摘要：軌枕螺栓改錨是工務(wù)維修養(yǎng)護中的一項重要作業(yè)。目前使用的改錨機存在功能單一、結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、容易損壞岔枕、下道困難等缺點?；诖耍疚脑O(shè)計了鋰電多功能軌枕改錨機，具有安全可靠、環(huán)保節(jié)能、機動便捷、一機多用等優(yōu)點，在模塊化組裝、智能芯片、轉(zhuǎn)速和電流恒定輸出、鉆頭快速轉(zhuǎn)換、精準定位等方面進行了技術(shù)創(chuàng)新，在曲靖工務(wù)段紅果線路車間管內(nèi)的紅果站試用，提升了作業(yè)效率、促進了節(jié)支降耗，具有較好的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：鋰電；多功能；軌枕；改錨

線路、道岔設(shè)備隨著使用時間的增加，會出現(xiàn)道床板結(jié)、翻漿冒泥、軌枕空吊等病害，軌面不平順日益嚴重，增加了列車沖擊力，扣件螺栓松動也會造成沖擊力集中，致使硫黃錨固螺栓和岔枕反錨螺栓折斷、岔枕尼龍?zhí)坠苁?、木枕螺紋道釘喪失持釘力等問題逐漸增多，嚴重時會影響行車安全。傳統(tǒng)的改錨作業(yè)效率低下，因此需要研究性能優(yōu)良的改錨設(shè)備，提升作業(yè)效率，改善鐵路設(shè)備質(zhì)量。

1研究背景

目前鐵路上的折斷螺栓和尼龍?zhí)坠芨腻^通常采用手工鉆取和機械鉆取兩種方式。

1.1手工鉆取

手工鉆取經(jīng)常采取兩種方法：一種是使用鏨子等簡易工具進行鑿除；另一種是在丁字套筒上焊接錐柄麻花鉆頭，3人推磨式鉆取。其缺點是鉆取難度大、效率低、費工費時，且難以保證作業(yè)質(zhì)量。

1.2機械鉆取

機械鉆取以使用內(nèi)燃改錨機（圖1）和電動改錨機（圖2）為主，機械質(zhì)量為20～40 kg，具有以下幾方面缺點：

（1）功能單一，鉆取尼龍?zhí)坠芎土螯S錨固螺栓兩種功能不能兼顧。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，作業(yè)人員蹲著操作容易疲勞。

（3）內(nèi)燃改錨機作業(yè)時排放的碳煙廢氣和所產(chǎn)生的高分貝噪聲對身體傷害較大，在長大或S形隧道內(nèi)多種內(nèi)燃機械同時作業(yè)時尤其明顯。

（4）配套發(fā)電機（圖3）十分笨重，搬運困難。

（5）鉆取尼龍?zhí)坠軙r鉆頭容易偏移，損壞混凝土岔枕螺紋，導(dǎo)致岔枕失效。

（6）鉆取硫黃錨固螺栓時會出現(xiàn)鉆頭卡死、下道困難的問題，存在嚴重的行車安全隱患，在天窗點外作業(yè)容易導(dǎo)致行車安全事故。

1.3鋰電多功能軌枕改錨機

隨著鋰電池續(xù)航能力的不斷提升，近年來鋰電動力得到廣泛運用。鋰電動力機械具有小巧、輕便的特點，不存在內(nèi)燃動力機械容易出現(xiàn)的故障，既節(jié)約了修理費用，又避免了碳煙廢氣和噪聲對人體的傷害。目前市場上還沒有針對鐵路工務(wù)作業(yè)特點設(shè)計的鋰電多功能軌枕改錨機。研制安全可靠、環(huán)保節(jié)能、機動便捷的鋰電多功能軌枕改錨機，不但能夠?qū)崿F(xiàn)混凝土軌枕硫黃錨固螺栓、岔枕反錨螺栓和木枕螺紋道釘改錨以及失效尼龍?zhí)坠茔@取，一機多用，提升作業(yè)效率。在現(xiàn)場推廣運用后可替代功能單一、能耗高的笨重鉆取機械，有利于實現(xiàn)改錨機的更新迭代。

2總體技術(shù)方案

2.1技術(shù)路線

鋰電軌枕改錨機技術(shù)路線如圖4所示。

2.2電機選型和電池容量確定

2.2.1電機選型

直流無刷電機與交流無刷電機相比具有以下優(yōu)勢：

（1）直流電機的磁場利用率較交流電機更高。

（2）通過電子控制器可以實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速精高度、穩(wěn)定性好。

