宋曉陽(yáng) 高春雷 何國(guó)華

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

有砟軌道清篩作業(yè)主要依靠道砟清篩機(jī)完成。我國(guó)鐵路橋梁在兩片梁之間設(shè)有防水蓋板，此蓋板即為清篩機(jī)挖掘?qū)Р圩畹兔妫瑥臉蛄号潘疁系撞恐练浪w板之間的垂直距離即為清篩機(jī)無(wú)法清理的道砟厚度。目前橋梁排水溝挖掘主要依靠人工作業(yè)，施工環(huán)境和挖掘效果差，安全保障困難［1-2］。為此，本文針對(duì)SQS300 橋隧清篩機(jī)，通過(guò)理論計(jì)算、方案設(shè)計(jì)確定挖掘裝置相關(guān)參數(shù)與結(jié)構(gòu)形式，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證其作業(yè)效果。

1 排水溝挖掘裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 排水溝挖掘裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該裝置由挖掘輪、鏈輪傳動(dòng)裝置、馬達(dá)、橫移機(jī)構(gòu)、超高調(diào)整油缸、電氣控制盒等組成，如圖1 所示。挖掘輪有6 個(gè)扒齒，挖掘輪與馬達(dá)安裝于鏈輪傳動(dòng)裝置上，馬達(dá)通過(guò)鏈輪傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)挖掘輪旋轉(zhuǎn)。

鏈輪傳動(dòng)裝置上端鉸接于橫移機(jī)構(gòu)下端，通過(guò)提升油缸與擺動(dòng)油缸連接，可實(shí)現(xiàn)挖掘裝置90°旋轉(zhuǎn)。

橫移機(jī)構(gòu)通過(guò)橫移油缸可以在收車(chē)位至工作位之間任意位置移動(dòng)。超高調(diào)整油缸上端連接車(chē)架，下端連接橫移機(jī)構(gòu)，可以在不同超高工況下挖掘。

圖1 排水溝挖掘裝置組成示意

電氣控制盒（圖2）上設(shè)有超高指示燈，可顯示雙側(cè)裝置超高狀態(tài)。提升油缸設(shè)有浮動(dòng)位開(kāi)關(guān)，可使裝置依靠自重挖掘。超高調(diào)整油缸設(shè)有自動(dòng)調(diào)平開(kāi)關(guān)，可通過(guò)調(diào)平傳感器自動(dòng)調(diào)平。

圖2 電氣控制盒

1.2 挖掘裝置驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

排水溝挖掘裝置扒松道砟需要克服的挖掘阻力W包括切削道砟阻力W1，枕底段道砟與道砟間的摩擦阻力W2、枕底段道砟與挖掘輪扒齒間的滑動(dòng)摩擦阻力W3。3個(gè)阻力的單位均為N。

W1的計(jì)算公式為

式中：Kc為道砟的挖掘阻力系數(shù)，一般道床取0.29～0.39 N/mm2，翻漿冒泥道床取0.59～0.69 N/mm2，板結(jié)嚴(yán)重道床取0.69～0.88 N/mm2；A為扒齒運(yùn)動(dòng)方向扒松的道砟面積，mm2；h為每個(gè)扒齒扒松的道砟高度，mm；S為每個(gè)扒齒切入深度，mm；Z1為在枕底段同時(shí)工作的扒齒數(shù)。

計(jì)算可得W1=6 292.8 N。

W2的計(jì)算公式為

式中：G為扒齒間道砟重量，以充滿(mǎn)2 個(gè)扒齒間的空間計(jì)；μ1為道砟與道砟間的摩擦因數(shù)。

計(jì)算可得W2=94.78 N。

W3的計(jì)算公式為

式中：μ2為道砟與鋼材之間的摩擦因數(shù)，對(duì)于碎石道砟一般取0.5［3］；β為扒齒面與垂直方向的夾角，取36°［4］。

計(jì)算可得W3=2.3 N。

挖掘驅(qū)動(dòng)力Pw需要克服W，即Pw＞W(wǎng)。驅(qū)動(dòng)功率Nw的計(jì)算公式為

式中：Vw為挖掘輪線速度，取2.4 m/s；η為機(jī)械傳動(dòng)效率，一般為0.86～0.92［5］，本文取0.90。

計(jì)算可得Nw=17.04 kW。

1.3 挖掘裝置相關(guān)部件選型

排水溝挖掘裝置的橫移機(jī)構(gòu)采用Q345 鋼板拼焊而成，鏈輪傳動(dòng)裝置與挖掘輪由鑄鋼鑄造成型。下面對(duì)馬達(dá)與油缸進(jìn)行選型計(jì)算。

