劉 秀 張智榮 姚宇涵

(1.國能包神鐵路集團有限責任公司運輸管理部 內蒙古包頭 014010；2.中國鐵建高新裝備股份有限公司鐵路養(yǎng)護裝備研究設計院 云南昆明 650215)

1 引言

國能包神鐵路集團有限責任公司(以下簡稱包神鐵路集團)營業(yè)里程872 km，占國家能源集團鐵路總里程的36.8%。包神鐵路集團管轄神朔鐵路268 km、包神鐵路192 km、甘泉鐵路333 km和塔韓鐵路79 km。管內鐵路相繼穿越3省區(qū)6市17個區(qū)縣，年運輸能力達4.2億t，年裝車量3億t，占國家能源集團總裝車量的70%以上。

管內共有橋梁615座、隧道70座、涵洞1971座，其中特大橋43座，管內正線橋隧比為16.85%。鐵路投入運營至今，隧道、橋梁內線路受撒落煤粉污染，部分排水不暢線路道床板結嚴重，需進行道床清篩作業(yè)。然而在橋梁上和隧道中由于受施工作業(yè)面寬度限制，使得傳統(tǒng)清篩機無法直接用于橋隧線路上進行作業(yè)。

目前國內鐵路清篩作業(yè)主要依靠邊坡清篩機、中/大型清篩車及道岔清篩機等設備[1]。以QS-450及QS-650清篩機為例，其最小清篩作業(yè)寬度分別為3 900 mm和4 300 mm，作業(yè)效率分別為450 m3/h及650 m3/h[2]。然而，橋梁及隧道清篩作業(yè)最小寬度僅為3 100 mm，難以滿足橋梁隧道清篩作業(yè)需求，依舊以人工清篩為主。人工清篩所需施工人員較多，施工人員組成復雜，具有較大的管理難度，存在人身及設備安全隱患。此外，人工清篩作業(yè)還存在道砟清理不全、清潔程度不均勻和嚴重板結地段作業(yè)困難等問題[3]。為解決橋梁上和隧道內線路機械化清篩施工空白，中國鐵建高新裝備股份有限公司研制了SQS-300K型橋隧清篩機，可實現(xiàn)橋隧機械化清篩作業(yè)[4-5]。

SQS-300K型橋隧專用清篩機構成如圖1所示。其主要功能包括:道砟開挖、舊砟篩分、新砟儲存并回填、清篩施工后軌道水平監(jiān)測及調整、挖掘裝置、前后起撥道、走行系統(tǒng)和發(fā)動機廢氣凈化等。

SQS-300K型橋隧專用清篩機目前成功應用于鐵路橋梁有砟線路的機械化清篩。施工期間無需拆卸道床上部的鋼軌和軌枕；使用過程中，挖掘鏈在軌枕下方挖掘污碴，同時將清篩完成后的道砟重新填回道床；然后經(jīng)過篩分的污物可通過輸送帶被拋到線路一側或編組中的物料車儲料倉內，清篩后的道床質量得到了很大提高。然而在實際清篩作業(yè)過程中依舊存在一些問題。

2 清篩作業(yè)中遇到的主要問題

(1)目前國內單線橋梁和隧道作業(yè)面寬度為3 100～3 900 mm。依據(jù)調查結果，作業(yè)面寬度小于3 200 mm的隧道線路占國內線路的55.72%，單線鐵路橋梁作業(yè)寬度為3 900 mm的線路僅占國內線路的15.4%，傳統(tǒng)的清篩機挖掘結構不適用于此種作業(yè)條件[6]。需綜合考慮橋隧整體技術參數(shù)特點對挖掘結構進行重新設計及布置，須滿足最小挖掘寬度3 100 mm[7]。

(2)SQS-300K型橋隧專用清篩機，在嚴重板結線路進行清篩作業(yè)過程中，挖掘扒鏈容易卡死。通過清篩作業(yè)現(xiàn)場勘測發(fā)現(xiàn)，板結后的道床會對扒鏈形成一個向上的推力，使挖掘扒鏈向上傾斜，挖掘鏈條上端的扒齒會拍打軌枕底部，致使挖掘刀板底梁通不過軌枕，最終導致挖掘鏈條卡死[8]。

(3)SQS-300K型橋隧專用清篩機在隧道內進行清篩作業(yè)，道砟容易產(chǎn)生粉塵，由于隧道內空間狹小，空氣流動性差，對現(xiàn)場作業(yè)人員健康造成不良影響。此外，過量粉塵容易遮擋作業(yè)視線，存在一定的安全隱患。

