CQS-300側切式清篩機的研制

張國剛

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明654300）

0 引言

我國鐵路道岔地段線路結構復雜，長期以來，其道砟清篩主要依靠人工作業，人工作業勞動強度大，作業效率低，維修質量差，成為鐵路提速的一大瓶頸。因此，研制一種有別于傳統清篩模式的、更加簡單易用的、適用范圍更加廣泛的新型全斷面道砟清篩機具有重要的科學意義和工程價值，能提高我國鐵路線路維修質量及養路機械技術裝備水平。中國鐵路總公司科技司于2014年5月18日在北京組織召開《側切式全斷面道床清篩機關鍵技術研究》開題報告，并將“大型養路機械關鍵技術自主化研究—側切式全斷面道床清篩機關鍵技術研究”列入科技研究開發計劃合同。根據中國鐵路總公司的科技開發計劃，進行了側切式清篩機的研制。

1 側切式清篩機的主要應用領域

主要致力于解決鐵路線路道岔的清篩作業問題，可適用于正線，邊坡，兼顧部分滿足條件的橋梁和隧道清篩。

2 側切式清篩機的主要作業特點

側切式清篩機采用側切刀板枕底挖掘與挖掘斗輪挖掘并提升相結合的方式進行作業。挖掘裝置通過側切刀板切入枕底，將枕底道砟挖掘并排出至邊坡位置，然后利用挖掘斗輪將道砟挖掘提升至道砟輸送裝置，并傳送到篩分裝置，道砟經過篩分后，干凈的道砟回填至道床，污土通過主污土帶傳送到車體后方并拋出到污土車或者道床外面。與以往技術相比，有如下特點：挖掘裝置不需要連接底梁，輔助作業時間及施工人員較少；斗輪邊坡挖掘可單邊獨立或雙邊同時作業，斗輪提升效率高，結構簡單；不需要拆除轉轍機等設備；能適用于對多種道岔及部分滿足條件的隧道橋梁進行清篩作業。

3 側切式清篩機的主要技術參數

3.1 線路適應性參數

適用鋼軌：50kg/m、60kg/m、75 kg/m

軌距：1435 mm

線路最大坡度：30‰

最小運行半徑：180 m 最小作業半徑：250 m

最大軸重：≤23 t最大聯掛運行速度：100 km/h

最大自行速度： 80 km/h

3.2 作業環境條件

海拔高度：≤2 000 m 環境溫度：-10～50℃；

相對濕度：≤95%

3.3 結構性能參數

輪徑：Ф840 mm轉向架中心距：20 900 mm；

轉向架軸距： 1 350 mm

車鉤高度 （距軌面）：（880±10）mm；

整車尺寸（長寬高）：29 400×3 370×4 760 mm

整備質量：（109±2.5）t；

發動機型號：CAT C18；

水冷發動機 額定功率：522 kW；

制動性能：在平直線路上，以80 km/h速度運行時，單機緊急制動距離不大于630 m，制動時不擦傷車輪。

3.4 作業性能參數

挖掘斗輪最大挖掘寬度： 距軌道中心線（單側）2 500 mm；

挖掘斗輪最大挖掘深度：軌面下850 mm；

挖掘斗輪轉速：≤11 r/min：

側切刀板挖掘鏈線速度：0～3.1 m/s，可無極調速

污土拋射距離：距軌道中心≥5500 mm

振動篩振頻：16Hz±1Hz

篩分潔度：≥97%

篩分效率：300 m3/h

4 主要部件

側切式清篩機主要由車架、動力傳動裝置、工作裝置、制動系統、液壓系統、電氣系統等組成（見圖1）。

圖1 CQS-300側切式清篩機總體結構示意圖

4.1 車架及車鉤

車架采用材料為Q345D的H型鋼和鋼板焊接而成，該車架通過有限元分析計算優化結構、靜強度試驗、動應力試驗，滿足TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》要求。車鉤采用帶緩沖裝置的6G大擺角車鉤，以滿足長中心距車輛過曲線的需求。

4.2 司機室

該車的司機室主要由司機室、空調、減震器、雨刮器等組成。司機室各板壁采用復合式大板制作技術，確保了司機室的保溫和降噪性能。司機室用減震器與車架連接，保證了操作人員的舒適性。

