高速铁路自轮运转快速换轨车研究

2019-02-27雷张文李石平方继武

中国机械工程 2019年3期

雷张文倪琍李石平方继武

1.宝鸡中车时代工程机械有限公司株洲分公司，株洲，4120012.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉，4300633.株洲时代电子技术有限公司，株洲，412001

0 引言

我国在轨道工程机械领域起步较晚，机械化程度较低,近年来，随着我国铁路逐步向高速重载、大运量、高密度方向发展，钢轨更换维护工作也相应增加，加上我国铁路线路里程基数大、增长快，所以换轨任务繁重。目前我国换轨大修的方法主要有两种：一是人工更换；二是使用简易机具或改装车辆进行换轨作业。使用这两种换轨方法进行换轨作业需要投入大量人力，换轨作业效率及自动化程度较低，且安全性很差，一旦换轨作业出现问题，将直接影响线路的服务；此外，使用简易机械或改装车量进行换轨作业时，新旧钢轨交叉干扰，容易出现掉道的现象。随着维护工作量的增加，铁路运营效率的提高，传统的换轨方式已无法匹配当前我国铁路行业的发展速度与需求。

为实现机械化、自动化更换钢轨的目标，笔者采用理论与试验相结合的方法，研究了换轨车辆的自动化换轨原理及换轨关键技术，研发了自轮运转快速换轨车,并进行了换轨车运用考核试验，以验证换轨车自动换轨相关性能，为换轨车的后续优化设计提供了参考。

1 自轮运转快速换轨车

1.1 车辆整体介绍

快速换轨车自带动力，属于大型养路机械自轮运转设备，机械化、自动化程度高，而且自带收料装置。如图1所示，快速换轨车车辆主要由车体、转向架制动系统、车钩缓冲装置、司机室、动力系统、扣件回收系统、作业机构、气动系统、液压系统、电气控制系统等组成[1]。车辆前端转向架为动力转向架，采用两轴液压马达驱动，提供作业时的走行动力，后端转向架为非动力转向架。

图1 快速换轨车车辆总图Fig.1 General layout of the fast rail-changing vehicle

车辆前端设有司机室1，后端设有司机室2，司机控制器、制动阀、各种操纵按钮和手柄、仪器仪表及信号显示装置等均安装在司机室内的操纵台上，室内设有冷暖两用空调、灭火器等设备。换轨作业机构布置在车体下部，扣件回收系统布置在车体中部，动力系统和液压站、柴油箱布置在车辆尾部地板面上。

1.2 作业机构介绍

换轨过程是通过沿车辆纵向布置的钢轨收放装置，使新旧钢轨产生横向、纵向弹性变形，从而令钢轨形成3D的渐变曲线，再利用车辆纵向牵引力，使新钢轨逐渐从车辆前方导入承轨槽，同时将旧钢轨逐渐从车辆前方导出承轨槽，并放到道心或轨枕两侧。钢轨收放装置的布置位置，各个钢轨收放装置的纵向、横向位移量，各个钢轨收放装置的功能，钢轨弹性变形应力，钢轨变形给车辆牵引带来的阻力，这些参数需综合匹配。

换轨车设置了6套钢轨收放装置，其结构见图2，其中钢轨收放装置1、钢轨收放装置3、钢轨收放装置5、钢轨收放装置6用于控制新轨逐渐变形导入承轨槽，钢轨收放装置2、钢轨收放装置4用于控制旧轨逐渐变形导出承轨槽。车辆前转向架在旧轨上走行，后转向架在新轨上走行。钢轨收放装置迫使钢轨最大垂向变形控制在280～350 mm范围内，横向位移产生最大突变角不大于5°，新旧钢轨间有足够的间隙且相互不干涉。轨迹线方案最终通过CAE仿真检验，以确保钢轨变形均匀、应力适当，同时通过提取约束的支反力，校核钢轨收放装置性能；将提取的变形应力及变形能转化成牵引阻力校核车辆牵引性能[2]。换轨作业时，通过钢轨收放装置2、钢轨收放装置4对应的辅助定位系统，可自动调整钢轨横向位置，确保出入承轨槽时，钢轨始终处于道钉中间，而不会与道钉干涉，从而实现曲线自动换轨。

