WPZ-500型无砟智能铺轨机组滚筒回收车设计

2022-10-02管新权段启楠

装备制造技术 2022年6期

管新权，段启楠

（中铁四局集团有限公司第八工程分公司，安徽合肥 230041）

铺轨工程作为高速铁路施工的重要环节，属于劳动密集型施工。为降低工作强度、提高铺轨效率，通过运用智能化技术，开展高速铁路智能铺轨各工序的机械化、信息化、自动化研究，研发新型智能铺轨施工装备及相关技术，应用于高速铁路铺轨施工，解决高速铁路铺轨用工难和技术落后的问题。智能铺轨机组与传统铺轨机形式相同，均采用前牵引导向、后拖拉推送形式[1]进行无砟道床500 m长钢轨敷设，主要由长钢轨智能牵引车、长钢轨智能滚筒回收车、长钢轨智能推送车和智能分拣车组成。长钢轨智能滚筒回收车主要用于滚筒回收和钢轨落槽，其工作性能直接决定整个机组的铺轨效率。邓建华[2]对WZ500E无砟智能铺轨机组长钢轨牵引车结构设计和工作原理进行分析；武慧平[3]运用I-DEAS软件对CPG500型铺轨机组作业车车体结构静强度、刚度进行有限元分析；陈孟强[4]基于“群枕式布枕，步进式铺轨”作业模式，研制出群枕式长轨铺轨机组；唐海斌[5]运用AMESim软件对长钢轨推送机构液压系统进行建模及仿真分析，得到油缸和马达的动态特性响应规律，为钢轨推送优化提供指导；甘建伟[6]对铺轨机组牵引装置分散动力驱动和液压系统同步分流进行研究，并利用模糊PID控制器进行行走速度稳定控制。可见，目前国内外对无砟轨道铺设工艺和铺轨设备有一定研究。本研究通过分析WPZ-500无砟智能铺轨机组滚筒回收车结构组成和工作原理，探讨不同工况下回收车的行驶速度和牵引力数学匹配关系，并校核了滚筒回收车车架的强度刚度，为智能铺轨机组滚筒回收车进一步优化设计提供参考。

1 滚筒回收车结构组成和工作原理

长钢轨智能滚筒回收车由车架总成、行走装置、推/拉滚筒机械手组、拾取滚筒机械手组、中转输送带、堆码滚筒机械手组以及抓/抬钢轨机械手、倒装机构、司机室、动力系统、液压控制系统和电气控制系统等组成，如图1所示。

图1 长钢轨智能滚筒回收车结构组成

1.1 走行装置

如图2所示，长钢轨牵引车有三套走行装置：轮胎走行装置、履带走行装置和钢轨走行装置。

图2 走行装置

轮胎行走装置有前后两组驱动桥，独立驱动，用于滚筒回收和钢轨入槽作业时的行走，设备大部分作业时间使用轮胎行走；驱动桥由驱动桥支架、回转支撑、减速器支架、液压马达和减速器等组成，其中减速器与车轮总成连接安装。转向装置设置在车辆前方2组驱动桥上，由转向油缸和拉杆组成。转向油缸控制车轮转向，拉杆控制两组车轮转向同步。

铁路走行机构由伸缩架、升降油缸、车轮等组成。铁路走行机构的升降由升降油缸垂直调节，以适应车辆过道岔或者短距离的铁路行驶。铁路走行机构不带驱动，仅作为行走导向，由后驱动桥轮胎压在钢轨上提供摩擦驱动力，实现铁路行走。

履带走行装置有2套履带走行机构，每套履带走行机构由1套履带走行桁架和2条走行履带组成，每套履带走行机构由1套履带走行桁架和2条走行履带组成。履带走行桁架包含桁架梁、转向油缸、横移油缸、回转支撑等。桁架梁其采用Q345B钢材组焊加工制造。每条走行履带包含驱动马达、减速机、履带总成等。通过横移油缸推动，使走行履带满足不同履带间距调整的要求。每条走行履带均有一套转向油缸控制转向，以及一个独立的行走马达减速机驱动，行走减速机装有常闭式停车制动器。履带走行主要用于有砟轨道铺设作业时的行走。

