基于铁路废旧钢轨顶升平移自动化装置的设计

郝 旭

（中铁物总资源科技有限公司，安徽 合肥 230601）

0 引言

钢轨是列车安全行驶的重要组成部分，列车在轨道上行驶，轮轨之间的摩擦会使钢轨表面材料沿纵向发生塑性变形，轮轨之间的循环接触会使钢轨表面产生疲劳层，促使列车运行噪声加剧，严重影响运行的安全性和平稳性。铁路上将磨损、锈蚀、损伤严重的钢轨进行淘汰，这些钢轨统称为废旧钢轨。据有关数据统计，2020 年全国铁路营业里程达到14.63 万公里，部分铁路物资已达报废年限关键时点，全路每年大约有120 万吨钢轨报废处理。铁路废旧钢轨循环利用不但利于节约资源，而且可以减少环境污染，变废为宝，提高废旧资源综合利用率[1]。

在铁路报废的物资中，存在大量的废旧钢轨需要专业废旧钢轨检测修复生产线集中处置，其中废旧钢轨顶升平移机构是整个废旧钢轨检测修复生产线的重要组成部分，也是实现废旧钢轨在线检测修复智能化生产的重要环节。目前，铁路领域废旧钢轨尚未开展分级、降级使用的研究，处置方式简单粗放，不能充分挖掘其潜在价值，资源利用效率较低。因此，解决废旧钢轨给铁路环境带来资源利用效率较低的问题，对促进铁路报废物资循环利用发展具有重要意义。

1 自动化装置方案设计

1.1 废旧钢轨性能参数及设计思路

随着高速铁路的迅速发展，原有铁路线路升级改造导致钢轨的性能需要提升，铁路线路上出现大量不满足使用条件的钢轨。以下是废旧钢轨范围：

（1）经国铁集团相关部门批准淘汰的钢轨；

（2）侧面损耗超过铁路二级规定且不能调边使用的钢轨；

（3）单根截取部分损坏不足8 m，并且不能通过焊接方式用作短轨处理的钢轨；

（4）由于钢轨承受机车压力、摩擦和冲击载荷，存在严重锈蚀或内部有暗伤，达到重伤标准的钢轨。市场上主流的几种废旧钢轨规格有：75 kg/m、60 kg/m、50 kg/m、43 kg/m、38 kg/m 等5 种类型。待测废旧钢轨长度类型主要有两种，分别是12.5 m 和25 m，单根废旧钢轨的最大重量约2T 左右，铁路上废旧钢轨常用参数见表1。

表1 废旧钢轨常用参数

废旧钢轨需要进行超声波检测及外观轮廓修复，根据废旧钢轨检测标准，该自动化装置设计目标是实现废旧钢轨分拣，废旧钢轨在自动化生产线上上线、下线、过跨平移、分拣及缓冲等功能均是通过顶升平移机构来实现，废旧钢轨经过检测后，通过辊道线输送至分拣区域，合格的钢轨通过顶升平移机构进入钢轨修复区域，不合格钢轨通过辊道线进入钢轨切割区域。

1.2 自动化装置的总体组成

该自动化装置实现了废旧钢轨检测、分拣、顶升、过跨平移、输送线辊道等功能。其主要由顶升平移机构控制单元、顶升平移机构、轧辊输送线3 部分组成。其中，顶升平移机构控制单元由集成控制单元、位置传感器、两组光电开关、顶升平移电机、顶升气缸、传动电机组成。顶升平移机构由平移板链、顶升机构、万向联轴器、顶升平移板链传动轴组成。轧辊输送线由修复合格废旧钢轨、轧辊输送线底架、托辊组成，顶升平移板链传动轴等部件组成。废旧钢轨通过自动化装置的输送，降低工人劳动强度，节省人工，生产线实现自动化控制，操作过程方便、快捷。如图1、图2 所示。