1）馬達(dá)選型

由式（4）可知排水溝挖掘裝置所需的驅(qū)動(dòng)功率Nw為17.04 kW，據(jù)此選取350 馬達(dá)：排量350 mL/r，額定壓力27.5 MPa，額定轉(zhuǎn)速660 r/min。排水溝挖掘裝置所需克服的阻力為6.4 kN，挖掘輪直徑取800 mm，則挖掘輪輸入扭矩為2 560 N·m。SQS300橋隧清篩機(jī)液壓系統(tǒng)提供的油壓為25 MPa，流量為120 L/min，此時(shí)馬達(dá)扭矩為1 300 N·m，鏈輪傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)速比為1∶2，則馬達(dá)經(jīng)鏈輪傳動(dòng)裝置提供給挖掘輪的扭矩為2 600 N·m，大于挖掘輪輸入扭矩2 560 N·m，滿(mǎn)足要求。

2）油缸選型

橫移機(jī)構(gòu)實(shí)測(cè)阻力為26 700 N，橫移行程為415 mm。橫移油缸選取63/32-450 油缸，額定壓力為16 MPa，最大推力為49 880 N，最大拉力為37 010 N。

鏈輪傳動(dòng)裝置通過(guò)提升油缸、擺動(dòng)油缸繞固定軸旋轉(zhuǎn)，滿(mǎn)足排水溝挖掘裝置工作、收車(chē)要求。實(shí)測(cè)提升阻力約32 540 N，提升行程為185 mm，提升油缸、擺動(dòng)油缸均選取63/32-200 型油缸。排水溝挖掘裝置與車(chē)架為兩點(diǎn)支撐，其中一點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸，另一點(diǎn)為超高調(diào)整油缸。實(shí)測(cè)超高調(diào)整油缸阻力為46 820 N，超高行程為150 mm。超高調(diào)整油缸選取80/40-120雙油缸。

2 排水溝挖掘裝置工作原理

排水溝挖掘裝置采用液壓驅(qū)動(dòng)，依靠換向閥、溢流閥、平衡閥、電磁閥等實(shí)現(xiàn)裝置的各種動(dòng)作。挖掘過(guò)程中須進(jìn)行浮動(dòng)與保壓控制、超高調(diào)平控制以及雙側(cè)馬達(dá)控制等。

2.1 浮動(dòng)與保壓控制

排水溝挖掘裝置擺動(dòng)油缸、超高調(diào)整油缸均設(shè)有平衡閥，以實(shí)現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)保壓功能。

該裝置處于工作位時(shí)，若提升油缸保持恒壓則該裝置遇到道床板結(jié)嚴(yán)重時(shí)容易卡滯，甚至將清篩機(jī)頂起側(cè)翻，因此采用提升油缸浮動(dòng)的方式通過(guò)挖掘輪扒松道砟。提升油缸浮動(dòng)與保壓原理如圖3 所示。DT1—DT4為電磁鐵。

圖3 提升油缸浮動(dòng)與保壓原理

排水溝挖掘裝置工作時(shí)提升油缸的浮動(dòng)功能通過(guò)電磁換向閥得電使提升油缸進(jìn)出油口接通來(lái)實(shí)現(xiàn)。

排水溝挖掘裝置處于收車(chē)位時(shí)提升油缸將鏈輪傳動(dòng)裝置收起，由于電磁換向閥的內(nèi)泄使得提升油缸在鏈輪傳動(dòng)裝置自重作用下緩慢下降，難以保壓。由于球閥有極好的密封性能，因此在提升油缸有桿腔側(cè)加裝常閉式二位二通電磁球閥，其在排水溝挖掘裝置工作時(shí)得電、收車(chē)時(shí)失電，實(shí)現(xiàn)提升油缸的保壓功能。

2.2 超高調(diào)平控制

由于鐵路線路存在超高，因而須設(shè)置超高調(diào)整油缸確保在超高工況下正常工作。超高調(diào)平控制系統(tǒng)由2 個(gè)超高調(diào)整油缸和1 個(gè)調(diào)平傳感器組成，如圖4所示。

圖4 調(diào)平傳感器與超高調(diào)整油缸

在挖掘裝置橫移機(jī)構(gòu)上安裝調(diào)平傳感器，通過(guò)電氣控制可實(shí)現(xiàn)任意超高狀態(tài)下油缸自動(dòng)調(diào)平。

超高調(diào)平時(shí)間與油缸速度相關(guān)，同時(shí)受調(diào)平傳感器靈敏度影響，因此在調(diào)平傳感器可識(shí)別范圍內(nèi)提高油缸速度可以縮短超高調(diào)平時(shí)間。