1.2 机械手装置

车身上布置有2套推/拉滚筒机械手、2套拾取滚筒机械手（图3）、2套堆码滚筒机械手，均由伺服电机驱动，具有x、y和z轴三个方向自由度。推/拉滚筒机械手控制机械手末端滚筒钩抓伸到滚筒侧板挂耳下，将地面滚筒从钢轨下方取出并摆放到道床中间位置。拾取滚筒机械手控制末端抱爪伸到滚筒中心正上方，将滚筒从地面拾取搬运到中转传送带上。中转传送带将滚筒送至中转台，堆码机械手控制末端抱爪伸到滚筒中心正上方，将滚筒按顺序堆码到滚筒存放篮中。

图3 拾取滚筒机械手

1.3 钢轨夹持装置

两套抓/锁机械手分别固定在车架前、后端，如图4所示。通过升降油缸控制抓/锁机械手升降，调整钢轨的提升高度；通过横移油缸控制夹轨器组件在横梁上移动，调整钢轨左右位置，通过抓/锁机械手、升降油缸和横移油缸的联合作业可以实现钢轨的智能锁紧、准确对位和自动入槽。

图4 抓/锁机械手

2 滚筒回收车行驶特性分析

路面干燥及一般潮湿状态下，车轮实际粘着牵引力Fm计算公式为

式中：m0为牵引车单个轮胎承重，6.615 t；μ为橡胶轮胎在混凝土路面的黏性系数，0.6；将各参数代入，可以求得Fm=158.76 kN。

轮胎行走Fy运行阻力算式为：

式中：Fg为轮胎行走滚动阻力，取7.936 kN；Fp为爬坡时车身自重产生的阻力，取7.95 kN；Fw为风载荷作用车车身上产生的阻力，取4.79 kN；Ft为机械手抓抬铁轨产生的阻力，取10kN；将各参数代入，可以求得爬坡时，Fy=30.676 kN，平地行走时，Fy=22.726 kN。滚筒回收车爬坡时所受阻力如图5所示。

图5 坡度30‰滚筒回收车受力分析示意图

可见，重载工况下牵引车粘着牵引力Fm＞Fy，车轮是不会出现打滑。

当海拔高度小于3000 m时，对柴油机功率输出影响较小，但海拔高于3000 m时，每升高300 m功率下降4%，经计算可知，当海拔高度达5000 m时，柴油机功率下降约30%。选择输出功率Pde0=168 kW的柴油机，在海拔5000 m工地使用时，其输出功率Pde0=117.6 kW。

坡道运行速度计算公式为

式中：Ps为车辆上其它功耗（含散热、电气控制、照明）不会超过45 kW，取45 kW；η为发动机工作效率，取0.7；将各参数代入，可以求得海拔2000 m以下时，Vt0=2.8 km/h；海拔5000 m时，Vr=1.1 km/h，满足作业行驶速度要求。

3 滚筒回收车车架有限元分析

为保证钢轨入槽与滚筒回收工作的安全性和稳定性，需要对滚筒回收车进行有限元分析[7，8]，尤其是对胶轮行驶状态车架的强度和刚度分析，车架的材料为Q345B。车架的网格划分模型、车架的应力状态分析和位移变形状态分布，如图6所示。从图中可以看出，最大应力为149 MPa，位于中间纵梁位置，这是因为车架两端抓/抬轨机械手受钢轨作用力，且车架后方放置有滚筒存放篮，当滚筒都放满时重达3 t，所以车架中部位置所受弯矩最大，但经计算可知应力安全系数可以达到2.32；车架最大位移变形位置分布在前后两端，但最大位移变形仅有3 mm，对滚筒回收车抓放钢轨和滚筒回收运动影响很小。因此，滚筒回收车车架的设计具有安全裕量，可进一步进行结构优化。