图1 顶升平移机构俯视简图

图2 顶升平移机构主视简图

1.3 顶升平移机构控制单元

该顶升平移机构将集中控制单元、两组光电开关、两组顶升气缸、顶升平移电机、传动电机进行集成控制，通过光电开关采集顶升平移机构的各个位置信息，如图1、图2 所示。当接通电源以后，可编程控制器将接收到光电开关信号进行相应处理，然后将信号传输至执行单元。PLC 是一种可编程逻辑控制器，能够以计算机技术为基础，按照实际需求来开展编程与储存操作，进而充分发挥相应的功能[2]。生产线上输送的废旧钢轨经超声波探伤检测后，满足修复要求的废旧钢轨到达顶升平移机构时，触发光电开关，PLC 接收到光电开关的反馈信号，同步控制顶升气缸、顶升平移电机、传动电机，实现顶升、过跨平移、输送自动化控制，实现生产过程安全可靠、高效（图3）。因此，顶升平移机构可以实现联机控制，它是跟生产线的其他设备联合PLC 进行控制的[3]。

图3 顶升平移机构控制原理示意图

2 自动化装置的工艺方法设计

顶升平移机构工艺的设计思路：在废旧钢轨上线完成检测后，将废旧钢轨通过输送线送至分拣区域，满足修复要求的合格废旧钢轨在修复区域经过顶升、过跨平移、顶升步骤完成分拣，在分拣区域中，系统自动识别不合格的废旧钢轨，并在切割区域完成处理进入下道工序，经检测合格的废旧钢轨通过输送线送至下道工序，以此来实现废旧钢轨高效、安全分拣（图4）。具体的流程如下：

图4 顶升平移机构工艺流程

（1）将已经完成采集数据钢轨通过轧辊输送线输送至分拣区域，检验合格的钢轨通过位置传感器反馈给集中控制单元，集中控制单元控制光电开关使单侧气缸同步顶升至钢轨下接触面，光电开关将信号反馈给控制单元，控制顶升平移电机带动顶升平移板链传动轴，使单侧顶升板链同步平移。

（2）当钢轨通过顶升板链平移至平移板链上后，带动钢轨向另一侧平移，移至该侧顶升平移板链接触后，光电开关将信号反馈至控制单元，控制单元控制该侧顶升平移板链气缸同步顶升至钢轨下接触面，光电开关将信号反馈控制单元，控制顶升平移电机带动顶升平移板链传动轴，使该侧顶升板链同步平移。

（3）顶升平移板链同步将钢轨移至轧辊线上后，光电开关将信号反馈至控制单元，控制单元控制传动电机，带动合格废旧钢轨通过轧辊输送线送至下道工序。

3 自动化装置的部件设计

顶升平移机构是钢轨检测修复辊道线的核心部件，安装实物如图5 所示。以废旧钢轨分拣功能的顶升平移机构为例，该装置设计的核心是平移电机选型、顶升气缸选型，具体如下。

图5 顶升平移机构装置实物

3.1 平移电机选型

根据生产节拍要求，废旧钢轨检测修复生产线平移板链传输速度取值0.05 m/s，废旧钢轨按照规格最大75 kg/m，长25 m，主滚轮直径160 mm。电动机主要参数有转矩、功率、输出转速，根据生产线的要求和特征，计算上述参数，从而确定电动机型号。

式中，n工作为链轮转速，r/min；V为平移板链传输速度，m/s；D为主滚轮直径，mm；n为应选用电动机满载转速的计算值，r/min；P实实际电动机功率，kW；i总为总传动比，取25。

根据技术方案中相关参数，通过公式可得链轮转速n工作=（1000 × 600V）/（πD）=（1000 × 6000.05）/（3.14 × 160）= 60 r/min，n= 60 × 25 = 1500 r/min。

根据电动机功率、输出转速和额定转矩计算结果，根据GB/T12497-2006 选择电动机型号。

3.2 顶升气缸选型

顶升机构的顶升过程主要由单组5 个顶升气缸来实现，气源压力0.4 MPa，根据生产线实际要求和特征，确定气缸型号。

（1）输出力计算。公式如下：

4 结语

所设计的顶升平移自动化装置从技术创新、应用实践等方面出发，系统性解决了废旧钢轨分级、降级使用、处置粗放、在线检测等资源利用效率较低的难题，对提高生产效率、降低工人劳动强度、减少安全隐患等方面也有较好的促进作用，为整个废旧钢轨检测修复生产线的应用做了一些基础工作，具有较好的推广应用价值。