4.3 轉向架

該轉向架根據側切式清篩機高速走行、作業走行和連掛的要求，在以往成熟技術的基礎上優化設計而成。轉向架由整體焊接構架、液力驅動裝置及其吊掛裝置、軸箱彈簧懸掛裝置、主動輪對、從動輪對、常接觸式彈性旁承、球面心盤、單元制動器及非接觸式列車軸端光電速度傳感器等組成。委托西南交通大學對側切式清篩機轉向架性能分析，結論為：整機的動力學性能符合GB/T 17426-1998《鐵道特種車輛和軌行機械動力學性能評定及試驗方法》的要求，并在動力學試驗中得到驗證。

4.4 動力傳動系統

側切式清篩機動力傳動系統采用了靜液壓傳動方案，系統由發動機、分動齒輪箱及液壓馬達、液壓泵、車軸齒輪箱等組成。發動機為動力傳動系統提供轉速和扭矩輸出，通過分動齒輪箱進行分配，增加輸出、調配傳動比，按需要將動力提供給各工作機構、驅動輪等。其傳動示意圖如圖2所示。

圖2 動力傳動示意圖

4.5 工作裝置

側切式清篩機工作裝置由挖掘裝置、振動篩、儲運裝置和輸送裝置組成。

挖掘裝置由挖掘斗輪和側切刀板組成。挖掘斗輪左右橫移挖掘道床邊坡，側切刀板挖掘枕底道砟。該挖掘裝置采用側切刀板挖掘底切方式切入枕底，挖出枕底道砟，通過斗輪挖掘、提升并輸送的原理進行工作，挖掘裝置結構示意圖如圖3所示。

圖3 挖掘裝置結構示意圖

作業時，放下挖掘斗輪挖掘道床邊坡，當斗輪向下切入深度足以放下刀板時，斗輪一邊切入、一邊向外橫移，然后將刀板放下，擺動油缸推動刀板裝置向枕底方向慢慢切入并挖掘枕底道砟；結束清篩作業時，刀板擺動油缸先將刀板向外回轉90°撤出枕底，然后與斗輪裝置一起提升到收車位置。挖掘裝置工作位和收車位如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖4 挖掘斗輪挖掘位

圖5 側切刀板放下位

圖6 挖掘裝置工作位

圖7 挖掘裝置收車位

振動篩主要由框架、篩網、驅動裝置、支撐裝置組成，負責清篩從道床挖掘出來的道砟。振動篩結構示意圖如圖8所示。

圖8 振動篩結構示意圖

輸送裝置主要由橫向輸送帶、混砟帶、主污土帶、旋轉拋帶、回填帶組成。挖掘裝置提升的石砟通過橫向輸送帶輸入混砟帶，經振動篩篩分后潔砟通過回填帶回填道床；篩分后的污土經主污土帶送至旋轉拋帶后將污土拋出道床外。輸送裝置結構示意圖見圖9，石砟流向示意圖見圖10。

圖9 輸送裝置結構示意圖

圖10 石砟流向示意圖

儲運裝置主要由分砟器、儲運箱和落砟斗組成。它是CQS-300側切式清篩機篩分道砟回填系統的一個組成部分，設置在振動篩清潔道砟出口下方、回填帶上部。分砟器緊接振動篩清潔道砟出口，其功能有兩個：

①用于將振動篩清潔道砟出口的來料送入儲運箱；

②將道砟導流進落砟斗后進入回填帶。儲運箱用于作業開始時臨時儲存一部分道砟，在作業完后回填至道床，使線路起始不堆砟，結束不缺砟，大大減少了人工輔助的勞動量與勞動強度，同時減少了作業前準備時間和收車輔助時間，提高了天窗利用率。落砟斗用于導流從分砟器和儲運箱送來的道砟，然后按照兩邊不同的比例量送入左右回填帶，以滿足左右兩邊不同道砟回填量的需要。其結構示意圖如圖11所示。

4.6 液壓系統

側切式清篩機液壓系統由開環控制的多個工作子系統和閉環控制的高速走行、作業走行、斗輪挖掘子系統組成。其中高速走行子系統和斗輪挖掘子系統由同一組泵在高速走行和斗輪挖掘來回轉換供油,實現一個泵控制兩個主系統，這樣可以降低整車的制造成本。另外多個工作子系統采用負載敏感變量泵和負載傳感多路閥控制，可實現一個泵滿足多個執行機構同時工作，而且每一路執行機構的流量和壓力互不影響。使用了該控制方式可使系統流量和壓力與系統所需達到最佳匹配要求，提高液壓系統效率，減少系統發熱。