2.3 雙側(cè)馬達(dá)控制

SQS300 橋隧清篩機(jī)左右兩側(cè)排水溝挖掘裝置馬達(dá)由一臺(tái)泵控制，采用同步馬達(dá)實(shí)現(xiàn)分流，避免雙側(cè)挖掘裝置同時(shí)工作時(shí)載荷不均造成馬達(dá)流量分配不均。雙側(cè)馬達(dá)控制原理如圖5所示。

圖5 雙側(cè)馬達(dá)控制原理

僅有左側(cè)馬達(dá)工作時(shí)，電磁換向閥1和電磁球閥1得電，電磁換向閥2、電磁球閥2和3失電；僅有右側(cè)馬達(dá)工作時(shí)，電磁換向閥2 和電磁球閥2 得電，電磁換向閥1、電磁球閥1和3失電。

僅單側(cè)馬達(dá)工作時(shí)電磁球閥3 失電，此時(shí)電氣控制盒發(fā)出電信號(hào)使得泵輸出流量減半，同步馬達(dá)輸出的兩路油液合流；雙側(cè)馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)電磁換向閥1，2與電磁球閥1，2，3同時(shí)得電，電氣控制盒發(fā)出電信號(hào)使得泵滿(mǎn)流量輸出，此時(shí)同步馬達(dá)輸出的兩路油液分別驅(qū)動(dòng)左右兩側(cè)馬達(dá)工作。

泵的排量由電比例閥控制，電氣控制盒給定電流在330～820 mA 變化時(shí)泵的排量在0～350 cm3呈線性變化。

3 排水溝挖掘裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 站場(chǎng)試驗(yàn)

在成都工務(wù)大機(jī)段站場(chǎng)內(nèi)做了排水溝挖掘裝置超高調(diào)平時(shí)間試驗(yàn)、馬達(dá)轉(zhuǎn)速試驗(yàn)。

1）超高調(diào)平時(shí)間試驗(yàn)

將超高調(diào)整油缸分別上升或下降至極限位置，然后按下自動(dòng)調(diào)平按鈕，記錄下相應(yīng)的超高調(diào)平時(shí)間與油缸速度，見(jiàn)表1。

表1 超高調(diào)平時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

由表1可見(jiàn)：當(dāng)超高調(diào)整油缸速度較快時(shí)（速度大于7 mm/s），調(diào)平傳感器難以檢測(cè)到平衡位置，調(diào)低油缸速度至低于5.5 mm/s 時(shí)，油缸可以自動(dòng)調(diào)平，但速度降低時(shí)超高調(diào)平時(shí)間延長(zhǎng)，因此超高調(diào)整油缸速度確定為5.5 mm/s。

2）馬達(dá)轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

分別啟動(dòng)雙側(cè)馬達(dá)，通過(guò)電氣控制盒給電比例閥輸入不同電流，記錄馬達(dá)轉(zhuǎn)速，結(jié)果見(jiàn)表2。當(dāng)給定電流在330～820 mA 變化時(shí)，理論上馬達(dá)轉(zhuǎn)速應(yīng)在0～120 r/min呈線性變化。

表2 馬達(dá)轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果

由表2 可見(jiàn)：僅單側(cè)馬達(dá)工作時(shí)電氣控制盒發(fā)出電信號(hào)使泵輸出流量減半；雙側(cè)馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)電氣控制盒發(fā)出電信號(hào)使泵滿(mǎn)流量輸出，且馬達(dá)轉(zhuǎn)速隨給定電流基本呈線性變化。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

將SQS300 橋隧清篩機(jī)置于成昆線攀枝花站至迤資站區(qū)間的一座鐵路橋梁上進(jìn)行試驗(yàn)。2套挖掘裝置同時(shí)工作（圖6），挖掘馬達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)至80 r/min，提升油缸調(diào)節(jié)至浮動(dòng)位，開(kāi)始挖掘。

圖6 排水溝挖掘裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

排水溝挖掘裝置在清篩機(jī)挖掘之后，新砟回填之前挖掘，作業(yè)過(guò)程順暢，可挖松排水溝區(qū)域道砟。之后再由人工輔助疏通排水孔。

4 結(jié)論

排水溝挖掘裝置固定在SQS300 橋隧清篩機(jī)車(chē)架底部，通過(guò)橫移、提升及擺動(dòng)油缸將裝置收起與放置在不同工作位。提升油缸設(shè)有浮動(dòng)位開(kāi)關(guān)可使裝置依靠自重挖掘，避免道床板結(jié)嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)卡滯，而且超高調(diào)整油缸可自動(dòng)調(diào)平以適應(yīng)軌道不同超高工況。采用單泵驅(qū)動(dòng)雙側(cè)馬達(dá)，采用同步馬達(dá)控制排水溝挖掘裝置雙側(cè)馬達(dá)流量分配均勻。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該裝置可以將橋梁兩側(cè)排水溝區(qū)域道砟挖松，恢復(fù)道床排水性能。