图2 钢轨收放装置Fig.2 Rail retracting device

换轨作业是车辆自动化、多工序连续作业过程，全程由计算机自动控制，不需要人工进行干预。换轨作业中夹持钢轨时，应遵循先旧轨后新轨，旧轨从后往前(前后是相对于车辆的前端和后端而言的)，新轨从前往后的原则，依次用钢轨收放装置4、2夹持旧钢轨，钢轨收放装置1、3、5、6夹持新钢轨。当作业装置夹持钢轨完成准备作业时，左右钢轨应沿轨道中心线对称分布。当收放装置将新旧钢轨夹持至预定位置后，通过车辆的牵引力将旧钢轨从承轨槽内提起，放置在道心或轨枕两侧，将新钢轨从轨枕两侧准确放置在承轨槽内，换轨原理示意见图3。

图3 换轨原理示意图Fig.3 Schematic diagram of track replacement

1.3 道钉检测系统

为了能将新钢轨准确放置在承轨槽中，将旧钢轨放置在道心或轨道两侧，作业机构横向油缸采用自动控制方式。车辆通过钢轨弯曲曲线时，道钉检测系统检测出作业机构相对承轨槽的横向偏移量，控制系统通过偏移量值来控制作业机构横向油缸的动作方向和行程，从而达到曲线上机构自动控制的目的，道钉检测系统原理见图4。

图4 道钉检测系统原理图Fig.4 Schematic diagram of nail detection system

图5 扣件回收系统Fig.5 The system of buckle recovery

1.4 扣件回收系统

扣件回收系统(图5)包括提升输送装置、平移输送装置、接料装置、扣件回收料斗和控制系统五部分。提升输送装置利用电磁滚筒将存放在铁路道床中间的扣件自动回收，并将扣件斜向提升输送到平移输送装置上。平移输送装置用于将回收的扣件输送至接料装置。电磁滚筒吸力能够保证在扣件距离滚面400 mm时，可以顺利地将扣件吸入滚面，作业时滚面距离道心扣件约320 mm，走行工况下可实现扣件的完全回收。接料装置可以前后移动，也可以正转和反转，使扣件能转运至料斗各个位置，作业完成后运至整备基地，通过油缸打开料斗侧门，将扣件卸在车辆两侧。

1.5 走行液压系统

换轨车牵引系统是整个车辆的关键装置，该系统一方面要实现牵引速度恒定，另一方面要保证驱动轮的同步性。换轨车作业的速度较低，为了实现低恒速，车辆牵引系统采用静液压传动方式，由主发动机提供动力驱动液压泵站，通过液压压力能驱动行星减速器，再驱动车轴减速器，将发动机高转速转化成车轮低转速，并通过液压系统高刚度的特性保证低速恒定。

转向架上的车轴减速器上，设置了气动换挡机构，牵引状态时挡位啮合，驱动车辆走行，液压马达驱动车轮走行，此工况下运行速度较低，车辆牵引力较大；挂运状态时，挡位处于空挡并锁定，车轴齿轮箱离合器使液压马达与车轴脱离，车轮转动不会带动液压马达转动，实现多工况自动切换。

车辆走行液压系统采用闭式液压回路，由一个变量泵输出液压油，驱动两个变量液压马达工作，液压马达通过减速器和车轴齿轮箱将动力传动到车轮。控制液压泵、液压马达输入电流，即改变其输出流量及方向，可控制车辆走行速度和走行方向。详细液压原理见图6。

图6 走行液压原理图Fig.6 Schematic diagram of walking hydraulic system

2 快速换轨车作业流程

2.1 预备作业条件

快速换轨车预备作业条件如下：换轨线路扣件已拆卸完，被拆卸的扣件放置于双轨中间，切入点(换轨起始点)预留数个扣件暂不拆且切入点钢轨已切断；换轨车通过牵引车牵引到指定作业位置后，将换轨车与其他车辆解编，换轨车驶入换轨切入点上方；连续新轨已预放置在道心，一般每根钢轨长度为500 m[3]。