圖11 儲運裝置結構示意圖

4.7 電氣系統

側切式清篩機電氣系統主要負責整機各個子系統的控制以及信號的處理和顯示，按照系統實現的功能可分為以下子系統：

①電源供給系統；

②柴油機控制系統；

③照明系統；

④信號系統；

⑤輔助設備控制系統；

⑥通話系統；

⑦空氣干燥系統；

⑧走行控制系統；

⑨作業控制系統；

⑩顯示監視、警報系統。

電氣系統由3臺高性能工業觸摸屏、1個主站加1個智能從站（帶以太網口的高性能PLC及本地I/O組成）、1臺交換機組成。其中主站和智能從站共帶5個從站（由PN BK耦合器及遠程I/O組成）。系統用PLC編程控制。其網絡控制系統結構圖如圖12所示。

圖12 網絡控制系統結構示意圖

4.8 氣動及制動系統

側切式清篩機氣動系統主要對挖掘斗輪和旋轉拋帶鎖定與解鎖、風喇叭的控制；制動系統采用成熟的YZ-1D型電控制動機，而且在原有系統的基礎上增加了旁路制動系統，增加了行車安全性。

5 作業流程

以邯鄲肥鄉站道岔施工為例，對側切式清篩機的作業流程進行說明。

根據在邯鄲肥鄉站道岔線路情況，作業前制定出施工模式，作業中按施工模式進行施工，其施工作業流程如下：

（1）使用右側斗輪挖掘出刀板進入枕底的工作坑如圖13所示。

圖13工作坑挖掘示意圖

各工作裝置解鎖用時5 min，右側斗輪挖掘出刀板進入枕底的工作坑長5.3 m，用時5 min，共計用時10 min。

（2）放置刀板和起道裝置，切入枕底如圖14所示。

圖14 刀板切入枕底示意圖

將刀板放入工作坑，解鎖起道裝置，將起道裝置置于工作狀態，切入枕底總計用時10 min。

（3）挖掘完成整組道岔，如圖15所示。

圖15 枕底挖掘示意圖

總計挖掘用時30 min。

（4）收車。

右側刀板反向退出枕底，儲運斗石砟回填道床，用時5 min；收各工種裝置，用時5 min，總計10 min。

綜上，整組第32號道岔完成挖掘，總計用時60 min。

6 樣機優化設計

側切式清篩機樣機幾次作業試驗后，針對發現的問題，對工作裝置進行了如下優化設計：

（1）挖掘斗輪優化：在挖掘斗輪側擋板上加工缺口，使側面的道砟能進入挖掘斗，提高了斗輪上砟效率，如圖16所示。

圖16 挖掘斗輪優化示意圖

（2）挖掘斗輪限位板的優化：整改前斗輪限位板沒有滾輪，斗輪升降困難。在斗輪限位板上加裝了滾輪，使滑動摩擦變為滾動摩擦，改善了斗輪升降能力，如圖17所示。

圖17 挖掘斗輪限位板優化示意圖

（3）提軌裝置的優化：原第三軌輔助提軌裝置對稱布置在車體左右兩側，作業時只對第三軌進行提軌，不能有效改善道岔道床的下沉。優化整改后的提軌裝置安裝在車體中心線位置，作業時對整個道床進行提軌，減小道岔道床鋼軌的下沉量及側切刀板挖掘阻力，提高了側切刀板的挖掘效，改善了道床的回填效果，如圖18所示。

圖18 提軌裝置優化示意圖

7 結語

2017年1月至2017年12月，我公司根據側切式清篩機型式試驗大綱的要求，在廠區和昆明鐵路局管內線路進行了各項功能的試驗,其各項性能指標達到了設計要求。2017年12月，該車通過了中國鐵路總公司科技和信息化部會同工電部在北京組織召開的“CQS-300側切式清篩機”試用評審會。2020年10月發運給用戶進行運用考核。2020年11月在邯濟鐵路公司肥鄉站施工了三組道岔，在不拆穿任何鐵路線路設備的情況下，60分鐘清篩完一組9號道岔。2021年3月，在濟南鐵路局集團公司大機基地操作培訓并作業了4天，用戶對該機的施工模式和作業效果比較滿意，計劃在4月后繼續對道岔進行清篩作業。