(4)SQS-300K型橋隧專用清篩機挖掘上升導槽入口容易受道砟磨損，普通耐磨鋼板受磨損嚴重，挖掘作業(yè)每500 m左右需進行一次更換，保養(yǎng)工作量較大。

(5)清篩車組在隧道內進行作業(yè)時，需多種車輛進行配合作業(yè)，多臺車輛的發(fā)動機將產(chǎn)生大量有毒氣體。SQS-300K型橋隧清篩車作業(yè)走行速度較慢(0～2 km/h)，且隧道內空氣流通性差，有毒氣體容易在作業(yè)現(xiàn)場形成堆積。

3 技術改進措施

(1)為滿足最小挖掘寬度3 100 mm的要求，將清篩機傾斜式挖掘裝置改為垂直式挖掘裝置，作業(yè)效率為300 m3/h，最小作業(yè)曲線半徑為200 m。相比于傾斜式挖掘裝置，垂直式挖掘裝置可以將導輪和角導槽放置在枕木下方，扒板方向平行于連接銷軸，可以大幅度減小所需挖掘寬度，可以實現(xiàn)Ⅱ型軌枕最小開挖寬度為3 100 mm、Ⅲ型軌枕最小開挖寬度為3 200 mm要求。此外，垂直式挖掘裝置可以使回填輸送帶距離挖掘裝置更近，作業(yè)結束時未回填的枕木孔僅有四孔。落砟斗及潔砟帶可以儲存道砟，作業(yè)結束時使用落砟斗及潔砟帶上的道砟即可將所有枕木孔回填完，減少所需的人工回填枕木孔數(shù)量，并且垂直挖掘裝置挖掘深度低，所需石砟厚度更小，道床枕木下部石砟厚度不小于180 mm時可正常作業(yè)；當石砟層厚度小于180 mm時，可通過起撥道裝置正常作業(yè)。另外垂直式挖掘裝置采用一體式框架結構，振動小。在橋梁清篩作業(yè)時，能夠降低對橋梁的結構性損傷。依據(jù)SQS-300K型橋隧清篩車現(xiàn)場作業(yè)實際監(jiān)測，整機挖掘作業(yè)對橋梁影響小，豎向振動范圍在0.80～1.12 mm間，橫向振動范圍在0.52～0.69 mm間。

(2)橋梁及隧道內排水溝清理困難，極易形成板結路段。基于當前作業(yè)條件，對以往挖掘扒鏈進行優(yōu)化升級，增加了破底齒。通過對SQS-300K型橋隧專用清篩機現(xiàn)場清篩勘測結果分析，以往挖掘裝置的主要原理是通過安裝在扒砟板上的多對扒齒組進行扒砟，每對扒齒組均有三個扒齒構成，其中每一個扒齒與相鄰另一個扒齒的中軸線均以一定角度進行安裝，扒齒挖掘端部為錐形頭，錐形頭端部凸出扒板底平面，如圖2a所示。遇到板結路段時，位于最下端及最上的扒齒不與軸線平行，板結道床僅受到來自位于中間單個扒齒的破碎力，最下端與上端的扒齒不參與對板結道床的破碎，使挖掘扒鏈向上傾斜，最終導致挖掘鏈條卡死。為此，在原有的挖掘扒鏈基礎上新增了多組破底齒，新加入的破底齒依舊由三個扒齒構成，但每一個扒齒與相鄰另一個扒齒的中軸線平行安裝，保證在遇板結路段時，對板結后的道床形成足夠的挖掘破碎能力，如圖2b所示。但是破底齒的加入減低了扒砟量，因此新增的破底齒數(shù)量需根據(jù)現(xiàn)場線路板結程度進行確定。

(3)通過清篩作業(yè)現(xiàn)場揚塵情況來看，揚塵主要來源于自挖掘裝置、輸送帶系統(tǒng)附近。因此在輸送帶入料方向、輸送帶出料方向及挖掘裝置兩側設置了噴水口，并采用霧化噴頭可實現(xiàn)既增加噴灑面積又可降低所需水量[9](噴水量控制在0.2 m3/h)。具體改造措施如下:通過將物料運輸車進行改造升級，增加30 t水箱于物料車儲料箱下端。將物料運輸車水箱中水源通過管道引至SQS-300K型橋隧專用清篩機的水霧噴頭處。為了最大化減少作業(yè)過程中的粉塵，清篩作業(yè)前就需啟動噴霧系統(tǒng)，作業(yè)完成后噴霧系統(tǒng)需延時關閉[10]。改造后的SQS-300K型橋隧專用清篩機作業(yè)時，既不起揚塵，道床也無泥濘的現(xiàn)象，降塵效果顯著?，F(xiàn)場清篩噴霧系統(tǒng)工作如圖3所示。

