基于智能监控的铁轨除沙装置结构设计＊

储 涛，邓杰伟，左 吕，谢繁荣，金阿芳

（新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000）

铁路是国民经济的大动脉，随着经济的飞速发展，铁路运营行业已融入人们的生活，在交通和货物运输方面发挥着重要作用。而在西部地区，铁路易遭受风沙灾害，铁轨积沙严重影响列车的运行。这不仅会给列车运行时带来安全隐患危及人们生命财产安全，而且还会造成国家巨大的经济损失。铁路部门曾分析数据得出结论：每年因铁轨积沙而中断行车累计200多小时，而停轮1 min，至少损失15 000元，足可见风沙对中国经济建设带来的巨大危害[1]。

人工清沙不仅耗时耗力，成本很高，而且效率低下。种种事实说明铁路线上的风沙和风蚀灾害一直是人们研究和解决的难题，解决这个问题刻不容缓而且意义重大。虽有同行对铁路风沙问题进行了研究，但所研发的除沙设备成本高、不易批量生产。因此，本文研究了一种能够及时快速清除铁路线上积沙、具备监沙功能的智能装备，突出低成本、多功能、智能化理念，可为解决西部地区铁路线上积沙问题提供一种有效且经济的解决方案，具有重要的现实意义。

1 结构设计与工作原理分析

1.1 设计要求

为使铁轨除沙工作高效率、高质量、智能化、安全稳定，同时满足铁轨除冰和铁轨养护的辅助功能，基于智能监控的铁轨除沙装置的设计应满足以下设计要求：除沙效果应达到铁路部门安全标准；铁轨除冰装置能够完成基础层次的除冰工作，并尽量减少对铁轨的损害；铁轨养护装置可使用多类型的养护液；动力方面满足一定要求的续航需要，尽可能提高续航能力；装置运行过程中可以抵抗西北地区的恶劣环境；运行过程智能化，可实现自动控制。

1.2 设计方案

主要的除沙机类型有犁板式除沙车、螺旋转子式除沙车、传统的链式刮板除沙车。犁板式除沙车的除沙距离有限；螺旋转子式除沙车不能清除轨道下的沙子且对材料要求高，成本高；传统的链式刮板除沙车体积大，空间利用率低。比较这几种除沙车的优缺点，考虑到适用性和低成本等因素，笔者们拟设计一种低成本、多功能、智能化的监沙除沙一体机。

基于传统链式刮板车的除沙原理，笔者在参考以往除沙装置上，进行结构设计和功能整合，突出低成本、智能化，优化设计以满足除沙车的要求。该车由集沙装置、传沙装置、储沙仓装置、排沙装置、数据反馈装置和铁轨清扫装置组成。

该车由车载蓄电池提供动力，配有太阳能发电装置，提高续航能力。该车搭载有可拆卸式铁轨除冰装置，可用于除冰。该车后部有铁轨养护装置，通过涂抹养护液达到养护效果。该车有清扫装置，可扫除铁轨表面积沙，进行二次除沙作业。该车配有风速仪，可测量风速降低测量误差。

所述除沙车装置由多个系统组成，具有良好的工作性能，其具体优越性如下：多功能，低成本；远程巡航，自动除沙；空间利用率高。

装置整体设计如图1所示。

图1 装置整体设计图

1.3 工作原理

除沙装置工作原理如图2所示。

图2 工作原理图

除沙装置的工作流程如下：①操作人员打开机器电源、遥控端电源，机器自动与地面接收站联网。操作人员通过地面接收站发出信号，指挥机器进入铁轨后开启工作模式。②在机器外壳上装太阳能发电板，依据工作时间，开启太阳能发电装置，产生的电量进入车载蓄电池。充分利用西北地区日照时间长、光线强度高的优势，将太阳能电池板与蓄电池相连，提高机器续航能力。并且太阳能发电板覆盖在机器表面，对机器有一定的隔热作用。③机器运行时，前端的集沙装置收集轨道中间堆积的沙石，通过传沙装置将沙石传送至储沙仓装置，储沙仓根据外部情况将沙土排放至轨道外侧，达到轨道除沙的目的。④在完成铁道除沙的基础上，机器中间搭载铁轨清扫装置，清除残留在铁轨上的沙石和铁轨上的铁锈，在机器后部搭载铁轨养护装置，涂抹养护液对铁轨进行养护。⑤依据工作环境，在机器上搭载可拆卸式铁轨除冰装置。铁轨除冰装置由2部分组成，碎冰装置在前面，将轨道上的冰打碎，后方的分冰铲将已破碎的冰推往轨道两侧。⑥在设备右侧正上方装一个红外日夜两用摄像头，利用摄像头实时获取铁轨沙堆信息，将信息传输到机器内部的视觉识别系统，识别轨道两侧上端面的高度，计算出一条属于该轨道的水平直线，通过将沙堆图像转化为二值图和原有绘制的直线进行比对，得出沙堆高度是否满足机器清扫所需条件。若满足，发送“清扫”命令给各执行机构进行作业；若不满足，启动GPS装置，将位置信息以及图像信息发送至地面接收站，等待回复。⑦机器在轨道上运行时，当出现意外状况时，需及时停车，这就要求机器能够及时制动停车。为保证机器制动稳定可靠，采用电磁刹车制动方案。机器后部装有电子自动抱间制动减速机，其与后轮上的制动器相连接。当收到制动命令时，减速机减速使机器停止，机器停止运行后自动抱闸上锁。⑧西北地区植被少温差大，故而气压梯度力大，而且地面缺少植被，摩擦力小所以风大。当机器独自在铁路上运行时，经常会遇到风突然很大的情况，因此需防止机器侧翻。

