WPZ-500型無砟智能鋪軌機組滾筒回收車設計

管新權，段啟楠

（中鐵四局集團有限公司第八工程分公司，安徽 合肥 230041）

鋪軌工程作為高速鐵路施工的重要環節，屬于勞動密集型施工。為降低工作強度、提高鋪軌效率，通過運用智能化技術，開展高速鐵路智能鋪軌各工序的機械化、信息化、自動化研究，研發新型智能鋪軌施工裝備及相關技術，應用于高速鐵路鋪軌施工，解決高速鐵路鋪軌用工難和技術落后的問題。智能鋪軌機組與傳統鋪軌機形式相同，均采用前牽引導向、后拖拉推送形式[1]進行無砟道床500 m長鋼軌敷設，主要由長鋼軌智能牽引車、長鋼軌智能滾筒回收車、長鋼軌智能推送車和智能分揀車組成。長鋼軌智能滾筒回收車主要用于滾筒回收和鋼軌落槽，其工作性能直接決定整個機組的鋪軌效率。鄧建華[2]對WZ500E無砟智能鋪軌機組長鋼軌牽引車結構設計和工作原理進行分析；武慧平[3]運用I-DEAS軟件對CPG500型鋪軌機組作業車車體結構靜強度、剛度進行有限元分析；陳孟強[4]基于“群枕式布枕，步進式鋪軌”作業模式，研制出群枕式長軌鋪軌機組；唐海斌[5]運用AMESim軟件對長鋼軌推送機構液壓系統進行建模及仿真分析，得到油缸和馬達的動態特性響應規律，為鋼軌推送優化提供指導；甘建偉[6]對鋪軌機組牽引裝置分散動力驅動和液壓系統同步分流進行研究，并利用模糊PID控制器進行行走速度穩定控制。可見，目前國內外對無砟軌道鋪設工藝和鋪軌設備有一定研究。本研究通過分析WPZ-500無砟智能鋪軌機組滾筒回收車結構組成和工作原理，探討不同工況下回收車的行駛速度和牽引力數學匹配關系，并校核了滾筒回收車車架的強度剛度，為智能鋪軌機組滾筒回收車進一步優化設計提供參考。

1 滾筒回收車結構組成和工作原理

長鋼軌智能滾筒回收車由車架總成、行走裝置、推/拉滾筒機械手組、拾取滾筒機械手組、中轉輸送帶、堆碼滾筒機械手組以及抓/抬鋼軌機械手、倒裝機構、司機室、動力系統、液壓控制系統和電氣控制系統等組成，如圖1所示。

圖1 長鋼軌智能滾筒回收車結構組成

1.1 走行裝置

如圖2所示，長鋼軌牽引車有三套走行裝置：輪胎走行裝置、履帶走行裝置和鋼軌走行裝置。

圖2 走行裝置

輪胎行走裝置有前后兩組驅動橋，獨立驅動，用于滾筒回收和鋼軌入槽作業時的行走，設備大部分作業時間使用輪胎行走；驅動橋由驅動橋支架、回轉支撐、減速器支架、液壓馬達和減速器等組成，其中減速器與車輪總成連接安裝。轉向裝置設置在車輛前方2組驅動橋上，由轉向油缸和拉桿組成。轉向油缸控制車輪轉向，拉桿控制兩組車輪轉向同步。

鐵路走行機構由伸縮架、升降油缸、車輪等組成。鐵路走行機構的升降由升降油缸垂直調節，以適應車輛過道岔或者短距離的鐵路行駛。鐵路走行機構不帶驅動，僅作為行走導向，由后驅動橋輪胎壓在鋼軌上提供摩擦驅動力，實現鐵路行走。

履帶走行裝置有2套履帶走行機構，每套履帶走行機構由1套履帶走行桁架和2條走行履帶組成，每套履帶走行機構由1套履帶走行桁架和2條走行履帶組成。履帶走行桁架包含桁架梁、轉向油缸、橫移油缸、回轉支撐等。桁架梁其采用Q345B鋼材組焊加工制造。每條走行履帶包含驅動馬達、減速機、履帶總成等。通過橫移油缸推動，使走行履帶滿足不同履帶間距調整的要求。每條走行履帶均有一套轉向油缸控制轉向，以及一個獨立的行走馬達減速機驅動，行走減速機裝有常閉式停車制動器。履帶走行主要用于有砟軌道鋪設作業時的行走。

1.2 機械手裝置

車身上布置有2套推/拉滾筒機械手、2套拾取滾筒機械手（圖3）、2套堆碼滾筒機械手，均由伺服電機驅動，具有x、y和z軸三個方向自由度。推/拉滾筒機械手控制機械手末端滾筒鉤抓伸到滾筒側板掛耳下，將地面滾筒從鋼軌下方取出并擺放到道床中間位置。拾取滾筒機械手控制末端抱爪伸到滾筒中心正上方，將滾筒從地面拾取搬運到中轉傳送帶上。中轉傳送帶將滾筒送至中轉臺，堆碼機械手控制末端抱爪伸到滾筒中心正上方，將滾筒按順序堆碼到滾筒存放籃中。

