鐵路軌枕螺栓智能噴油防腐小車的研究與應用＊

任志強，黃聰龍

（1.中國鐵路廣州局集團有限公司工務部，廣東 廣州 510080；2.廣東鐵路有限公司肇慶工務段，廣東 肇慶 526000）

鐵路軌枕螺栓是鐵路軌道扣件的重要組成部分之一，由于長期暴露在大氣中，經受風吹雨淋、霜凍雪埋等循環性氣候變化，容易氧化銹蝕。螺栓銹蝕輕則使螺栓銹死，影響軌距調整和軌道水平找正等養路作業；重則使螺栓根部腐蝕折斷，影響行車安全。因此，為了保證運輸安全，應根據軌枕螺栓銹蝕的變化規律，有計劃地對軌枕螺栓進行防銹蝕處理[1]。隨著高速鐵路的發展，對線路的要求也不斷提高，因此在現代鐵路的建設和維修中，需大量地使用自動化程度很高的機械設備，如鋪軌機、搗固機、清篩機、鋼軌打磨機、道床整形機等。但是在一些非主要維修作業中，還沒有可使用的養護機工具，如針對目前的軌枕螺栓防腐的2 種作業方式：①人工卸掉螺母，上油后再緊固處理達到防腐效果；②作業人員手提油桶，在各個螺栓上涂油防腐。這2 種人工作業方式工作效率低、勞動強度大，且浪費了大量的工時費用。為解決這一難題，急需研究一種小巧的自動化機電設備應用在軌枕螺栓的防腐作業中。本項目旨在研究一種總重輕、上下軌道便捷、能自動行駛的智能小車，小車具備載運噴涂油料和備用油料，智能感應螺栓位置并對其位置精準噴涂防腐油脂的長時間持續作業功能。

1 系統組成

系統主要由3 部分組成，即牽引車、噴涂車和智能噴涂裝置。

1.1 牽引車

車架采用20 mm×40 mm×1.2 mm 和20 mm×20 mm×1.2 mm這2種規格尺寸的輕質材料焊接而成，可最大程度減輕小車質量，同時采用精巧結構設計使小車具備良好的鋼度和強度。

軌道輪踏面直徑為200 mm，材質選用高分子聚乙烯，輪緣部位安裝有鐵質輪緣，可減輕輪緣內側與鋼軌的摩擦，提高軌道輪的使用壽命。

電動后橋為小車的走行部分，包括電動機、減速器和剎車系統。可以根據作業工況，實現無極調速，隨停隨走。

牽引車自身質量65 kg，可載運12 桶油料，每桶油料質量為20 kg，用于補充作業用油。軌道螺栓長效防腐油料是鐵路軌枕螺栓的專用防腐產品，具有良好的防腐性、防銹抗水沖淋性、熱附著性、低揮發性、抗鹽霧性及耐寒密封性，并兼有良好的潤滑性和特定的抗微動磨損性和耐酸、堿性。牽引車如圖1 所示。

圖1 牽引車

1.2 噴涂車

噴涂車車架材料與牽引車相同，自身質量65 kg，可載運8 桶油料，每桶油料質量為20 kg，作為噴涂中所需要用的油料。噴涂車如圖2 所示。

圖2 噴涂車

1.3 智能噴涂裝置

本智能噴涂裝置采用微電腦芯片控制技術，整個噴涂裝置分為儲料單元、輸油單元、控制單元和供電電源4 大部分。儲料單元的功能是存儲涂覆作業所需的軌道螺栓長效防腐脂，輸油單元的功能是通過直流電機驅動液壓齒輪泵進行輸油作業，控制單元的功能是對整個涂覆裝置的作業過程進行控制，供電電源的功能是對涂覆裝置進行供電。涂覆裝置一般在戶外使用，而且使用過程中均處于移動狀態，在滿足供電容量需求的情況下要保證供電裝置的便攜性和輕便性，因此采用鋰電池作為涂覆裝置的供電電源。本噴涂裝置選用的傳感器主要有檢測軌枕螺栓的金屬感應傳感器、檢測松開螺母距離的光電編碼器和檢測噴油壓力的膜片式壓力傳感器[2]。智能噴涂裝置現場作業如圖3 所示。

圖3 智能噴涂裝置現場作業圖

2 系統原理與功能

2.1 系統設計原理

本智能噴涂系統采用芯片控制技術，由電子眼、信號捕捉器、微電腦、傳感器和液壓輸油系統組成。電子眼對石砟、水泥枕、鋼軌、扣件和螺栓進行取像，由信號捕捉器快速識別螺栓，并傳導給芯片處理，芯片處理結果通過傳感器傳導給液壓輸油系統，液壓輸油系統在指定時間內精確對準螺栓噴涂油脂。當噴涂油量達到所限定的數量后，限量器立刻關閉，停止供油。在下一個信號指令被捕捉到時又重復前面的動作，周而復始循環作業，達到持續長時間大距離噴油防腐作業的效果。