机器后方装有风速仪，可实时检测风速。机器内部装有水平仪，可实时监测机器状态，保证机器时刻保持水平状态。当风速仪或水平仪任意一方测得数据超过安全值时，启动机器防侧翻系统：机器开启缓慢运行模式，关闭储沙仓两侧排沙口，当储沙仓顶端传感器检测到储沙仓装满时，机器停止前进，并向地面接收站反馈位置和机器信息。当风速仪测得数据低于安全值时，储沙仓打开排沙，排沙完成后机器继续正常运转。

2 铁轨除沙装置的结构设计

2.1 铁轨监沙除沙系统设计

2.1.1 铁轨监沙除沙系统概况

铁轨监沙除沙系统为除沙装置的核心系统，由集沙装置、传沙装置、储沙仓装置、排沙装置、数据反馈装置和铁轨清扫装置组成[2]。

2.1.2 集沙装置设计

集沙装置如图3所示。集沙装置主体部分为铲子形状。装置上端与传沙装置连接，下端放置在铁轨上，与铁轨通过2个支撑轮连接。装置底端低于铁轨上端面，使得装置能将铁轨中间的沙石铲除。

图3 集沙装置

2.1.3 传沙装置设计

传沙装置如图4所示。传沙装置主体部分由履带构成，履带条上装有若干个小铲，通过电机带动履带，小铲将集沙装置中的沙石挖出，通过传送带的运动将沙石转移到储沙仓。

图4 传沙装置

2.1.4 储沙装置和排沙装置设计

储沙装置和排沙装置如图5所示。储沙装置由内部多个斜面组成，主体部分分为左右2个斜面，使得由传沙装置送进的沙粒被分成2部分。在左右2个斜面上，两边微高，使得沙粒在向下运动的过程中向中间集中，最后在装置底部进入排沙装置排出装置外部。排沙装置向外延伸，向下倾斜，将沙粒排到铁轨左右一定距离。

图5 储沙装置和排沙装置

2.1.5 铁轨清扫装置设计

铁轨清扫装置如图6所示。铁轨清扫装置由3个清扫器和3个弹簧组成，1个清扫器位于正上方，另外2个位于下方两侧。上方清扫器负责清扫铁轨上端面，下方两侧清扫器负责清扫铁轨两侧。弹簧位于清扫器与支架的连接处，通过调节弹簧长度，使清扫器对轨道面产生一定压力，通过接触摩擦对铁轨表面进行清扫，达到扫除铁轨表面积沙、清除表面铁锈的双重效果[3]。

图6 铁轨清扫装置

2.1.6 风速仪

风速仪如图7所示。机器上所放的风速仪为单向风速仪，安装时风扇页面朝向机器侧面，在完成测量风速风压的基本功能下，其测量机器侧向风速的精度大幅提高，有效降低装置前进过程中造成的测量误差。每隔一段时间，仪器转动90°，测量机器前进方向上的风速，完成一次测量后立即转回侧向，重点在持续测量侧向风速上。

图7 风速仪

2.2 铁轨养护系统设计

2.2.1 铁轨养护系统概况

铁轨养护系统是机器的辅助系统，可依据实际情况考虑是否装配。

2.2.2 铁轨除冰装置设计

铁轨除冰装置如图8所示。铁轨除冰装置由2部分组成，碎冰装置在前面将轨道上的冰打碎，后方的分冰铲将已破碎的冰推往轨道两侧。碎冰装置底部为若干个小四棱锥，可加大压强，提高除冰效率。装置由电机带动，在铁轨表面以固定频率上下运动达到除冰效果。铁轨除冰装置为可拆卸装置，依据使用时间，按照需要进行拆装。

图8 铁轨除冰装置

2.2.3 铁轨养护装置设计

铁轨养护装置如图9所示。在整车的后面安装有铁轨养护装置。该养护装置分为2组组件，即涂抹组件和出油组件。涂抹组件分为顶部刷毛和两侧刷毛，出油组件为储油箱。储油箱位于机器内部，通过油管与两侧喷嘴连接，喷嘴位于顶部刷毛结构中。在铁轨两侧分别有一套涂抹组件和出油组件。将顶部刷毛结构置于一个保护罩内，当顶部刷毛转动时，飞溅的油滴落于保护罩内壁上，然后滴落于铁轨上面，节约能源。

图9 铁轨养护装置

具体作业：喷嘴在铁轨上方喷出防护油，防护油落到铁轨上，随着整车前进，顶部刷毛和两侧刷毛将落在铁轨上的防护油均匀抹在铁轨上，起到防护作用。

3 结论

本文针对西部风沙铁路轨道结构特点和积沙现状，开展了轨道除沙机器关键技术的研究，提出除沙机器总体结构技术方案。对铁轨除沙装置各个组成部件的工作原理进行了分析，根据工作原理和控制要求确定了机器的各部分结构。为解决铁路轨道沙害提供了一种途径，有较好的应用前景[4]。经实际应用可实现对铁路轨道的智能、快速、高效清沙工作。

本文对铁路轨道智能监沙除沙养护一体机的结构设计，仅提供了一种结构设计思路，实际应用中应依据需要进行相对应的修改调整。