宋天琦，鄒小龍，廖美蕓

（華東交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，選擇更安全、更便捷、更環(huán)保的出行方式，讓人們對(duì)交通工具的質(zhì)量提出了更高的要求，因此作為現(xiàn)代化交通運(yùn)輸工具產(chǎn)物的高速鐵路，在眾多客運(yùn)方式中占據(jù)了重要地位。截止2020年底，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)總里程達(dá)到14.6 萬(wàn)km，覆蓋大約99%的20萬(wàn)人口及以上城市。在我國(guó)北方的部分地區(qū)如東北、華北等，冬季存在較長(zhǎng)的冰雪期，許多列車(chē)運(yùn)行區(qū)段由于下雪或風(fēng)吹雪等自然天氣造成道床積雪和線(xiàn)路掩埋，且由于氣溫較低，積雪可長(zhǎng)達(dá)數(shù)十天至數(shù)月不融。鐵路線(xiàn)路是鐵路運(yùn)輸業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備，需要較高標(biāo)準(zhǔn)和精度保證列車(chē)實(shí)現(xiàn)高速安全運(yùn)行。如果不及時(shí)清掃積雪，會(huì)造成列車(chē)降速、停運(yùn)，甚至脫軌，道砟或道床縫隙內(nèi)冰雪的膨脹會(huì)使線(xiàn)路變形導(dǎo)致鋼軌不平或扭曲，對(duì)行車(chē)安全造成隱患[1]。因此需要工務(wù)部門(mén)隨時(shí)準(zhǔn)備除雪應(yīng)急作業(yè), 隨著我國(guó)高寒雪區(qū)鐵路運(yùn)營(yíng)里程的延長(zhǎng)，工務(wù)部門(mén)對(duì)軌面進(jìn)行檢測(cè)及清理的任務(wù)量日益加劇。

目前國(guó)內(nèi)除少數(shù)作業(yè)區(qū)段擁有尚未成熟的清理設(shè)備，大部分鋼軌清理任務(wù)仍是人工完成。由于傳統(tǒng)人工方式的單一性和局限性，依靠自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備作業(yè)迫在眉睫[2]。2016年我國(guó)研制出首臺(tái)大型養(yǎng)護(hù)機(jī)械GCX-1000型軌道高速鐵路鋼軌軌面清掃車(chē)，GCX-1000型軌道高速鐵路鋼軌軌面清掃車(chē)車(chē)體配備滾刷式拋雪機(jī)除雪鏟、吹雪風(fēng)機(jī)等除雪裝置，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜表面的除雪技術(shù)、應(yīng)答器位置處的吹雪技術(shù)、低溫冷啟動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)，行進(jìn)間可以清除線(xiàn)路內(nèi)積雪，除雪的寬度達(dá)到2.6 m左右，拋雪距超過(guò)15 m，能夠同時(shí)滿(mǎn)足普速線(xiàn)路和高鐵線(xiàn)路的除雪要求[3-4]。但由于此型號(hào)的除雪作業(yè)車(chē)的除雪鏟構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，難以將鋼軌旁邊的積雪有效地聚攏，且該車(chē)型使用的滾刷式拋雪機(jī)拋出的距離雖可達(dá)15 m，但從實(shí)際效果來(lái)看拋出雪的狀態(tài)多為雪塊與雪霧，因此在作業(yè)完成后道旁積雪極有可能被重復(fù)吹起[5]。此外，軌面上的積雪經(jīng)過(guò)車(chē)輪壓過(guò)后容易融化成水，積水在低溫條件下極易結(jié)成冰，而鋼軌軌面結(jié)冰會(huì)直接破壞輪軌間的黏著，影響行車(chē)安全甚至造成安全事故。

基于GCX-1000型軌道高速鐵路鋼軌軌面清掃車(chē)的不足之處，設(shè)計(jì)了高速鐵路鋼軌軌面清掃及缺陷檢測(cè)車(chē)，針對(duì)高速鐵路鋼軌表面不同的結(jié)冰積雪情況進(jìn)行分步驟地高效處理，并且對(duì)處理的結(jié)果進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)來(lái)確保行車(chē)安全。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模塊劃分

