一種鐵路道床用除沙裝置

何國華，高春雷，周佳亮

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

蘭新客運(yùn)專線又稱蘭新鐵路第二雙線，所處環(huán)境非常特殊，不僅有高寒、高原極端天氣，而且沿線經(jīng)過三十里風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、大板城風(fēng)區(qū)和煙墩風(fēng)區(qū)4大風(fēng)區(qū)，所處風(fēng)區(qū)線路超過400km。為解決風(fēng)沙問題，蘭新客運(yùn)專線采用了擋風(fēng)墻、防風(fēng)明洞等各種防風(fēng)沙設(shè)施[1]，大大減少了風(fēng)沙對行車安全的影響。但是，風(fēng)沙區(qū)軌道板上表面仍然存在積沙問題。積沙主要形成于每年春季和夏季[2]，每次大風(fēng)或沙塵暴過去后都會在軌道板上表面堆積厚度達(dá)3～5mm的沙塵。軌道板上表面積沙主要出現(xiàn)在安裝擋風(fēng)墻或路塹地段(見圖1)。如果軌道板上表面沉積沙子，動(dòng)車組快速通過時(shí)會將集沙和灰塵卷起，不僅對動(dòng)車外圍的設(shè)備產(chǎn)生破壞，而且會進(jìn)入車箱或密封不夠嚴(yán)密的箱體，形成粉塵污染。帶入高速運(yùn)行的車輪與鋼軌表面間的沙子嚴(yán)重影響輪軌接觸狀態(tài)，加速車輪和鋼軌磨損，減少使用壽命，嚴(yán)重時(shí)影響運(yùn)行安全[3]。

圖1 擋風(fēng)墻外積沙

為解決鐵路沙害，研制高效的鐵路除沙裝置對我國西部風(fēng)沙地區(qū)鐵路安全運(yùn)營具有重要意義。針對蘭新客運(yùn)專線軌道板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和積沙現(xiàn)狀[4]，中國鐵道科學(xué)研究院設(shè)計(jì)了一種鐵路道床除沙裝置。

1 總方案

圖2 除沙裝置主體部分

蘭新客運(yùn)專線軌道板上表面積沙主要集中在2根鋼軌中間區(qū)域。研究對象主要針對該區(qū)域的積沙，同時(shí)兼顧鋼軌外側(cè)區(qū)域軌道板上表面的積沙以及軌枕上表面和扣件區(qū)域的積沙[5-6]。根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用吹、掃、吸的綜合作業(yè)模式，有效去除軌道板上表面的積沙。除沙裝置由吸沙小車、密封罩、吸掃裝置、吹沙裝置、避障系統(tǒng)等組成。由于兩鋼軌中間區(qū)域不規(guī)則分布應(yīng)答器，作業(yè)時(shí)需要避讓，故采用避障系統(tǒng)引導(dǎo)吸掃裝置避讓。在吸沙小車前端安裝激光傳感器測量應(yīng)答器位置，吸掃裝置接近時(shí)，吸掃裝置提起，離開時(shí)吸掃裝置放下。應(yīng)答器處采用較厚毛刷擋風(fēng)，在控制不正常時(shí)不會對其形成破壞性損傷。吹沙裝置和吸掃裝置可以隨吸沙小車進(jìn)行上下升降，也可以通過氣缸獨(dú)立進(jìn)行上下升降。毛刷可拆換，并可通過手動(dòng)調(diào)整裝置進(jìn)行上下升降。除沙裝置組裝到車架上以后，主要工作原理：將軌道板上表面積沙吸起來，通過吹沙裝置將軌道板上表面鋼軌下側(cè)(凸肩處)積沙吹到2根鋼軌內(nèi)側(cè)，再由吸掃裝置吸入到車架上的容器內(nèi)，沙子被分離出來后沉降到容器底部，再由螺旋輸送機(jī)輸送出去[7]，之后由帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到物料車內(nèi)。

2 吸沙小車設(shè)計(jì)

吸沙小車前后采用單牽引桿(前后各1根)推拉牽引，采用4個(gè)液壓缸進(jìn)行上下整體升降，采用掛鏈插銷結(jié)構(gòu)鎖定，密封罩采用2個(gè)油缸提升。模型如圖3所示。吸沙小車車架采用ANSYS軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，根據(jù)仿真結(jié)果校核承載力和變形情況。

