鋼軌走行輥道線導向裝置的研究

李季陽 滕旭升 朱林榮 中國鐵路上海局集團有限公司上海工務大修段

在焊軌基地長鋼軌焊接生產過程中，將單支100 m 或500 m 的鋼軌擱置在諸多輥筒上，電動機驅動輥筒轉動，利用摩擦力驅動鋼軌前行或后退。通過對這些簡單的輥筒和裝置排列組合，組成鋼軌走行輥道線。將鋼軌或鋼軌焊縫輸送至各作業工位。為了防止鋼軌從輥道線穿出，既有輥道線上根據不同情況分布安裝了導向間距固定的軌腰導向、八字導向、立輪導向等各類機械結構的導向限制裝置。這些裝置很大程度上避免了鋼軌穿出走行輥道線的情況，但有時由于鋼軌端部軟彎存在、基礎變化等各種因素，導致鋼軌端部與輥道線上的導向限制裝置產生劇烈碰撞，輕則使鋼軌的端部產生形變撞傷，影響后續焊接作業質量，重則撞壞導向，鋼軌從輥道線穿出。為了避免上述情況的出現，結合既有各類導向裝置的特點，對焊軌基地鋼軌走行輥道進行了優化和研究。

1 既有各類導向裝置的分析

目前，蕪湖北焊軌基地根據走行輥道線的分布及功能，使用的導向裝置有以下各種類型。

（1）安裝于直線段的八字導向和立輪導向。其中八字導向如圖1，由于其導向口間距固定，當鋼軌走行過程中端部偏移大于導向固定的最大偏移時，鋼軌撞擊導向而導致撞壞鋼軌軌端和導向；當鋼軌走行過程中鋼軌出現蛇形狀態時，導致鋼軌軌底邊與導向裝置產生滑動摩擦的現象，可能擦傷鋼軌軌底邊；立輪導向如圖2，其導向口間距固定。若半徑為r，接觸點距輥筒中心距離為d，則鋼軌偏移量為r-d，鋼軌撞擊力為F，則輥筒受力其中因此，輥筒受力會隨著鋼軌偏移量 的增大而急劇增大，會隨著輥筒半徑的減小而對受力變化更加敏感。由于結構限制，立輪導向輥筒直徑較小，存在安全隱患及其局限性。

圖1 直線段八字導向

圖2 直線段立輪導向

（2）安裝于彎道的軌腰導向如圖3，限位能力強，能夠在輥道線彎道位置將鋼軌引導至順彎狀態。但由于導向位置設在軌腰部分，當鋼軌上的凸字鋼印與導向輪接觸時，一方面產生震動并發出較大噪聲，另一方面使導向輪軸承受力產生變化，導致故障。

圖3 彎道段軌腰導向

（3）安裝于設備兩端的可調導向如圖4，目的是保護設備，避免鋼軌撞擊；同時糾正鋼軌端部方向，使鋼軌中心與設備加工中心基本一致，降低鋼軌在設備加工位置的初始誤差，提升加工精度。由于此導向結構復雜，制造成本高，全線使用不經濟，也不合理。

圖4 可調導向

通過對焊軌基地各類既有導向裝置的分析，我們認為直線段導向和彎道段導向均有優化改進空間，用于保護設備的可調導向可以延用，但分布結構可以優化。

2 直線段導向的改進

2.1 導向裝置的改進思路

通過對既有導向的優劣分析，結合現場實際調研，確定重新設計導向裝置。通過新型導向的設計，彌補八字導向、立輪導向的局限性。為了適應實際輥道基礎和現場安裝條件，裝置設計應滿足如下基本條件：

（1）具備糾偏量大小有限可調；

（2）撞擊力可多方向緩解釋放；

（3）具備對鋼軌端部糾偏的自適應能力；

（4）裝置重量恰當，維修、拆裝方便；

（5）裝置安全可靠，穩定性好。

針對上述條件綜合統籌，設想導向輪采用圓錐結構，分離式設計，組成一個斜邊導向裝置。

2.2 斜邊導向結構

導向機構包括底板、支承、輥筒和旋轉軸。旋轉軸橫向固定在支承接口內，輥筒側邊傾斜，兩套輥筒對稱設置。底板中部設置支承，同時支撐兩側輥筒。兩側輥筒均可獨立旋轉、裝卸。輥筒斜邊起支撐鋼軌和限位作用。斜邊導向結構示意如圖5。

