鋪軌機布枕機構的創新設計與實踐

紀占玲,李恒燦

(華北水利水電學院,鄭州 450011)

建設鐵路客運專線和高速鐵路是國民經濟和社會發展的需要,也是我國鐵路現代化建設的要求。為提高鐵路運輸速度和舒適性,提高鐵路新線開通速度,無縫線路鋪軌機將被大量采用,研制具有自主知識產權的新型鋪軌機十分迫切。項目組在廣泛、充分調查研究和消化、吸收國外先進技術的基礎上,綜合國外多種鋪軌機的優缺點,結合秦沈客運專線一次鋪設跨區間無縫線路的經驗和我國施工技術發展的新型成果,專門研制了一種新型鋪軌機。鋪軌機是用于鋪設線路軌枕和長鋼軌的大型自動化專用設備。而布枕機構是鋪軌機的一個重要組成部分,也是鋪軌機的最關鍵、最核心的作業機構。它的設計直接決定著整機的多項技術性能指標,甚至影響到整個設計的成敗。在以往的施工過程中,存在著布枕時翻枕、個別構件設計薄弱使用中變形、構件所受機械沖擊大、油缸行程大易損壞、結構復雜、動作多、控制難度高等諸多問題[1]。針對以上這些問題,對布枕機構進行了創新性設計,采用了旋轉喂枕垂直送枕相結合的工作方式。

1 結構組成及其工作原理

布枕機構主要由1號軌枕傳送鏈、旋轉喂枕機構、垂直傳送鏈、垂直傳遞機構、鋪放機構等幾個部分組成[2],如圖1所示。1號軌枕傳送鏈是軌枕傳送裝置,一末端與無動力滾道連接,將鋪軌車上2號傳送鏈運送過來的軌枕快速傳送并停留在無動力滾道的端頭,供旋轉喂枕機構取枕,主要由驅動裝置、輸送鏈、馬達、馬達安裝支架、1號鏈支架、從動鏈輪等組成,從動鏈輪設有張緊裝置,滾子鏈板上安裝有橡膠防護板起保護軌枕作用。旋轉喂枕機構完成軌枕的喂給,在1號傳送鏈的端部取枕,繼續旋轉,喂枕給垂直傳送鏈,與垂直傳送鏈有鏈條連接,兩者共用驅動馬達,通過鏈輪齒數之比確定其轉速,主要由2個對稱的曲柄齒輪箱組成。垂直傳送鏈完成軌枕的向下傳送,即：從旋轉喂枕機構接過軌枕,將其向下垂直傳送至垂直傳遞機構的傳遞臂,主要由垂直鏈支撐框架、液壓馬達、馬達安裝支架、接枕臂、驅動裝置、張緊裝置、擋枕裝置、輸送鏈等組成。垂直傳遞機構完成軌枕的承接,即：從垂直傳送鏈的接枕臂接過軌枕,垂直向下傳送一定距離,向后擺動脫枕給鋪放機構的鋪設臂,主要包括擺動架、移動架、擺動油缸、垂直落枕油缸、油缸耳座、傳遞臂等幾個部件[3]。鋪放機構完成軌枕的布放,即：從垂直傳遞機構的接枕臂接過軌枕垂直下落,然后迅速向后擺動,脫枕至道床,其結構上與垂直傳遞機構相似。

圖1 布枕機構的結構組成

根據行程測量輪裝置發出的脈沖信號,布枕機構控制裝置自動協調各個裝置動作,完成軌枕的喂給、向下傳送和布放的循環作業,每一循環完成1根軌枕的布放[2],具體施工過程如下：運枕龍門吊攜枕下放至3號傳送鏈上,然后經2號傳送鏈送至1號傳送鏈上,3個傳送鏈部件運轉速度相同,且布置在同一水平面上,通過其相互重疊部分進行軌枕傳送,使得軌枕傳送過程一直保持水平勻速運動,且在同一水平面上進行,不存在機械沖擊和慣性力。旋轉喂枕機構在布枕過程中,一直保持勻速旋轉,在1號傳送鏈的端部,通過與傳送鏈處于同一水平位置后,向上繼續旋轉取枕,再與恰好等待接枕的垂直傳送鏈的接枕臂位于同一水平位置時,繼續向下旋轉脫枕,將軌枕水平放置到接枕臂上,繼續旋轉,開始取下一根軌枕。垂直傳送鏈和旋轉喂枕機構一樣,在布枕過程中,一直保持勻速運轉,從旋轉喂枕機構接過軌枕,帶動軌枕垂直下落一定高度,與已等待接枕的垂直傳遞機構的傳遞臂處于同一水平位置時,繼續運轉,從而將軌枕交至傳遞臂,繼續運轉,另一接枕臂去接下一根軌枕。傳遞臂接枕,待送枕的接枕臂讓開空間后,垂直下落,與已等待接枕的鋪放機構的鋪設臂處于同一水平位置時,傳遞臂向后擺動,讓開鋪設臂下落空間,將軌枕傳遞到鋪設臂上,再回至原位。鋪設臂在傳遞臂讓開后垂直下落到距離道床適當高度時停止,鋪放機構的擺動架帶動鋪設臂迅速向后擺動,軌枕自然下落在道床上,再回至原位。所以,布枕的基本作業流程可以概括為：1號軌枕傳送鏈→旋轉喂枕機構→垂直傳送鏈接枕臂→垂直傳遞機構傳遞臂→鋪放機構鋪設臂→道床,如圖2所示。

