高速鐵路扣件機(jī)械化拆除裝備研究

劉傳 張銳 王鵬 高春雷 何國(guó)華

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

我國(guó)高速鐵路陸續(xù)進(jìn)入大修周期，其中大修換軌是運(yùn)維工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。多條高速鐵路出現(xiàn)了鋼軌硌傷等重傷病害［1］，亟待成段更換。目前國(guó)內(nèi)外沒(méi)有成熟的高速鐵路換軌技術(shù)和裝備。更換鋼軌時(shí)，使用長(zhǎng)軌運(yùn)輸車將新鋼軌預(yù)置在線路兩側(cè)，再采用換軌設(shè)備進(jìn)行更換，最后使用長(zhǎng)軌運(yùn)輸車將道心的舊鋼軌收走。換軌施工中需要大量人員配合作業(yè)［2-4］。

國(guó)內(nèi)既有普速鐵路換軌施工以半機(jī)械化、多天窗分步施工模式為主［5］。這種模式所需人力較多，效率不高，施工不能工完料凈，不適應(yīng)高速鐵路天窗特點(diǎn)［6］。以京滬線為例，其人工換軌施工效率見(jiàn)表1。

表1 京滬線人工換軌施工效率

換軌過(guò)程中，扣件拆除工作量大，工序復(fù)雜，卸料、散料、換料、收料等諸多工序皆由人工作業(yè)，人員管理難度大，存在較大安全隱患，而且由于物料一直停留在現(xiàn)場(chǎng)，很難做到工完料凈、人走場(chǎng)清，給高速鐵路運(yùn)行帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要設(shè)計(jì)一套能夠自動(dòng)拆裝扣件的機(jī)械設(shè)備。

本文以換軌一體化為基本思路，以高速鐵路換軌施工時(shí)扣件的拆除難點(diǎn)為研究導(dǎo)向，研發(fā)一套滿足高速鐵路換軌需求的扣件拆除小車，以期實(shí)現(xiàn)扣件更換工完料凈、安全、高質(zhì)、高效，兼顧高速鐵路換軌施工與運(yùn)輸，保障高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全和效益。

1 扣件機(jī)械化拆除方案

1.1 總體技術(shù)方案

扣件自動(dòng)拆除裝置應(yīng)能實(shí)現(xiàn)扣件螺母的力矩調(diào)整等，具有自動(dòng)松緊螺栓、拆取彈條等主要功能。扣件拆除小車設(shè)計(jì)時(shí)采用伺服控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)扣件作業(yè)單元扭矩的精準(zhǔn)控制。

扣件拆除小車由檢測(cè)定位系統(tǒng)、扣件拆除系統(tǒng)、配件傳輸系統(tǒng)、動(dòng)力走行系統(tǒng)等組成，如圖1所示。檢測(cè)定位系統(tǒng)通過(guò)非接觸式傳感器檢測(cè)扣件位置，并通過(guò)氣缸將扣件拆除系統(tǒng)與扣件螺栓進(jìn)行精確定位對(duì)齊；扣件拆除系統(tǒng)對(duì)待更換扣件進(jìn)行拆除；配件傳輸系統(tǒng)將拆除后的扣件整體放置在傳送帶上輸送到分揀臺(tái)，人工分揀后放入不同的儲(chǔ)存籃；動(dòng)力走行系統(tǒng)負(fù)責(zé)整套裝置在軌道上自行運(yùn)動(dòng)，提供扣件拆除裝置安裝平臺(tái)以及物料遠(yuǎn)距離運(yùn)輸功能。

圖1 扣件拆除小車結(jié)構(gòu)

1.2 作業(yè)流程（圖2）

圖2 扣件拆除小車作業(yè)流程

作業(yè)時(shí)，扣件拆除小車沿軌道自動(dòng)走行，在檢測(cè)定位系統(tǒng)的控制下，整套設(shè)備自動(dòng)定位到待更換的扣件上方。然后裝置自動(dòng)下降，同時(shí)螺栓松緊裝置倒旋與扣件螺栓旋合入位。到達(dá)指定位置后，扣件夾取裝置氣動(dòng)夾鉗夾緊軌距擋塊、彈條、絕緣擋板等部件，此時(shí)螺栓松緊裝置開(kāi)始松扣件螺栓，螺栓松緊裝置松開(kāi)螺栓的同時(shí)，整套裝置整體同步上提，利用磁性將螺栓抬起，也將彈條與軌距擋塊一并夾起。將整套扣件夾取后，放置在軌道旁的扣件盒內(nèi)以便更換軌道后恢復(fù)使用，或?qū)⒖奂胖迷趥魉蛶霞惺占?/p>

1.3 檢測(cè)定位系統(tǒng)

檢測(cè)定位系統(tǒng)包括夾取裝置定位和小車定位兩部分，主要由接觸開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、編碼器等組成，如圖3所示。夾取裝置定位系統(tǒng)是將夾取裝置安裝在能夠前后左右短距離調(diào)整的平臺(tái)上并進(jìn)行精確定位，確保扣件拆除的順利進(jìn)行。小車定位系統(tǒng)主要由接觸開(kāi)關(guān)和接近開(kāi)關(guān)識(shí)別到要拆除的扣件，用編碼器來(lái)控制小車走行位置。