圖3 拾取滾筒機械手

1.3 鋼軌夾持裝置

兩套抓/鎖機械手分別固定在車架前、后端，如圖4所示。通過升降油缸控制抓/鎖機械手升降，調整鋼軌的提升高度；通過橫移油缸控制夾軌器組件在橫梁上移動，調整鋼軌左右位置，通過抓/鎖機械手、升降油缸和橫移油缸的聯合作業可以實現鋼軌的智能鎖緊、準確對位和自動入槽。

圖4 抓/鎖機械手

2 滾筒回收車行駛特性分析

路面干燥及一般潮濕狀態下，車輪實際粘著牽引力Fm計算公式為

式中：m0為牽引車單個輪胎承重，6.615 t；μ為橡膠輪胎在混凝土路面的黏性系數，0.6；將各參數代入，可以求得Fm=158.76 kN。

輪胎行走Fy運行阻力算式為：

式中：Fg為輪胎行走滾動阻力，取7.936 kN；Fp為爬坡時車身自重產生的阻力，取7.95 kN；Fw為風載荷作用車車身上產生的阻力，取4.79 kN；Ft為機械手抓抬鐵軌產生的阻力，取10kN；將各參數代入，可以求得爬坡時，Fy=30.676 kN，平地行走時，Fy=22.726 kN。滾筒回收車爬坡時所受阻力如圖5所示。

圖5 坡度30‰滾筒回收車受力分析示意圖

可見，重載工況下牽引車粘著牽引力Fm＞Fy，車輪是不會出現打滑。

當海拔高度小于3000 m時，對柴油機功率輸出影響較小，但海拔高于3000 m時，每升高300 m功率下降4%，經計算可知，當海拔高度達5000 m時，柴油機功率下降約30%。選擇輸出功率Pde0=168 kW的柴油機，在海拔5000 m工地使用時，其輸出功率Pde0=117.6 kW。

坡道運行速度計算公式為

式中：Ps為車輛上其它功耗（含散熱、電氣控制、照明）不會超過45 kW，取45 kW；η為發動機工作效率，取0.7；將各參數代入，可以求得海拔2000 m以下時，Vt0=2.8 km/h；海拔5000 m時，Vr=1.1 km/h，滿足作業行駛速度要求。

3 滾筒回收車車架有限元分析

為保證鋼軌入槽與滾筒回收工作的安全性和穩定性，需要對滾筒回收車進行有限元分析[7，8]，尤其是對膠輪行駛狀態車架的強度和剛度分析，車架的材料為Q345B。車架的網格劃分模型、車架的應力狀態分析和位移變形狀態分布，如圖6所示。從圖中可以看出，最大應力為149 MPa，位于中間縱梁位置，這是因為車架兩端抓/抬軌機械手受鋼軌作用力，且車架后方放置有滾筒存放籃，當滾筒都放滿時重達3 t，所以車架中部位置所受彎矩最大，但經計算可知應力安全系數可以達到2.32；車架最大位移變形位置分布在前后兩端，但最大位移變形僅有3 mm，對滾筒回收車抓放鋼軌和滾筒回收運動影響很小。因此，滾筒回收車車架的設計具有安全裕量，可進一步進行結構優化。

圖6 滾筒回收車架強度剛度分析

4 結論

滾筒回收車是WPZ-500型無砟智能鋪軌機組的主要組成部分。通過研究滾筒回收車的機構組成及工作原理，對重載爬坡工況下牽引速度以及膠輪行駛狀態下車架強度剛度進行計算分析，可以得出如下結論：

（1）滾筒回收車三套行走裝置可以滿足公路與鐵路路面的轉場及行駛作業要求；推/拉滾筒機械手、拾取滾筒機械手和堆碼滾筒機械手的聯合作業可以完成滾筒的拖放、拾取和堆碼；抓/鎖機械手可以實現長鋼軌的自動鎖緊、對位和下放入槽。

（2）滾筒回收車所用發動機可以滿足不同海拔高度的功率需求；路面一般潮濕條件下，其牽引力遠遠大于運行阻力，在海拔高度2000 m和5000 m時，其行駛速度分別為2.8 km/h和1.1 km/h。

（3）最大應力為149 MPa，處于車架中間位置，其應力安全系數可達2.4；最大位移變形位于車架兩端，最大值僅有3 mm，可見回收車還有結構優化的空間。

根據計算分析結果，滾筒回收車結構能夠滿足現場施工要求。如圖7所示，樣機試制完成后，已完成首對500 m長鋼軌自動鋪設。

圖7 滾筒回收車