圖2 布枕基本作業流程

2 創新設計

2.1 旋轉喂枕

喂枕機構采用了旋轉的方式,主要由2個對稱的曲柄齒輪箱組成,每個曲柄齒輪箱由齒輪傳動裝置(主要包括驅動軸、從動軸、齒輪、軸承、軸承蓋、箱體等等)、喂枕連桿、驅動連桿、張緊裝置、擋枕板、鏈輪、鏈條、擋枕架、支架等部分組成,喂枕連桿上安裝有墊板和橡膠塊,可以減小沖擊、吸收振動、保護軌枕。作業時,由齒輪裝置驅動喂枕連桿一直勻速旋轉,通過與1號軌枕傳送鏈同一水平位置后繼續旋轉取枕,與垂直傳送鏈同一水平位置后繼續旋轉進行喂枕,把軌枕的水平傳送轉變為豎直傳送,改變了以往由舉升機構和油缸拉動機構共同完成喂枕功能的機構形式[4]。在此部分機構中,由于傳動形式主要采用了圓柱齒輪,整個結構緊湊、新穎,具有一般齒輪傳動的多個優點,例如,能保證瞬時傳動比恒定,運轉平穩,傳遞運動準確可靠,傳遞的功率和速度范圍較大,可實現較大的傳動比,傳動效率高,使用壽命長,噪聲低,適應性強,控制簡單,等等。

2.2 垂直傳送軌枕

項目組研制的送枕機構采用了垂直向下傳送的方式,將其動作明確分為軌枕的傳送、承接、布放,分別由垂直傳送鏈、垂直傳遞機構和鋪放機構3個機構分3個階段完成,改變了傳統鋪軌機送枕方式——斜傳送方式。與斜傳送方式相比,垂直向下傳送的方式,由于是垂直布置,可以有效充分地利用鋪軌車有限的布置空間,且軌枕在垂直向下傳送的過程中,中心線始終保持在同一豎直線上,對機構的機械沖擊相對較小,也有利于提高布枕的精度。另外,根據目前的配置和構造設計,控制鋪軌車動力轉向架軸重是一個重要目標,垂直向下傳送方式的重心相對偏前,便于控制動力轉向架軸重的大小[2],容易滿足要求,也方便其他機構的設計。同時,由于傳動形式采用了鏈傳動,適合于長距離、低轉速的運轉傳輸,使軌枕可以下落到距離道床較近時鋪放,軌枕在空間的轉動角度小,對道床擾動小,利于克服翻枕缺陷[1],還使得垂直傳遞機構和鋪放機構的各個工作油缸行程減小,沖擊減小,使用壽命增長。鋪放機構鋪設臂迅速抽去,使軌枕自然下落到道床上,也可以有效地避免翻枕現象。

2.3 軌枕傳送柔和

在軌枕的傳送過程中,需要經歷多個機構,在相鄰的兩個機構之間存在著軌枕的傳送問題。此時,構件可能會受到機械沖擊,產生噪聲,給部件使用壽命及周圍環境帶來不利影響,軌枕也有可能受損[4]。沖擊過大時,還可能需要對重要零件更換性能好的材料、改變設計型式或增大尺寸等等,或采取減小布枕速度的措施,如此一來,會影響到整個鋪軌機的外形尺寸、總重、造價、布枕速度等多個方面,從而直接決定著研發產品是否能達到主要性能指標的要求[4]。因此,在軌枕傳送的各個過程中,須考慮對機構的沖擊和軌枕的保護問題,應使機構受到盡可能小的機械沖擊,軌枕盡量避免受到嚴重損傷。布枕機構在施工方案設計時,使所有接枕機構提前或恰好在適當的位置等候,送枕機構到達此位置后,繼續向后或向下運動脫枕,以此使所有機構之間傳送軌枕均在同一水平面內進行。此種方式軌枕傳送柔和,減小了布枕過程中的機械沖擊,軌枕傳送平穩,并受到了保護,結構件也不易損壞,尤其延長了油缸的使用壽命,同時也使得布枕速度容易提高,滿足鋪軌機高效率的要求。然后,接送兩機構同時運行,或待送枕機構讓出足夠空間后,接枕機構再開始工作,以確保軌枕的傳送過程在時間上和空間上都能夠實現。