1.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于鐵道工程車(chē)輛，由于工作過(guò)程中會(huì)在道床兩側(cè)一定范圍內(nèi)作業(yè)，所以必須防范鐵道工程車(chē)輛的外伸工作部分與鐵道兩旁的設(shè)備、鐵道上方的接觸網(wǎng)以及其他線(xiàn)路上運(yùn)行的車(chē)輛產(chǎn)生碰撞。鐵道車(chē)輛在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，外伸工作部分必須完全收回，與鐵道工程車(chē)輛固定牢固，并采取一定的安全措施防止在鐵道工程車(chē)輛的運(yùn)行過(guò)程中外伸工作部分意外地伸展甚至脫落而引發(fā)事故。故我們對(duì)如圖1所示的車(chē)身限界、圖2所示的設(shè)備分布及其在工作過(guò)程中的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并針對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真和計(jì)算，確保在轉(zhuǎn)運(yùn)和施工作業(yè)過(guò)程中的安全。

圖1 車(chē)身限界圖

圖2 主要設(shè)備布局

1.2 車(chē)前除雪裝置設(shè)計(jì)

如圖3所示，車(chē)前除雪機(jī)構(gòu)可在積雪較厚的工況下（降雪，風(fēng)吹雪）快速有效地將鋼軌周?chē)姆e雪聚攏在車(chē)的前方，并將車(chē)前的積雪推送到圖5所示的冰雪傳輸裝置中，從而暴露出鋼軌的表面，為下一步鋼軌表面的除雪除冰工作做好準(zhǔn)備。且在車(chē)底兩側(cè)配備有輔助吹風(fēng)機(jī)，可將除雪鏟縫隙里漏下的冰雪碎粒吹落鋼軌，防止二次積雪結(jié)冰，進(jìn)一步提高除雪的質(zhì)量。輔助吹風(fēng)機(jī)的安裝位置如圖4所示。

圖3 車(chē)前除雪裝置設(shè)計(jì)

圖4 輔助風(fēng)機(jī)圖

1.3 冰雪傳輸及拋灑裝置設(shè)計(jì)

當(dāng)圖3中車(chē)前除雪裝置將鋼軌表面與軌道板上的大量的積雪聚攏入收集口內(nèi)，收集口內(nèi)置的多個(gè)圖5所示的冰雪傳輸單元可依次傳輸收集到的冰雪，并在傳輸過(guò)程中對(duì)積雪進(jìn)行初步壓縮，將蓬松的雪花壓實(shí)形成冰粒，傳送到拋灑口附近，由拋灑口通過(guò)圖6所示的冰雪拋灑裝置中的高速氣流將冰雪顆粒拋灑到鋼軌之外的一定距離。拋灑出的冰粒由于具有比蓬松的雪花更大的密度和較小的表面積，故不易被風(fēng)吹起而形成高速鐵路鋼軌表面的二次積雪結(jié)冰。

圖5 冰雪傳輸裝置設(shè)計(jì)

圖6 冰雪拋灑裝置設(shè)計(jì)

1.4 檢測(cè)模塊與檢測(cè)形式

鋼軌表面清理工作完成后必須判斷處理過(guò)的鋼軌區(qū)段是否滿(mǎn)足通行條件，檢測(cè)鋼軌表面處理的效果以及是否存在較大的表面缺陷。該鋼軌軌面清掃及缺陷檢測(cè)車(chē)上攜帶接觸式和非接觸式兩種檢測(cè)裝置，為此區(qū)段是否能夠恢復(fù)通車(chē)提供有力依據(jù)。

接觸式鋼軌表面檢測(cè)裝置如圖7所示，依據(jù)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)輪與鋼軌表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)測(cè)定鋼軌表面狀態(tài)，從而得出除冰除雪學(xué)的作業(yè)效果是否滿(mǎn)足要求。

