高原鐵路岔枕折斷螺栓改錨設備研究及應用

陳亞男

摘 要：本文針對現有折斷螺栓改錨設備和改錨方法在高原鐵路應用存在的問題，研制一種應用于高原鐵路岔枕折斷螺栓的直流改錨設備，成功解決了高原缺氧內燃機降功和低溫作業普通電池放電困難兩大難題。該設備采用低溫鋰電池供電，直流電機驅動，進行現場試驗表明：1.改錨設備安裝方便、固定可靠，對位快速準確，鉆孔成功率得到提高。2.低溫鋰電池供電方案能夠滿足現場需求，在-20℃的環境下，現場試驗效果較好。3.改錨設備改錨一個折斷螺栓需要9min左右，一個天窗點作業時間（120分鐘）可以完成約10個折斷螺栓的改錨作業，改錨效率得到提升。

關鍵詞：高原鐵路;折斷螺栓;改錨;低溫鋰電池

一、前言

隨著我國鐵路運行速度的提高，對于鐵路施工及維護提出了更高的要求。鐵路的鐵軌與墊板通過地腳螺栓與岔枕連接，列車在鐵軌上運行時會產生不同方向的振動，對地腳螺栓產生拉剪等交變應力，多年運行后可能導致地腳螺栓折斷[1]。折斷螺栓斷裂在岔枕孔內不便取出，而為了鐵路運營安全必須及時改錨。而道岔處彎道較多，列車通過時離心力作用使地腳螺栓更容易折斷，改錨需求更大。目前貨運重載化是鐵路發展的重要方向之一，遠距離輸送的萬噸級以上的重載列車也越來越多[2]，地腳螺栓面臨的工況更加復雜，這對于改錨提出了更高的要求。

目前國內主要改錨方法有：（1）螺栓上焊接螺桿、螺母反向取螺栓[3]，但是這種方法作業效率低下，且焊接時容易傷及尼龍套;（2）空心鉆將折斷螺栓及部分尼龍套鉆出，但是這種方法目前多為人扶作業，容易鉆孔歪斜甚至傷到軌枕螺紋，而且鉆取后會殘留尼龍套，清理干凈費時費力，一個天窗點僅能完成1～2個折斷螺栓的改錨作業;（3）45mm空心鉆將整個孔鉆掉并重新錨固，但是需要重新錨固，等待24小時再擰入新螺栓;（4）在折斷螺栓上鉆孔，并用反向絲錐取出，這種方法作業效率較高，且尼龍套完好時不需要更換尼龍套，此方法為優選針對折斷螺栓的改錨方法。

目前國內用鉆孔方法改錨道岔折斷螺栓時，多采用內燃式或交流電動改錨機。高原鐵路由于其特殊的地理環境，空氣稀薄，環境溫度低，內燃機在高原地區使用存在降功現象，改錨效率低下。交流電動改錨機需要配備發電機，發電機搬運困難。

目前改錨設備固定困難，所用改錨機多為人員手扶，容易造成鉆孔歪斜甚至傷及尼龍套，然后必須進行尼龍套一并更換，增大工作量。

因此急需一種能夠滿足岔枕線路處及高原作業要求的新型折斷螺栓改錨設備。

二、改錨工況分析及設備研究

2.1道岔工況分析

鐵路道岔處為螺栓折斷發生頻率較高區域，而道岔處由于結構原因，需改錨工況較為復雜，對不同類型的道岔的工況進行分析后，根據相鄰軌關系及改錨位置的不同，共分為6種不同工況，如圖1所示。

1.岔枕 2.折斷螺栓孔位置 3.鐵墊板 4.鋼軌

工況1：基本工況，岔枕間距600mm;工況2：岔枕間距575mm;工況3：其中一塊墊板寬度為250mm;工況4：折斷螺栓孔位置距鋼軌軌底距離較近;工況5：折斷螺栓孔位于相鄰兩鋼軌間，且之間間距較小;工況6：折斷螺栓孔位置在墊板左右位置不對稱。

根據以上工況分析可以得知，無法使用一個固定的裝置來滿足所有工況的要求，所設計的改錨設備必須滿足不同工況的需求。

2.2改錨設備供電系統

為滿足高原低溫改錨作業要求，設計采用低溫鋰電池的供電方案。經過計算選用電池容量為15AH，供電系統設計方案如下：

直流供電系統包括低溫鋰電池、電源開關、改錨開關、調速按鈕、直流電機組成。低溫鋰電池作為電源進行供電，調速旋鈕可以調整電機轉速。直流供電系統外形如圖2所示。

1.電源開關 2.改錨系統開關 3.調速旋鈕 4.電源充電口 5.霍爾航插 6.電機動力航插

2.3改錨設備結構設計

根據圖1的工況分析可知，固定寬度不一致，無法用一個固定的裝置來滿足所有工況下改錨鉆機的固定。

最終設計的改錨機結構如圖3所示。直流電機帶動減速機驅動鉆花旋轉進行鉆削作業。設備固定依靠固定機構兩套正反絲連接的撐桿撐在相鄰岔枕間進行固定。設備具有側向移動及旋轉功能，旋轉依靠鎖緊把手進行鎖定，側向調節依靠調節手輪進行調整位置，可以滿足不同工況的需求。

