系統(tǒng)接收正火機操作信號，按設(shè)定的工藝向正火機各個執(zhí)行器發(fā)出控制信號，通過溫度傳感器等采集正火數(shù)據(jù)，實施反饋控制，正火管理系統(tǒng)對正火數(shù)據(jù)實時采集、管理并自動判斷正火結(jié)果，記錄正火過程中的溫度、時間、頻率等正火數(shù)據(jù)。液壓系統(tǒng)為正火機、起重機等提供液壓動力，冷卻系統(tǒng)提供循環(huán)的冷卻水，防止感應(yīng)線圈、變壓器、中頻電源等部件過熱損壞?？諝鈮嚎s機對鋼軌表面進行迅速噴風(fēng)，恢復(fù)鋼軌表面硬度。原理框圖如圖2所示。

圖2 原理框圖

2 集裝箱正火機組

2.1 起重機滑移裝置設(shè)計

采用二級伸縮回轉(zhuǎn)單臂起重機起吊正火機完成正火機的收放，由于受到集裝箱翻轉(zhuǎn)門的寬度和集裝箱側(cè)壁的限制，作業(yè)半徑受到限制，為了增大作業(yè)半徑，將起重機整體滑移至艙體前端，如圖3所示，起重機滑移裝置由平移油缸、底座、軸承、導(dǎo)槽等組成，其中軸承分為2組，每組4個，分別負(fù)責(zé)底座在導(dǎo)槽上水平方向和垂直方向的滾動和定位。

圖3 起重機整體滑移裝置

滑移底座承受起重機、正火機的重力以及懸掛正火機的彎矩，滑移底座受力如圖4所示。

圖4 滑移底座受力分析圖

其中，F(xiàn)為起重機和正火機的重力，為30 kN；當(dāng)起重機伸至最大行程時，對滑移底座的彎矩最大，M=72 kN·m，通過力的平衡計算，前端單個軸承承受的最大壓力為27.2 kN，選擇安全系數(shù)為3，最終選擇NUP2212E的圓柱滾子軸承。

2.2 前端門翻轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計

正火機的作業(yè)端部采用翻轉(zhuǎn)門結(jié)構(gòu)，通過油缸和連桿機構(gòu)實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)門的啟閉(見圖5)，翻轉(zhuǎn)門打開后，起重機將正火機吊運至工作位，起重機作業(yè)空間高度H1≥2 450 mm，限界高度H2≤2 700 mm。

圖5 前端門翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

翻轉(zhuǎn)門的質(zhì)量為250 kg，通過計算，液壓油缸缸徑為50 mm，桿徑為35 mm，行程為2 300 mm，壓力為17 MPa。翻轉(zhuǎn)門與艙體之間通過3個鉸鏈實現(xiàn)連接，隨著翻轉(zhuǎn)門的開啟，鉸鏈?zhǔn)芰χ饾u增大，完全開啟時鉸鏈?zhǔn)芰ψ畲鬄?2.66 kN(見圖6)。

圖6 鉸鏈?zhǔn)芰ψ兓?/p>

2.3 正火機

正火機(見圖7)是鋼軌感應(yīng)正火的工作裝置，采用鉗形的夾緊定位結(jié)構(gòu)形式[1]，通過夾鉗鋼的伸縮運動帶動夾鉗臂完成夾鉗的夾緊、松開動作，實現(xiàn)對鋼軌的夾緊和對位，從而實現(xiàn)感應(yīng)線圈定位。

圖7 正火機結(jié)構(gòu)示意圖

夾鉗施加在鋼軌的夾緊力為100 kN，避免了受熱應(yīng)力對焊縫的影響。

3 自行式平板車

自行式平板車用于承載集裝箱正火機組，采用變頻電機控制平板車速度，動力來自集裝箱正火機組的發(fā)電機組，可實現(xiàn)10 km/h速度自走行。自走行平板車上部設(shè)置有操作臺，為了方便雙向行駛和瞭望，在正火作業(yè)端設(shè)置有瞭望攝像頭，集成在正火艙體上，其余走行平板車各設(shè)備均設(shè)置在車架下部，包括走行輪對、牽引電機、齒輪箱、空壓機、單元制動器等(見圖8)。

圖8 自走行平板車簡圖

車體為框架式結(jié)構(gòu)，采用鋼板與型材組合而成，導(dǎo)框座及基礎(chǔ)制動支架鉚焊于車架兩側(cè)板上，減震采用板彈簧，制動閘缸安裝于車架面板上。操作臺上裝有手動調(diào)速裝置、JZ-7小閥、電氣開關(guān)、儀表等裝置。技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)

3.1 牽引傳動

采用2個變頻電機牽引，電機固定安裝在平板車下部架構(gòu)上，用萬向軸與齒輪箱連接，提供動力輸入，驅(qū)動平板車走行。動力傳遞路線為：發(fā)電機→變頻器→變頻電機→萬向軸→車軸齒輪箱→輪對。

自行式平板車軸列式為0-2-0，軸重12.5 t，經(jīng)計算，選用額定功率為45 kW、額定轉(zhuǎn)速為590 r/min、額定轉(zhuǎn)矩為728 N·m的變頻電機，車軸齒輪箱傳動比i=5.29，滿足設(shè)計要求。

3.2 制動

制動系統(tǒng)應(yīng)滿足35‰坡道制動和停放的要求，制動機選擇JZ-7小閥，停車主動選擇單元制動器停放制動方式，閘瓦間隙可調(diào)整。經(jīng)計算，制動倍率為3.8、速度為10 km/h時的緊急制動距離為15.7 m，滿足35‰坡道上制動和停放；但當(dāng)其中一套單元制動器停放失效時，在35‰坡道時會溜車，建議當(dāng)其中一套單元制動器失效時，停放的坡道不應(yīng)大于17‰。

4 在線監(jiān)控系統(tǒng)

在線監(jiān)控系統(tǒng)是利用監(jiān)控的數(shù)據(jù)讓設(shè)備“開口說話”，使得用戶對設(shè)備運行狀態(tài)、正火數(shù)據(jù)和報表、故障信息等關(guān)鍵信息全面掌握，便于設(shè)備的使用和維護保養(yǎng)。

在線監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式總線架構(gòu)[2]，監(jiān)控系統(tǒng)各個部件進行集中管理。在線監(jiān)控系統(tǒng)由上位機監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)、各部件電氣系統(tǒng)、GPS等組成，如圖9所示。各部件電氣系統(tǒng)和GPS通過485總線和網(wǎng)關(guān)進行通訊，電氣控制系統(tǒng)通過MPI總線與網(wǎng)關(guān)進行通訊，監(jiān)控系統(tǒng)在網(wǎng)關(guān)中進行數(shù)據(jù)的實時讀取，并予以顯示。

圖9 在線監(jiān)控系統(tǒng)框架

在線監(jiān)控系統(tǒng)由5個子菜單構(gòu)成，分別對冷水機、液壓泵站、柴油發(fā)電機、車輛定位和故障報警組成。在主界面點擊“進入設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)”即可進入。

5 應(yīng)用情況

地鐵鋼軌感應(yīng)正火機應(yīng)用于上海地鐵15號線鞍鋼U75V、60 kg/m鋼軌的正火作業(yè)(見圖10)，晶粒度、硬度等符合TB/T 1632——2014的要求。

圖10 正火機的現(xiàn)場應(yīng)用

截至2020年3月，已完成超過1 000個焊接接頭的正火作業(yè)，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用表明，地鐵鋼軌感應(yīng)正火作業(yè)車正火質(zhì)量穩(wěn)定，效率高，滿足現(xiàn)場長軌作業(yè)施工要求。