圖3 檢測(cè)定位系統(tǒng)

1.4 扣件拆除系統(tǒng)

扣件拆除系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立裝置，可以安裝在換軌車車架上，也可以制作一個(gè)獨(dú)立車體。扣件拆除系統(tǒng)采用自動(dòng)夾鉗實(shí)現(xiàn)測(cè)量定位、螺栓松緊、扣件與配件的拾取等功能。自動(dòng)夾鉗端部根據(jù)扣件組件的特點(diǎn)設(shè)計(jì)不同的夾取裝置。以適用于WJ-8型扣件的扣件拆除系統(tǒng)為例，其扣件螺栓拆除旋松裝置與夾取裝置如圖4所示。

圖4 螺栓拆除旋松裝置與夾取裝置

設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)WJ-8型扣件緊固螺栓安裝扭矩等參數(shù)進(jìn)行匹配，設(shè)定扣件螺栓旋松裝置額定轉(zhuǎn)矩為208.6 N·m，峰值扭矩625 N·m；額定轉(zhuǎn)速222 r/min，最高轉(zhuǎn)速333 r/min。可適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)安裝扭矩、銹蝕、卡死等條件下的螺栓拆除。螺栓旋松裝置由伺服電機(jī)、提升機(jī)構(gòu)、螺栓扳手等組成，可以在旋松螺栓的同時(shí)隨著螺栓向上提升。

扣件夾取裝置能夠在螺栓旋松裝置松動(dòng)螺旋道釘?shù)耐瑫r(shí)將扣件整體夾取起來(lái)。其核心為氣動(dòng)夾持裝置，可以在成功定位后自動(dòng)將彈條、絕緣塊、軌距擋塊整體夾取出來(lái)，并隨提升機(jī)構(gòu)整體上升。

1.5 配件傳輸及分揀系統(tǒng)

扣件拆除系統(tǒng)將扣件整體拆下后，平移到一側(cè)的傳送帶上。傳送帶將其輸送到拆解平臺(tái)，由人工分揀后，分部件放置在不同的儲(chǔ)存籃中，如圖5所示。

圖5 配件傳輸及分揀系統(tǒng)

1.6 動(dòng)力走行系統(tǒng)

自帶動(dòng)力走行系統(tǒng)的走行電機(jī)由變頻器控制，可根據(jù)控制系統(tǒng)指令控制走行速度及停止位置。

2 扣件拆除效率

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)生產(chǎn)扣件拆除裝備樣機(jī)，并進(jìn)行扣件拆除試驗(yàn)，如圖6所示。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，扣件拆除作業(yè)流程及每個(gè)步驟所需時(shí)間：作業(yè)小車步進(jìn)到作業(yè)位（4 s）→拆螺母（4 s）→取扣件（4 s）→工裝移動(dòng)（4 s）→放置軌距擋板、絕緣擋塊、彈條于分揀臺(tái)（4 s），合計(jì)20 s。

圖6 扣件拆除裝備樣機(jī)試驗(yàn)

扣件拆除小車左右對(duì)稱布置，定義為1組作業(yè)機(jī)構(gòu)，同時(shí)拆除軌枕兩端內(nèi)外側(cè)扣件（1根軌枕上的4個(gè)扣件）。單根軌枕作業(yè)時(shí)間為20 s，每小時(shí)可作業(yè)180根軌枕，即每組作業(yè)效率為110 m/h，每個(gè)天窗（按作業(yè)時(shí)間3 h計(jì)算）可作業(yè)330 m（540根軌枕）。

若要280 min內(nèi)拆除1 500 m線路的扣件（9 524個(gè)），則每分鐘拆除34個(gè)扣件，需要12個(gè)扣件拆卸頭（3組作業(yè)機(jī)構(gòu)）同時(shí)工作。同理，若要410 min內(nèi)拆除3 000 m線路的扣件（19 048個(gè)），每分鐘拆除47個(gè)，需要16個(gè)扣件拆卸頭（4組作業(yè)機(jī)構(gòu)）同時(shí)工作。按照天窗時(shí)長(zhǎng)安排相應(yīng)數(shù)量的扣件拆除裝備進(jìn)行作業(yè)，可滿足現(xiàn)場(chǎng)換軌施工需要，大幅減少人工作業(yè)量。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)高速鐵路養(yǎng)護(hù)維修中扣件拆除難題，本文設(shè)計(jì)并研制出適用于高速鐵路的扣件機(jī)械化拆除裝備。該裝備具有自走行功能，可滿足不同緊固狀態(tài)下的扣件的拆除，在3、4組裝備同時(shí)運(yùn)用時(shí)，可以分別滿足280、410 min天窗的鋼軌更換作業(yè)拆卸扣件需求。該設(shè)備的研制有助于提高我國(guó)高速鐵路線路維修質(zhì)量及養(yǎng)路機(jī)械技術(shù)裝備水平，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。