該系統芯片控制技術模型，從一個理想的控制系統入手，在控制過程中盡量使被控量等于給定值。但是，由于系統各種元件及資源的限制，使得運動部件的加速度受到限制，其速度和位置難以瞬時掌握。瞬態過程往往反映了系統內在性能的好壞，在對該控制系統進行設計時主要考慮系統的3 個基本性能，即穩定性、快速性和準確性，具體如下：①穩定性是系統受到外作用后，其瞬態過程的振蕩傾向和系統恢復平衡的能力。如果系統受到外作用力后，經過一段時間，其被控量可以達到某一穩定狀態，則稱系統是穩定的；若不穩定，在給定信號作用下，出現被控量振蕩發散的情況，或在系統受擾動作用后，出現被控量不能恢復平衡的情況。②快速性是通過瞬態過程時間長短來表征的，過渡過程時間越短，表明快速性越好，反之亦然。快速性表明了系統輸出對輸入響應的快慢程度，系統響應越快，說明系統的輸出復現輸入信號的能力越強。③準確性是由輸入給定值與輸出響應的終值之間的差值來表征的，它反映了系統的穩態精度。若系統的最終誤差為零，則稱為無差系統，否則稱為有差系統[3]。

該系統在設計與調試過程中，若過分強調系統的穩定性，則可能會造成系統響應遲緩和控制精度較低的后果；反之，若過分強調系統響應的快速性，則又會使系統的振蕩加劇，甚至引起不穩定。根據工作任務的不同，分析和設計自動控制系統，使其對3 方面的性能有所側重，并兼顧其他，以全面滿足要求。整套系統的主要技術參數如表1 所示。

表1 系統主要技術參數

2.2 系統實現功能

智能小車動力系統無鑰匙啟動，在同一條軌道上可同時向左、右2 個方向運行，作業速度為3 km/h（無級調速）。在軌道上能實現無人駕駛，自動運行、自動對焦噴涂、油脂噴涂均勻。區別于以往單根鋼軌單側螺栓涂油試用設備，本小車可對左右兩側鋼軌內外側螺栓同時完成涂油，免除來回重復運行，效率是前者的4 倍。

小車分前、后車2 節組合式，前節擔任牽引動力兼顧拖載油料；后節有自主動力，具備噴涂功能，同時拖載自用油料。前、后節車分體現場組合式設計，方便設備上、下道，降低作業風險，保障作業人員安全。

智能小車可承載3 h 作業用油，中途無需在線路外補充油料，達到便捷、連續作業的機械化施工效果。一體化的油脂在螺栓帽上靜置1 周時間，油脂會自動順螺紋滲透到螺栓根部，實現螺帽和螺母扣件的防腐功能。

該設備牽引車還可騰空備用油位置，用來載運人員、小型施工工具和重型搗固機、發電機等，免去工人搬運；同時節省時間，提高天窗點作業效率。

該設備牽引車還可運載物料，如袋裝石砟、短鋼軌、除草農藥等，運載水泥枕和板可達1 t。

3 結束語

軌枕螺栓智能噴油防腐小車采用電能作為行走動力，清潔無污染。該車具有結構緊湊、性能穩定、安全省力、自主走行、自動精準噴涂防腐油脂等特點，用自動機械代替了人工，大大提高了作業效率，同時也提高了施工安全系數。該小車已在中國鐵路廣州局集團有限公司肇慶工務段的陽西和湛江西高鐵線路車間應用，作業效果良好，滿足了螺栓防腐工作性能指標，獲得工務段管理人員和車間技術人員的一致好評。軌枕螺栓智能噴油防腐小車每小時作業里程3 km，一次充電后，工作電池加上備用電池可連續作業8 h，共計作業約20 km。人工點油防腐作業每小時才幾十米，智能小車作業效率是人工作業的50 倍左右。1 臺智能小車可替代線路工人約45 名，按照目前的用工成本，每名線路工人每月月薪約7 000 元，45人每月共計花費315 000 元。而智能小車每月耗材及維護保養費用約800 元，每臺智能小車僅需配備2 名線路工人操作，合計每月花費14 800 元。這樣每臺智能小車每月可節省人力成本約30 萬元，每年可節省約360 萬元，經濟效益十分可觀。