非接觸式視覺(jué)檢測(cè)裝置如圖8所示，采用Dalas Prianha 4K高精度線(xiàn)陣攝像機(jī)將鋼軌邊界細(xì)化為像素級(jí)別的精細(xì)輪廓的尺度，檢測(cè)影響鋼軌表面質(zhì)量的嚴(yán)重磨耗與肥邊掉塊等情況，快速獲得準(zhǔn)確有效的鋼軌表面信息。輔助以大功率LED燈輔助照明系統(tǒng)，以獲得統(tǒng)一穩(wěn)定的成像質(zhì)量。

1.5 車(chē)底折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖7與圖8所示的鋼軌表面檢測(cè)裝置均懸掛在圖9所示的車(chē)底折疊裝置上，并通過(guò)定位裝置精準(zhǔn)地定位到鋼軌的正上方。

圖7 接觸式鋼軌表面檢測(cè)裝置

圖8 非接觸視覺(jué)檢測(cè)裝置

圖9 車(chē)底折疊機(jī)構(gòu)

采用自頂向下的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)車(chē)底折疊機(jī)構(gòu)，根據(jù)車(chē)身與鋼軌底部的可利用空間以及車(chē)輛限界等因素確定此機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍。通過(guò)承載架、斜向擺動(dòng)液壓缸、斜向伸縮液壓缸、調(diào)整液壓缸、橫向調(diào)整機(jī)構(gòu)等調(diào)整機(jī)構(gòu)來(lái)改變車(chē)底折疊機(jī)構(gòu)各零件間的位置關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)鋼軌檢測(cè)裝置在鋼軌表面的精確定位。

2 創(chuàng)新及實(shí)用性

該軌面清掃及缺陷檢測(cè)車(chē)集清冰除雪、軌道檢測(cè)等多種設(shè)備為一體，能夠針對(duì)高速鐵路鋼軌表面結(jié)冰積雪的不同情況進(jìn)行分步有效的處理，并對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)分析，以確保列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中的安全。如圖10所示，該車(chē)型共涉及三大模塊，分別是車(chē)前除雪模塊、冰雪傳送與拋灑模塊及缺陷檢測(cè)模塊。車(chē)前除雪模塊將鋼軌周?chē)姆e雪快速有效地聚攏在車(chē)前方，通過(guò)冰雪傳送與拋灑模塊將車(chē)前堆積的冰雪拋灑至遠(yuǎn)離鋼軌處，并利用吹掃方式處理軌道表面的殘余冰雪碎粒，提高了除雪質(zhì)量，防止二次積雪成冰，最后通過(guò)檢測(cè)模塊，利用接觸與非接觸檢測(cè)裝置共同對(duì)軌面處理效果給予反饋，并為除冰除雪作業(yè)后線(xiàn)路的安全通行條件的評(píng)估提供依據(jù)。

圖10 高速鐵路鋼軌表面清掃及缺陷檢測(cè)車(chē)模塊劃分

各模塊之間的協(xié)調(diào)配合，大大提高了清冰除雪的效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了清冰除雪過(guò)程中對(duì)鋼軌的傷害，減少了軌道表面二次結(jié)冰的概率，降低了降雪天氣下列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的安全隱患，為建造高速高效的全方位軌道清冰除雪設(shè)備提供新的方案。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)氣候變化多端，我國(guó)多個(gè)地區(qū)冬季頻降暴雪，不僅給鐵路交通的正常運(yùn)行造成了極大不便，同時(shí)也給鐵路工作人員的作業(yè)帶來(lái)巨大困難。本文針對(duì)高速鐵路鋼軌軌面清掃及缺陷檢測(cè)車(chē)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索與嘗試，主要依據(jù)高速鐵路鋼軌表面積雪結(jié)冰的實(shí)際工況，對(duì)高速鐵路鋼軌表面積雪結(jié)冰及其他雜物形成的原因進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并以此為基礎(chǔ)，以軌道車(chē)輛的限界以及方法為參考，分功能模塊設(shè)計(jì)了一款高速鐵路鋼軌軌面清掃及缺陷檢測(cè)車(chē)，有效提高了作業(yè)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，確保了行車(chē)安全，具有一定的實(shí)用價(jià)值。