圖3 吸沙小車模型

3 吸掃裝置設(shè)計(jì)

吸掃裝置分為中間吸掃裝置和兩側(cè)吸掃裝置，如圖4所示。吸掃裝置設(shè)置4根吸沙波紋管，2根在鋼軌內(nèi)側(cè)，2根在外側(cè)。吸掃裝置底部為毛刷，毛刷底邊與軌道板上表面接觸，吸掃裝置中間設(shè)置清掃毛刷，并且毛刷要根據(jù)軌道板形式進(jìn)行仿形設(shè)計(jì)。中間吸掃裝置負(fù)責(zé)2股鋼軌中間區(qū)域的吸沙工作，兩側(cè)吸掃裝置負(fù)責(zé)鋼軌外側(cè)區(qū)域的吸沙工作。為增強(qiáng)清掃效果，采用2套吸掃裝置。吸掃裝置可進(jìn)行上下升降和左右調(diào)整。清掃毛刷可拆換，也可進(jìn)行上下升降。

圖4 吸掃裝置

為保證吸沙效果，采用整體式密封罩將吸掃裝置大部分密封。傘形吸風(fēng)罩所需吸風(fēng)量計(jì)算公式為

Q=KCHv

(1)

其中：Q為吸風(fēng)罩所需吸風(fēng)量，m3/h；K為取決于傘形吸風(fēng)罩幾何尺寸的系數(shù)，K=1.4；C為沙源的周長，m；H為吸風(fēng)罩口距積沙的距離，m；v為罩口氣流的平均流速，m/s。

按照《除塵工程設(shè)計(jì)手冊》[8]，罩口氣流平均流速取1 m/s，計(jì)算可得出吸風(fēng)罩所需吸風(fēng)量。

4 吹沙裝置設(shè)計(jì)

吹沙裝置由多組吹嘴組成。每組有3個(gè)吹嘴。多組吹嘴同時(shí)工作如圖5所示。

圖5 多組吹嘴同時(shí)工作

空氣由吹嘴噴出，噴吹氣流原理如圖6所示。圖中：v0為吹嘴口氣流速度，m/s；M為吹嘴口位置；X0為吹嘴口距起始段距離，m；S0為起始段長度，m。

圖6 噴吹氣流原理

在吹沙過程中，主要利用的是氣流的基本段，吹嘴端部斷面氣流平均速度vx計(jì)算公式為

(2)

其中：a為吹嘴紊流系數(shù)，a=0.08；x為距吹嘴口的距離，m；R0為吹嘴口的半徑，m。

吹嘴氣流的流量Qv計(jì)算公式為

(3)

其中：S為噴嘴口截面面積，m2；P0為壓縮空氣的壓強(qiáng)，Pa；T0為噴嘴口溫度，℃。

計(jì)算可得單個(gè)吹嘴橫截面吹力為10 N。按照軌道板平均積沙厚20 mm，堆積密度約1.19 g/cm3，則單個(gè)吹嘴對應(yīng)的積沙質(zhì)量為0.5 kg，所對應(yīng)的積沙阻力為0.5 N。因?yàn)榇盗?0 N大于積沙阻力0.5 N，故吹嘴結(jié)構(gòu)滿足吹沙要求。

5 避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

軌道上的應(yīng)答器對車架底部的吸掃裝置構(gòu)成障礙，并且車體具有雙向作業(yè)的功能，采用2套檢測系統(tǒng)分別布置在車頭和車尾。由于吸掃裝置走行作業(yè)速度快，應(yīng)答器尺寸小，為能在作業(yè)中檢測到應(yīng)答器，選擇測量頻率高的激光傳感器。在檢測系統(tǒng)檢測到應(yīng)答器后，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)記錄車的走行里程，在碰到吸掃裝置前輸出一路數(shù)字信號，控制吸掃裝置提升避障[9]。避障系統(tǒng)各部件安裝示意如圖7。

1-安裝支架; 2-激光傳感器; 3-吸掃裝置; 4-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)圖7 避障系統(tǒng)安裝示意