1.鉆孔機構 2.進刀機構 3.旋轉機構 4.固定機構 5.側向調節機構 6.鉆頭導向套

方案確定完善后，制造加工的改錨機在不同工況下進行試驗，得到改錨機不同位置的固定方式如圖4所示。從圖中可以看出，所設計的改錨設備滿足不同工況下的改錨需求。

1.改錨設備 2.折斷螺栓孔位置 3.岔枕 4.墊板 5.鋼軌

三、改錨作業步驟

現就改錨作業的具體工作步驟進行說明。

機具配置：改錨鉆機一臺，電源箱一個，起道機一臺，鏟子一把，扣件螺栓套筒扳手一個，反向絲錐5個，四方套筒扳手一個，吹風機一個。

人員配置：兩人操作設備;一人負責鉆取作業，另一人負責工具的替換。

步驟一：清除所需改錨位置兩軌枕間道砟，清除道砟以岔枕平面向下90mm以上為準。松開扣件，拆除墊板，根據岔枕寬度初步調節固定底板與底部撐桿外部距離，選定位置后將改錨裝置搭接在需改錨螺栓孔位置的岔枕兩側，分別旋轉兩套的底部鎖緊螺母，并用扳手進行緊定。

步驟二：旋轉防轉桿帶動整個鉆機旋轉至待改錨折斷螺栓孔位的同一水平線上，旋轉上下兩個鎖定把手進行旋轉角度鎖定。

步驟三：旋轉調節手輪使改錨立柱及底座進行左右側向移動，直至鉆頭導向套落入所需改錨折斷螺栓孔內或套在折斷螺栓上，并對底座鎖緊螺母進行鎖定，完成整個改錨裝置的對位及鎖緊。

步驟四：打開電源開關，打開改錨系統開關，旋轉調速旋鈕至最大，拔下連桿固定銷，向下按壓連桿，連桿帶動滑動套筒在改錨底座及立柱上向下滑動，并對折斷螺栓進行鉆孔。鉆取深度20mm后，向上提動連桿，插上連桿固定銷，旋轉調速旋鈕至最小，關閉改錨系統開關，關閉電源開關。鉆孔作業完成。

步驟五：將反向絲錐插入所鉆取孔內，并用套筒扳手逆時針旋轉取出折斷螺栓。將墊板重新安裝，最后錨固新螺栓，并進行緊定，至此改錨作業完成。

四、現場使用情況

2019年12月1日11：00～02：30（天窗點）在西寧工務段的西寧小橋站進行現場改錨作業，現場海拔為2250m，作業溫度為-15℃;2019年12月5日14：00～16：00（天窗點）哈爾蓋車站的道岔進行現場改錨作業，現場海拔為3200m，作業溫度為-12℃。根據第三部分中的作業步驟，現場作業的作業流程如圖5所示。

（a）清除折斷螺栓區域道砟? ? ?（b）松開扣件并拆除墊板? ? ? ?（c）固定設備并進行鉆孔對位

（d）連接線路并打開電源? ? ? ? ? ? ? ? ?（e）鉆取作業? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（f）用反向絲錐取出折斷螺栓

取出折斷螺栓后，最后恢復墊板，并重新錨固新的地腳螺栓。圖6為取出折斷螺栓圖，取出的折斷螺栓用臺虎鉗加緊，反向絲錐用扳手順時針擰出。進行7個折斷螺栓改錨作業后電池剩余電量為70%，滿足現場作業需求。原有設備進行改錨需要3～4個人進行作業，現在改錨作業需要2個人就可以完成。新型改錨機作業時固定可靠，改錨的成功率提升。現場記錄的作業時間如表1所示。從表中可以看出，平均改錨一個折斷螺栓在9min左右，一個天窗點作業時間（120分鐘）可以完成約10個折斷螺栓的改錨作業，作業效率大大提高。

五、結論

（1）新型改錨設備采用低溫鋰電池供電、直流電機驅動方式，適用于高原鐵路低溫缺氧的環境。

（2）新型改錨設備安裝方便、固定可靠，對位快速準確，鉆孔成功率得到提高。

（3）低溫鋰電池供電方案能夠滿足現場需求，在-20℃的環境下，現場試驗效果較好。

（4）直流改錨鉆機改錨一個折斷螺栓需9min左右，一個天窗作業時間（120

分鐘）可以完成約10個折斷螺栓的改錨作業，改錨效率得到提升。

參考文獻

[1] 易絲蓉.鐵道工程.北京：中國鐵道出版社，2015.

[2] 李建軍.道岔M30螺栓失效原因分析及整治方案[J].上海鐵道科技，2018（01）：84+54.

[3] 雷寶.混凝土岔枕大螺栓的保養[J].甘肅科技縱橫，2013，42（12）：65-66+17.