電動撥軌裝置研制與應用

胡雄偉 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

受外部環境、車輛荷載、基礎結構沉降、材料老化等多方面因素影響，部分高速鐵路無砟軌道已經逐漸暴漏出軌道板傷損、砂漿層離縫脫空、底座板斜裂等病害，有些軌道板可能因為傷損嚴重導致強度大大降低，造成軌道結構不穩定，甚至可能影響到高鐵行車安全，必須進行更換處理。

然而，在對傷損軌道板進行更換作業時，由于鋼軌-軌道板-底座板的無砟軌道結構形式以及軌道板的幾何尺寸限制，需要將軌道板上方的鋼軌分別向兩側移開才能為傷損軌道板的起吊更換提供作業空間。目前現場撥軌作業主要采用"鋸軌+人工撥移"的作業方式，該方式存在操作過程復雜、控制精度差、作業效率低、施工成本高等缺點。

基于軌道板換板施工實際需求，結合鋼軌自身力學性能特點，研究提出了不鋸軌撥軌作業方法，并研制了一套電動撥軌裝置。該不鋸軌撥軌工藝主要是通過在傷損軌道板兩側解扣的鋼軌底下墊入四套電動撥軌裝置，將解扣的鋼軌支撐到一定高度方便移出，再利用各組電動缸提供頂升力來實現鋼軌的外撥和復位。撥軌過程中通過電控系統可實時監測并記錄鋼軌外撥、復位過程中的受力和位移等參數，并顯示鋼軌外撥、復位過程中位移-力的實時曲線，方便撥軌人員實時掌握鋼軌撥移過程中的受力狀態，準確控制鋼軌撥移位置，確保撥軌施工過程安全可控。本文重點介紹電動撥軌裝置的技術設計及應用情況。

1 電動撥軌裝置結構設計

目前我國高速鐵路常用軌道板主要有CRTSⅠ、CRTSⅡ、CRTSIII 型三類無砟軌道板，綜合三種型號軌道板的結構尺寸和換板工藝要求，制定了電動撥軌裝置的主要技術指標，見表1。

表1 電動撥軌裝置性能參數

不鋸軌更換軌道板施工，需進行較大范圍的扣件松開，才可進行撥軌方式為軌道板交換提供充分空間，因此電動撥道裝置涉及的范圍較廣，因此電動撥軌裝置分為為三個功能部件：撥軌裝置主框架、撥軌動力裝置、輔助撥軌滑臺，根據現場情況及松開扣件范圍進行組合安裝進行撥軌，具體設計方案如下：

電動撥軌裝置整體設計實物照片如圖1 所示。

圖1 撥軌裝置現場實物照片

1.1 撥軌裝置主框架

撥軌裝置主框架主要作用是為撥軌動力系統提供支撐、為鋼軌滑移提供滑道和導向、鎖緊固定鋼軌以及墊支鋼軌作用。其結構示意圖如圖2 所示。

撥軌主體框架設計為門式分體結構，采用分體結構可小量起道將主框架放入軌底進行組裝。框架分兩個檔位，當電動缸在第一檔位撥軌至405 mm 后進行止位，然后將電動缸復位并移至第二檔位，插入支撐擋板提供支撐，可繼續進行第二檔撥軌至實際需要位置。

圖2 撥軌裝置主框架示意圖

1.2 撥軌裝置動力系統

該系統主要作用是通過伺服電動缸提供頂推鋼軌的動力，并在頂推過程中實現撥軌力、鋼軌位移等關鍵數據的采集和處理，從而保障撥軌過程的安全可控以及撥軌裝置自身的安全。撥軌裝置動力系統主要由伺服電機、伺服電動缸、可編程控制器、人機界面四部分組成，圖3 為伺服系統示意圖。

圖3 伺服系統

撥軌時，操作人員通過人機操作界面與系統進行交互，操作界面可進行撥軌量的輸入，并實時顯示撥軌量和撥軌力等參數，便于操作人員對撥軌過程的控制。可編程控制器連接人機界面與伺服驅動，能按照施工人員通過人機界面下達的操作指令，精確控制伺服電動缸推動連接塊和鋼軌橫向移動，實現鋼軌撥軌量的精確控制。為實現更大的撥軌量，裝置設計有二級推進機構，電動缸單次推進最大撥軌量為405 mm，兩次頂升的最大撥軌量可達810 mm。