2.4 控制簡單準確

布枕機構作為鋪軌機的核心部件,對其控制有著非常高的要求,必須與整車行走、龍門吊的運行形成有機的整體。同時,布枕機構是一復雜的部件,其組成機構眾多,每個機構又有多個零部件,在作業時,這些零部件需要嚴格按照一定順序及時間要求依次動作,來完成整個布枕的過程,布枕控制時序如圖3所示。行程測量輪裝置可以準確測量鋪軌行走的距離,根據布枕間距的要求,將測量輪的周長作成1個布枕間距的長度,測量輪每旋轉1,通過與測量輪同軸的光電編碼器將1個脈沖信號傳送給軌枕傳送機構、軌枕布放機構和枕間距調整機構等,再由PLC通過電磁換向閥電磁鐵以時序圖為基礎來控制龍門吊的運行速度、傳送鏈的輸送速度、垂直輸送鏈液壓馬達的轉速及各機構的油缸動作,使這些機構運行速度一致,保證布枕間距的精度,完成1個工作循環。

圖3 布枕控制時序

布枕機構的控制根據時序要求準確、順序完成,其主要目標不是控制所有機構運動過程同步,而是機構工作時間起點和終點的順序控制[2]。布枕機構油缸動作的實現是通過接近開關限制各個執行油缸的起始和終了位置[2],如：傳遞臂擺動油缸、傳動臂垂直落枕油缸、鋪設臂垂直落枕油缸和鋪設臂擺動油缸等,從而實現布枕的控制,各油缸的位移-時間曲線如圖4所示。由于采用行程測量輪裝置發出的脈沖信號直接控制各個機構的動作,因此,簡單可靠,控制方便,動作準確,布枕精度高[1]。

圖4 傳遞臂和鋪設臂垂直落枕、擺動位移-時間曲線

在布枕機構中,垂直傳送鏈依靠2臺液壓馬達同步驅動,而旋轉喂枕機構的驅動是通過鏈條將其輸入軸與垂直傳送鏈的驅動軸連接來實現,兩者以垂直傳送鏈驅動軸上的鏈輪作為關聯,其轉速按照鏈輪齒數所形成的特定比例來確定,使得旋轉喂枕機構每送來1根軌枕,垂直傳送鏈恰好就有1個接枕臂在適當位置等待接枕。由于兩機構之間動作的協調利用機械傳動來保證,因此,結構形式簡單,安全可靠,動作準確,控制數量減少,難度降低[1]。

3 實踐效果

項目組研制的鋪軌機在2006年順利通過了鐵道部科技司組織的專家評審,得到了與會專家的一致好評,并投入工業生產。2008年底,該鋪軌機已開始在達(州)成(都)鐵路工程建設中鋪設無縫線路,創造了日鋪軌4.8 km的紀錄,2009年6月初,達成鐵路順利通過工程初驗委員會的驗收,比老達成線提速2倍以上。產品經施工單位使用表明：性能可靠,生產效率高,經濟和社會效益顯著。其組成中必不可少的作業機構——布枕機構,采用了旋轉喂枕垂直送枕的工作方式,合理地分解了軌枕的傳送動作,使軌枕接送柔和、平穩,減輕了對布枕機構的機械沖擊,有效地避免了軌枕傾翻現象,控制簡單準確。整個結構合理、緊湊,設計新穎,經過使用,證明系統是實用可行的,實現了連續布枕,具有較寬的工作頻率范圍,能夠較好地與運枕龍門吊和鋪軌機的行駛速度配置,具有自動化程度高、勞動強度低、作業效率高、布枕精度高和可靠性高等優點,滿足高速鐵路無縫線路長軌條主要性能指標的要求。2009年底,河南省教育廳組織了有關專家對河南省自然基金項目(項目編號0411054500)進行了鑒定,鑒定委員會一致認為,該機構達到了國際同類研究的先進水平,此項目并獲河南省教育廳一等獎。

[1] 呂 超.DPG500鋪軌機組布枕機構優化與設計[J].鐵道標準設計,2008(8)：30-32.

[2] 紀占玲.鋪軌機布枕機構虛擬樣機技術研究[D].鄭州：華北水利水電學院,2005.

[3] 紀占玲,韓林山,嚴大考等.鋪軌機垂直傳遞機構的仿真分析[J].機械工程師,2006(6)：122-124.

[4] 紀占玲,嚴大考,上官林建.DPG500型鋪軌機旋轉喂枕機構虛擬樣機動態仿真分析[J]. 華北水利水電學院學報,2005(2)：40-42.