(4)原有上升導槽入口容易受到道砟磨損，并受到較大的沖擊力。一是傳統(tǒng)耐磨鋼材耐磨性能差，實際作業(yè)過程中，每作業(yè)500 m就需更換一次耐磨鋼板，如圖4a所示；二是通過表面熱處理提高鋼材耐磨性能(如滲氮、滲碳、淬火或堆焊耐磨材料)，在受到較大沖擊力的情況下，表面耐磨層與母材容易發(fā)生脫落，且表面熱處理工藝成本較高，導致整機使用成本增加。因此，SQS-300K型橋隧專用清篩機選用了45SiMnCrMo耐磨鑄鋼作為上升導槽的耐磨板。在實際使用過程中，它能夠抵抗道砟的沖擊及切削，并且加入合金元素的量少且成本較低，降低了整車的使用成本[11]。更換了耐磨鑄鋼后，經(jīng)過觀察，耐磨鑄鋼磨損量很小且延長了設備使用壽命，如圖4b所示。

(5)針對隧道內作業(yè)編組車輛產(chǎn)生有毒氣體的問題，一方面，清篩施工作業(yè)設備在不影響作業(yè)效率的情況下，應盡可能將發(fā)動機排放減少并加裝后處理裝置，并且作業(yè)編組在進入隧道前應先啟機預熱。

另一方面加裝風機組，在隧道內創(chuàng)造2 m/s的風速。為保證風機組通風效果，通過ANSYS CFD模塊進行仿真。依據(jù)機車限界簡化編組中的各車型，將整個編組置于135 m直線隧道中，并對此區(qū)域流場進行計算，計算模型如圖5所示[12]。從速度云圖可知，3個工作區(qū)域的人員工作位置，空氣流速均大于2 m/s，可見通風裝置可以起到良好的通風效果。兩線間射流空氣速度衰減比近壁面快，對應3個工作位置可直觀對比編組設備兩側空氣流動速度，近壁面空氣流速均在4 m/s以上，而兩線間流速很快降至2 m/s。

依據(jù)上述計算結果，在SQS-300K型橋隧專用清篩機增加風機組，放置于清篩機車頂，并在平板車上安裝軸流風機，給清篩區(qū)域創(chuàng)造良好的通風條件，確保清篩各點位作業(yè)人員安全的作業(yè)環(huán)境。

4 應用情況

改進后的SQS-300K型橋隧專用清篩機于2021年1月正式使用，先后在太原局大秦線、襄渝線、成都局成昆線和國能朔黃鐵路公司進行了作業(yè)(見圖6)。2022年1月對SQS-300K型橋隧清篩車進行解體檢查，通過檢查發(fā)現(xiàn)整車關鍵零部件性能良好，能夠滿足清篩作業(yè)需求。通過為期一年清篩作業(yè)，清篩機總作業(yè)時間為233 h、運行里程達10 326 km，能夠適應橋隧環(huán)境的清篩作業(yè)，能夠滿足3 100 mm的最小挖掘寬度和180 mm的枕下最低挖掘深度，清篩效率達到300 m3/h。

5 結論

(1)SQS-300K型橋隧專用清篩機通過改用垂直式挖掘裝置，實現(xiàn)了對3 100 mm(Ⅱ型枕)、3 200 mm(Ⅲ型枕)作業(yè)寬度挖掘。通過縮短回填輸送帶與挖掘裝置的距離，減少作業(yè)完成場后人工輔助的時間，極大程度提高了天窗利用率。

(2)對傳統(tǒng)挖掘鏈增加破底齒，增加了對板結道床破碎及挖掘能力，實現(xiàn)對板結路段的快速清篩，減少天窗點內人工對板結路段清挖時間。

(3)針對施工過程中產(chǎn)生的揚塵，于整車工作裝置附近均設置了霧化噴頭，在滿足作業(yè)時間要求的前提下，最大化地增加了噴撒面積，實現(xiàn)清篩、挖掘作業(yè)無揚塵目標。

(4)為減少隧道施工過程中的有害氣體，在作業(yè)編組平板車上增設4臺軸流風機，使隧道內產(chǎn)生2 m/s的“穿堂風”，可減少有毒氣體的殘留。

(5)SQS-300K型橋隧專用清篩機還設計了具有自動控制功能的主、輔軌道升降裝置，可用于線路開挖前后的起拔道。