圖5 斜邊導向設計

兩側的支承座3 之間由固定螺栓11 和固定螺母1 連接，中心支承7 與兩側設置支承的底板3 通過固定螺栓11 和固定螺母1 連接，構成底座整體。軸8 安裝在中心支承7 和支承座3 上，由止動墊片固定螺栓12 固定的止動墊片2 防止軸8 在運行中旋轉。斜邊輥筒5 通過軸承9 安裝在軸8 上，兩邊設有端蓋6 配合密封圈10 防水、灰塵等，使用端蓋固定螺栓4 固定。系統通過油嘴13 向內部軸承等部件注入3 號鋰基脂保持潤滑。

在支承座3 上開腰孔，通過腰孔可調節兩側支撐座間距，實現糾偏量大小有限可調；錐形導向輪的設計可實現鋼軌與裝置之間撞擊力緩解釋放，同時實現對鋼軌端部糾偏的自適應；分離式結構降低了單個部件重量，并為檢修提供了方便；整體和較強的能力改變固定螺栓11 和固定螺母1 相對于設置支承的底板3 的相對位置實現調整限位間距的目的，最大可調間距10 mm，最大可調高度10 mm。

2.3 糾偏量計算

根據鋼軌在輥道線上實際運行情況，導向的設置間距約5 m，理論上可實現的最大糾偏量S 為123.84 mm：

由鋼軌的楊氏模數E可知，鋼軌越出輥輪外邊界時，抵消自重Mg時的正向應變量ε為1.84 mm。導向的糾偏能力為軌底長度的一半d1加上限位點與導向間距d2加上接觸點到輥輪外圓的直線距離d3加上正向應變量ε。

2.4 強度校核

根據鋼軌在導向接觸點到中心點的圓弧半徑r，以及運行角度為1/24 圓，可以計算鋼軌在斜邊導向上的切入點到最高點的距離S，

鋼軌的實際運行速度V為0.83 m/s，可以計算加速時間T，

T=S/V=0.04 s

單個錐形輥輪質量為7.5 kg（將鋼軌運行撞擊輥輪等效于輥輪運行撞擊鋼軌），其相對沖擊力F，

F=mV/T=7.5 kg×0.83 m/s/0.04 s=155.6 N

可以得出約在0.04 s 內導向輥輪小徑上5 mm 高處將線速度加速至50 m/min，切線處承受的沖擊力約為155.6 N，遠小于45#鋼及鋼軌材質的耐受極限。

3 彎道段軌腰導向的改進

鋼軌鋼印經過軌腰導向時，會產生震動，伴隨很大的噪聲。由于鋼印凸起不規則，導向輪受力變化劇烈，易損壞軸承。因此，需要對軌腰導向進行改進。

具體實施方式是：加裝墊塊，墊塊與原有的底座焊接在一起，軌腰導向通過螺栓連接在墊塊頂部。此項改進可以將軌腰引導改為軌頭引導如圖6。

圖6 軌頭導向

相比軌腰來說，軌頭更為平滑。運行起來一方面噪聲大大減小，另一方面可以降低導向軸承的磨損，有利于減少裝置故障率。

4 可調導向的布局優化

可調導向擁有優異的限位能力，其導向限位間距和導向中心的可調，在保護設備和提高加工精度上具有明顯的優勢。如果在設備二端再加裝1 到2 組可調導向，并使導向限位間距形成階梯式縮小，這樣有利于更好地保護設備，更好地避免鋼軌軌端撞擊導向裝置，使鋼軌中心與設備加工中心重合度更高。

5 結束語

通過對鋼軌走行輥道線導向的研究，在進行了局部試驗的基礎上，利用蕪湖北焊軌基地精整線鋼軌走行輥道大修的機遇，進行推廣應用，提升了鋼軌走行速度和流水線作業效率。應用過程中，輥道導向裝置性能穩定、安全可靠；并使輥道導向裝置定型為三個形式，減少了配件儲備類型，降低了輥道運行噪聲，消除了鋼軌脫離輥道線的風險；為輥道線導向的檢修提供了方便，提高了設備維修效率。