（3）具有較低的轉(zhuǎn)動慣量，可以在短時間內(nèi)達到較高的轉(zhuǎn)速。

（4）不會對周圍電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。

（5）體積小、重量輕，可減輕機械設(shè)備重量。

（6）噪聲低、振動小，運轉(zhuǎn)平滑，使用壽命長^［1］。

因此，電機選用直流無刷電機。

10節(jié)串聯(lián)36 V鋰電池組的最低保護電壓為27.5 V，充滿電的最高截止電壓為42 V。現(xiàn)場作業(yè)的改錨機正常工作電流一般為30 A，負載電流為60 A，需要的電機功率P=UI=42 V×60 A=2 520 W，因為直流電機有超功率優(yōu)勢，故選用功率為2.5 kW的直流無刷電機。

2.2.2電池容量確定

假設(shè)鉆取1顆硫黃錨固螺栓的時間為1 min，平均工作電流為30 A，每班工作的鉆孔數(shù)量為25個，則電池容量=30×1×25/60 A·h=12.5 A·h，較為接近常用的電池容量12 A·h，因此選用12 A·h容量的鋰電池。

2.3主要技術(shù)性能指標

主要技術(shù)性能指標見表1。

2.4技術(shù)要求

針對產(chǎn)品的功能設(shè)計，明確以下技術(shù)要求：

（1）設(shè)計鉆頭快換組件，發(fā)生鉆頭卡死時改錨機主體跟鉆頭可以快速分離，鉆頭低于鋼軌頂面，不影響列車通過，消除行車安全隱患^［2］。

（2）設(shè)計鉆孔深度調(diào)節(jié)器，解決因作業(yè)人員無法判斷鉆孔深度而出現(xiàn)鉆孔深度不足或超鉆的現(xiàn)象^［3］。

（3）研制金屬定位組件，通過精準定位，解決鉆頭偏移損壞岔枕螺紋，導(dǎo)致岔枕報廢的問題^［4］。

（4）分別使用薄壁空心鉆頭（圖5）、硬質(zhì)合金空心鉆頭（圖6）、含鈷合金鋼錐柄麻花鉆頭、木鉆頭（圖7），實現(xiàn)混凝土軌枕硫黃錨固螺栓、岔枕反錨螺栓和木枕螺紋道釘改錨以及失效尼龍?zhí)坠茔@取4種功能。

2.5設(shè)計結(jié)構(gòu)組成

該設(shè)備由主體（圖8）、鉆頭快換組件（圖9）^［2］、鉆孔深度調(diào)節(jié)器（圖10）^［3］、尼龍?zhí)赘腻^定位組件（圖11）^［4］、鉆頭等部分組成，另外配置高壓水桶和水管，作業(yè)過程中對鉆頭進行降溫。

3技術(shù)創(chuàng)新

3.1模塊化組裝

傳統(tǒng)的改錨設(shè)備無法做到一機多用，需要多種設(shè)備互相配合才能完成不同的作業(yè)項目。該設(shè)備通過快速更換作業(yè)模塊，從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)混凝土軌枕硫黃錨固螺栓、岔枕反錨螺栓、木枕螺紋道釘改錨以及失效尼龍?zhí)坠茔@取功能，真正做到一機多用。

3.2采用智能芯片

電控模塊采用智能芯片，按照硫黃錨固螺栓改錨、岔枕尼龍?zhí)足@取、反錨螺栓改錨、木枕螺紋道釘鉆孔引眼4種不同作業(yè)項目的動力要求，設(shè)計4擋動力輸出，調(diào)節(jié)鉆頭轉(zhuǎn)速，使作業(yè)模塊能夠滿足相應(yīng)的技術(shù)要求。

鉆取過程中，低速狀態(tài)一般用于初始定位，可以有效增加鋰電池的續(xù)航時間，高速狀態(tài)可以提高作業(yè)效率。低、高速動力輸出技術(shù)既可以保護電機馬達和鉆頭，延長使用壽命，又可以使鉆取效率最大化，減輕工人的勞動強度，減少作業(yè)時間和人工成本，提升作業(yè)效率。

3.3轉(zhuǎn)速恒定輸出

傳統(tǒng)內(nèi)燃改錨機因發(fā)動機抖動會造成旋轉(zhuǎn)偏心、切削角度不垂直，電動機械因下壓力或切削量變化出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而造成鉆取過程中鉆頭偏移損壞混凝土岔枕的螺紋，導(dǎo)致岔枕失效。