2.2 作业准备

操作车体下方各操作控制箱上解锁机构按钮解除机构锁定，使其进入可移动状态。

2.3 作业机构对位

作业机构对位步骤分为如下五步：①用钢轨收放装置2夹旧轨，将旧轨提出承轨槽，使前转向架(动力转向架)第2根轴(靠近后转向架的轴)后第5根轨枕位置处旧钢轨的下表面高于轨枕螺栓上表面；②用钢轨收放装置4夹旧轨，将旧轨横向收拢，使旧钢轨大约在后转向架(非动力转向架)第1根轴(靠近前转向架的轴)位置落到轨枕上；③用钢轨收放装置1、3配合夹新轨；④用钢轨收放装置5夹新轨入槽，在钢轨收放装置5的位置，使新钢轨下表面距轨枕螺栓上表面20～50 mm；⑤将钢轨收放装置6落下，压住新轨轨头使其落入承轨槽。

2.4 连续作业

松开钢轨吊钳，启动作业辅助定位系统，使道钉检测系统与对应的收放装置位移系统组成闭环系统，实时调整收放装置位置。启动车辆，使其低恒速走行，钢轨在作业机构的作用和车辆顺向移动下，可完成连续换轨作业。

2.5 作业切出

换轨进入切出点前，提前将新轨末端的旧轨切断。车辆作业到切出点上方时停车，解除钢轨收放装置锁定，借助钢轨吊钳和钢轨收放装置，手动将新轨入槽、旧轨放置到指定位置。

2.6 作业清场

车辆司机室2驶出切入点，停车；固定拉轨器，使拉轨器分别固定在钢轨接缝处新旧钢轨上；启动拉轨器，使新旧钢轨接头间隙保持为要求值，并固定。换轨作业完成后，由其他设备完成扣件安装、调轨、焊轨、旧轨回收等工作，最终完成新旧钢轨更换并达到要求的轨道参数。

3 车辆运用考核试验

2015年12月30日至2017年1月11日期间，自轮运转快速换轨车在济南铁路局工务机械段完成了运用考核，累计运行里程4 000多千米，作业里程120余千米，达到相关考核要求。运用考核期间，样车关键部件未见重大质量问题，也未发生涉及安全的事故、故障。

相比较于人工换轨作业，使用换轨车进行换轨作业能够节省大量成本且效率高，作业过程安全可靠。在运用考核期间，有三日样车综合作业效率分别达到3.4 km/h、2.3 km/h和5 km/h，最高效率远超换轨车设计综合作业效率2 km/h，在同样的作业模式和“天窗”时间内，济南铁路局突破了单日更换2 km钢轨的记录，单日最大换轨里程达2.4 km。

由此可以看出与传统的人力为主、机械辅助的换轨作业方式相比，快速换轨车主要有以下优点：

(1)快速换轨车集换轨、扣件回收于一体，作业效率高，收料功能在2 km作业任务时可以节约“天窗”时间约20 min，可进一步增加作业里程[4]。

(2)与人工换轨比，节省了大量的人工成本。

(3)其他换轨设备运行过程中，尾部均需10人撬轨辅助新钢轨入槽，换轨速度较快时，劳动强度很大。而快速换轨车运行过程中，仅需2名作业人员随车监视，新钢轨通过道钉检测系统自动偏移，能准确放置在承轨槽内，地面无需人员辅助入槽，避免了撬轨可能产生的毛细裂纹，提高了换轨质量，也消除了邻线通车状态下辅助入槽人员作业安全隐患。

(4)快速换轨车扣件自动回收，减少了收料工序，可节省作业时间并大量减少收料辅助人员，且减轻了作业劳动强度，同时减少了线上收料对其他工序作业的干扰，还可节约1台收料平车。

(5)换轨车具有作业走行动力，节约了1台轨道车；采用液压驱动，可进行无级调速，操控性强，低速情况下扭矩和牵引力大，更换完的新钢轨平顺。由于车辆多个部位装有监控及急停按钮，出现危险情况时能短距离紧急停车，避免了作业安全隐患[5]。

(6)提供了换轨其他工序作业的外接电源，样车优化升级后，可以提供液压源及“龙尾”拉轨装置，减少了现场液压站等笨重作业装备，方便下一个“天窗”点的机具转运。