圖4 撥軌裝置操作界面

圖4 為人機界面顯示的撥軌作業前的系統準備畫面，主要作用是使伺服系統上電并使伺服電動缸到達零位，通過上述操作從而實現撥軌量的精確采集。

圖5 為撥軌作業過程中所顯示的界面，撥軌可按兩種不同的速度進行，低速撥軌為2 mm/s，高速撥軌為20 mm/s，撥軌力顯示精度為0.01 N，撥軌行程顯示精度為0.05 mm。

圖5 操作界面

1.3 輔助撥軌滑臺

輔助撥軌滑臺主要是起支撐鋼軌滑移作用，根據理論計算以及現場試驗，單股鋼軌每間隔12 m-14 m 布置一個滑道，根據實際松開扣件范圍可適當增加或減少滑臺數量。滑臺是由截面規格為100 mm×100 mm、120 mm×100 mm，壁厚為3 mm 的矩形管加工組成，材料為45#鋼。其中100 mm×100 mm共計 8 根（4 根備用），120 mm×100 mm 共計 8 根，120 mm×100 mm 拼焊 L 型滑臺 4 根。

2 撥軌裝置關鍵工況下受力分析

在曲線段或者溫度變化較大區段，鋼軌的張力較大，撥軌裝置進行撥軌時不僅要承受支撐鋼軌的重力和縱向張力，還要承受頂推鋼軌傳遞給撥軌裝置主框架的反力，尤其是撥軌作業完成進入軌道板更換施工之后，為了確保整個換板施工安全順利進行，需要對鋼軌進行鎖緊固定，此時撥開后的鋼軌張力、重力等合力由撥軌裝置承擔。基于以上需要對撥軌裝置進行強度校核，確保在關鍵工況條件下，撥軌裝置強度仍具備較大安全余量。

根據現場調研和試驗，在曲線地段撥軌作業時，若實際軌溫低于線路鎖定軌溫，則進行鋼軌外撥的撥軌力較大；若實際軌溫高于線路鎖定軌溫，則進行鋼軌復位的回復力較大，因此，需選取極端情況下進行電動撥軌裝置的關鍵結構部件的受力進行核算。正常情況下實際軌溫低于鎖定軌溫20℃或高于鎖定軌溫5℃時即不再進行撥軌方式下的施工作業，為了更大范圍的掌握結構的安全余量，本設計選取在小半徑、大超高曲線情況下，分別對施工實際軌溫高于鎖定軌溫20℃或低于鎖定軌溫20℃的兩種極端情況進行關鍵部位核算，具體計算參數如表2 所示。

表2 強度校核參數表

2.1 撥軌裝置主框架

撥軌裝置主要承力部件是主框架，因此撥軌裝置在極端工況下進行工作時主框架能否滿足強度安全要求，需要進行檢算。主框架受力檢算如圖6、圖7 所示。

圖6 15 kN 撥軌力時主框架應力云圖

圖7 12 kN 回復力時主框架應力云圖

撥軌裝置主框架在極限工況下綜合最大應力為556 MPa，小于其屈服強度，施工軌溫高于或低于鎖定軌溫20℃的極端工況下一般不建議施工，極限工況下可能會對鋼軌產生一定損傷。

2.2 電動缸法蘭

圖8 15kN 撥軌力時法蘭應力云圖

圖9 12kN 回復力時法蘭應力云圖

在極端工況下進行工作時，電動缸法蘭能否滿足強度安全要求，需要進行檢算。圖8、圖9 為撥軌力15 kN、回復力12 kN 工況下的應力云圖。

電動缸法蘭在極限工況下綜合最大應力為437 MPa，小于其屈服強度，施工軌溫高于或低于鎖定軌溫20℃的極端工況下一般不建議施工，極端工況下可能會對鋼軌產生一定傷損。

3 應用情況

電動撥軌裝置采用電動缸提供鋼軌外撥、復位的動力，利用電控系統控制電動缸的行程、速率，撥軌過程中人機界面顯示鋼軌外撥的位移-力的曲線，便于作業人員實時掌握鋼軌在外撥、復位過程中的受力情況，在位移-力發生突變時進行緊急處置，以保障撥軌作業安全（見圖10）。

對撥軌裝置關鍵結構部件在極端工況下進行了結構強度核算，其強度能夠滿足在不同工況下的撥軌及復位需求。

電動缸撥軌裝置在線路上進行了檢測試用，同時還測試了撥軌過程中鋼軌應力情況，撥軌過程中電動撥軌裝置、鋼軌應力情況各項指標能夠達到要求并在安全范圍以內。