5.2 工作原理

測量障礙物采用激光傳感器，工作原理見圖8。激光傳感器安裝于前后車頭下方，激光光束平面與水平面的夾角為α，這樣每次掃描都會有多個(gè)點(diǎn)的返回值，Lth為掃描到道床上的點(diǎn)與激光傳感器之間距離的理論值，Lr為實(shí)際測量值，則測量出的障礙高度d=(Lth-Lr)sinα，若d大于設(shè)定的障礙高度，則可以判定前面遇到高出枕底的障礙物了。

圖8 激光傳感器工作原理

避障系統(tǒng)的檢測部分除了激光傳感器測量障礙物以外，還要結(jié)合里程傳感器的里程信息，根據(jù)安裝除沙裝置車輛的行駛速度來判斷障礙物距離車頭的距離。如果發(fā)現(xiàn)前方有障礙物，且該障礙物在安全距離之內(nèi)時(shí)，在自動(dòng)避障模式下將輸出信號，自動(dòng)提升吸掃裝置避障，并有文字提示及實(shí)時(shí)報(bào)警。如果是在手動(dòng)避障模式下將有文字提示及聲音報(bào)警。

5.3 避障系統(tǒng)組成

避障系統(tǒng)采用激光傳感器作為測量設(shè)備，以計(jì)算機(jī)作為控制核心，通過顯示屏顯示避障信息，并輸出數(shù)據(jù)到控制系統(tǒng)，自動(dòng)提升吸掃裝置避障[10]。在車頭、車尾各安裝1個(gè)激光傳感器，可實(shí)現(xiàn)雙向作業(yè)時(shí)的避障功能。

計(jì)算機(jī)工作原理見圖9。軟件根據(jù)作業(yè)方向，選擇車前進(jìn)端的激光傳感器工作，根據(jù)激光傳感器測量結(jié)果來判斷是否檢測到應(yīng)答器。由于密封罩和傳感器的安裝位置已知，軟件可根據(jù)激光測量的距離值判斷密封罩與應(yīng)答器的相對位置，當(dāng)應(yīng)答器快碰到密封罩時(shí)，軟件將發(fā)出提升信號到輸入輸出模塊，提升作業(yè)機(jī)構(gòu)避開應(yīng)答器。

圖9 計(jì)算機(jī)工作原理

6 裝車試驗(yàn)

除沙裝置經(jīng)過出廠測試后，裝備于鐵路道床除沙車上，見圖10。通過靜態(tài)試驗(yàn)和作業(yè)測試，除沙裝置能夠較好地去除軌道板上表面積沙。

圖10 除沙裝置安裝于鐵路道床除沙車上

7 結(jié)論

本文針對蘭新客運(yùn)專線軌道板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和積沙現(xiàn)狀，開展了軌道板用除沙裝置關(guān)鍵技術(shù)的研究，提出除沙裝置總體技術(shù)方案。結(jié)合軌道板上表面除沙要求，設(shè)計(jì)并研制了一套新型的除沙裝置，提出吹、掃、吸的綜合作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)軌道板上表面和扣件區(qū)域的除沙。采用密封罩進(jìn)行主體仿形設(shè)計(jì)，底部采用毛刷密封；采用多組吹嘴，將鋼軌外側(cè)區(qū)域的積沙吹到2股鋼軌中間區(qū)域；在鋼軌中間和兩側(cè)區(qū)域設(shè)置2套吸掃裝置；在吸沙口下方設(shè)置清掃毛刷，將軌道板上表面積沙刷起，并通過吸掃裝置吸走；針對應(yīng)答器的分布特點(diǎn)，采用激光檢測技術(shù)，設(shè)計(jì)并研制了一套新型的避障系統(tǒng)，對具有碰撞風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)答器進(jìn)行檢測、識別，并將該數(shù)據(jù)上傳至作業(yè)控制系統(tǒng)，從而控制作業(yè)機(jī)構(gòu)及時(shí)采取避讓措施。

經(jīng)過靜態(tài)試驗(yàn)和作業(yè)測試，除沙裝置能夠較好地去除軌道板上表面積沙，為解決沙害提供了一種途徑，有較好的應(yīng)用前景。