鋰電多功能軌枕改錨機采用恒速電機，依靠脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，通過PID增量式控制器計算反饋速度，實時控制轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)全電壓范圍的速度恒定。即達到負載狀態(tài)時電機轉(zhuǎn)速不變，實現(xiàn)“電控恒速”的目標，保證轉(zhuǎn)速恒定輸出，避免切削端發(fā)生偏心現(xiàn)象。

3.4電流恒定輸出

鋰電池內(nèi)部集合了溫度傳感器、輸出電流控制器等檢測單元，通過電池內(nèi)的芯片智能控制輸出電流，保證5%～100%電量時鋰電池能恒定輸出電流，避免傳統(tǒng)鋰電池的輸出電流因電量的減少而改變，從而影響續(xù)航能力和扭矩輸出。智能芯片也會根據(jù)溫度自動調(diào)節(jié)，-40～70 ℃均可穩(wěn)定輸出電流。溫度過高時電池啟動自我保護功能，自動斷電，避免電池自燃導(dǎo)致火災(zāi)事故。

3.5采用鉆頭快換組件

目前市場上的改錨機通常采用螺紋的形式連接機身和鉆頭，在硫黃錨固螺栓改錨作業(yè)發(fā)生鉆頭卡死時，改錨機無法快速分離下道，存在嚴重的安全隱患。鋰電多功能軌枕改錨機采用鉆頭快換組件，鉆頭為插拔形式連接。發(fā)生鉆頭卡死時，鉆頭與機身能夠快速分離，機身迅速下道，分離后的鉆頭低于鋼軌頂面，不影響列車通過^［2］。

3.6精準定位組件

傳統(tǒng)的改錨機設(shè)計簡單，作業(yè)質(zhì)量受人為因素影響較大，在岔枕改錨作業(yè)時，中心孔定位困難，鉆取過程中容易發(fā)生鉆頭偏移。根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)需要，配套設(shè)計的精準定位組件可以快速安裝、調(diào)節(jié)，配合適配裝置使用，不會出現(xiàn)鉆頭偏移，損壞混凝土岔枕螺紋^［4］。

4試用效果

鋰電多功能軌枕改錨機已在曲靖工務(wù)段紅果線路車間管內(nèi)的紅果站試用，能夠?qū)崿F(xiàn)道岔失效尼龍?zhí)坠?、折斷的反錨螺栓以及普通混凝土軌枕上折斷的硫黃錨固螺栓鉆取功能，配合手槍式鋰電扳手使用，實現(xiàn)了木岔枕和鐵路鋼梁橋用HFFP復(fù)合材料橋枕上的長方頭螺紋道釘改錨功能。該設(shè)備在試用過程中，充分體現(xiàn)了安全可靠、環(huán)保節(jié)能、機動便捷、一機多用的特點，實現(xiàn)了提升作業(yè)效率、促進節(jié)支降耗的目的。

5經(jīng)濟效益分析

內(nèi)燃動力機械設(shè)備的維修保養(yǎng)成本較高。經(jīng)統(tǒng)計，每臺內(nèi)燃改錨機油料及維修保養(yǎng)成本每年約為4 000元，3年的費用約為12 000元。鋰電多功能軌枕改錨機3年的電池耗電費用以及鋰電池更換費用約為3 000元。綜合比較，使用該設(shè)備3年可節(jié)約費用約9 000元。由于一機多用，該設(shè)備的采購成本比多種傳統(tǒng)鉆取設(shè)備的采購成本之和低。

6結(jié)語

鋰電化是鐵路小型養(yǎng)護設(shè)備的發(fā)展趨勢，鋰電多功能軌枕改錨機推進隧道綠色施工，具有較多優(yōu)點，未來還可以根據(jù)不同工況定制模塊，拓展例如螺栓攻絲等作業(yè)功能。

參考文獻

［1］ 劉伯揚.基于dsPIC30F2010微處理器的無位置傳感器直流無刷電機控制系統(tǒng)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

［2］ 繆小兵，李海兵，唐偉，等.改錨機鉆頭快速連接裝置：CN202121556379.6［P］.2021-12-07.

［3］ 馬繼元，楊繞平，李森，等.一種可調(diào)節(jié)鉆孔深度的軌枕改錨機：202320891522［P］.2023-10-27.

［4］ 劉偉，范寶明，駱晉，等.道岔尼龍鉆取機定位架及定位器：202322203293［P］.2024-02-27.

作者單位：中國鐵路昆明局集團有限公司曲靖工務(wù)段，曲靖655000

作者簡介：楊繞平，男，工程師。