高速鐵路無砟軌道承軌臺銑磨成套裝備研制

曹勇

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明 650215）

1 前言

目前，我國的高速鐵路網(wǎng)已經(jīng)初具規(guī)模，由于無砟軌道采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建立于堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，具有較高的穩(wěn)定性、耐久性及少維修性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高速鐵路建設(shè)中，無砟軌道修建技術(shù)已為我國高速鐵路飛速發(fā)展提供了強(qiáng)有力的保障。然而，我國幅員遼闊，地理地質(zhì)條件千差萬別，無砟軌道一直暴露于復(fù)雜的自然環(huán)境中，加之受列車荷載、地下水、軟弱巖層等多種因素的不良影響，線路基礎(chǔ)發(fā)生較大變形產(chǎn)生各種病害是難以避免的，對于上拱橫移等病害形成原因，引用論文分析了病害的成因，并給出了通過提前研判上拱地點(diǎn)，進(jìn)行預(yù)防性整治的建議。

無砟軌道上拱橫移等病害已經(jīng)成為我國高速鐵路建設(shè)以及后期運(yùn)營維護(hù)的重、難點(diǎn)問題，盡管無砟軌道線路的幾何狀態(tài)可以依靠扣件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，但受扣件系統(tǒng)與軌枕現(xiàn)狀限制，垂向調(diào)高能力為-4 ～+26mm，橫向調(diào)整能力為±5mm，特殊情況下，也可以往高程方向調(diào)整，基本不能實(shí)現(xiàn)豎向降低調(diào)整。針對國內(nèi)出現(xiàn)的無砟軌道上拱病害暫無行之有效的技術(shù)措施及成套的機(jī)械化養(yǎng)護(hù)裝備，因此，開發(fā)研制無砟軌道承軌臺銑磨成套裝備進(jìn)行上拱橫移病害整治具有重大意義。

2 現(xiàn)有無砟軌道結(jié)構(gòu)型式及承軌臺形式

我國高速鐵路結(jié)構(gòu)型式主要有CRTS Ⅰ型、CRTS Ⅱ型、CRTS Ⅲ型板式無砟軌道和SK-Ⅱ型雙塊式無砟軌道，其參數(shù)和尺寸見表1。

表1 4 類無砟軌道板參數(shù)

通過表1 可知，無砟軌道結(jié)構(gòu)中有擋肩承軌臺形式占較大部分，通過對承軌臺尺寸的對比，SK-Ⅱ型雙塊式承軌臺與CRTS Ⅲ型板承軌臺內(nèi)外輪廓尺寸一致，CRTS Ⅱ型板承軌臺內(nèi)輪廓尺寸與SK-Ⅱ型、CRTS Ⅲ型板承軌臺一致，但外輪廓尺寸差異較大。承軌臺銑磨成套裝備研制時，考慮銑磨輪與承軌臺內(nèi)輪廓尺寸完全一致，走行導(dǎo)向機(jī)構(gòu)應(yīng)能適應(yīng)三種不同結(jié)構(gòu)的承軌臺形式，以確保承軌臺銑磨成套裝備可以適應(yīng)多種無砟軌道結(jié)構(gòu)形式。

3 裝備研制目標(biāo)

（1）滿足GB146.1-2020 標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界的要求；（2）滿足《鐵總運(yùn)[2015]296 號<鐵路貨物裝載加固規(guī)則>》的要求；（3）采用NX70 平車為承載和運(yùn)輸主體；（4）自重≤92t，載重≤70t，軸重≤23t，水箱容積≤20m3；（5）整機(jī)配備起重設(shè)備，一臺銑削裝置，一臺磨削裝置，自備水源和電源；（6）整機(jī)可實(shí)現(xiàn)鄰線承軌臺打磨作業(yè)，自備起重設(shè)備進(jìn)行工作裝置收放，施工作業(yè)過程安全、可靠。

4 主要用途及特點(diǎn)

該裝備是集機(jī)、電、液、激光測量技術(shù)、程序控制技術(shù)等一體的鐵路大型養(yǎng)護(hù)裝備，通過對無砟軌道承軌臺進(jìn)行銑磨削來降低軌道高程，改善軌道幾何參數(shù)，可適用于CRTS Ⅱ、CRTS Ⅲ型板式、SK-Ⅱ型雙塊式無砟軌道（涵蓋我國80%以上無砟軌道結(jié)構(gòu)型式）上拱病害處理，還可處理無砟軌道橫移病害。

5 主要性能參數(shù)及基本尺寸

5.1 主要性能參數(shù)

整機(jī)總重 ≤92t（含NX70 平車和水）

主支撐框架 ≤13t

加水重量 20t

發(fā)電機(jī)組功率 ≥200kW

處理上拱量 0 ～60mm

作業(yè)方向 雙向

起重機(jī)控制 手動+無線遙控

工作裝置控制 手動+無線遙控

工作裝置走行速度 0 ～50m/min

對刀方式 人工

處理方法 銑削和磨削

作業(yè)范圍 鄰線承軌臺

線路軌距 1435mm

適用軌道 SK-Ⅱ雙塊式、CRTS Ⅱ板式和CRTS Ⅲ板式

作業(yè)線路 道床板寬度為2500mm、2550mm 或2800mm 的無砟軌道

線路最大超高 80mm

線路最大坡度 20‰

限界 符合GB146.1 中國鐵路機(jī)車車輛限界

5.2 基本尺寸

整機(jī)長×寬×高 16366mm×3330mm×4700mm

承載框架長×寬×高 15400mm×3150mm×3550mm

起重機(jī)長×寬×高 5500mm×2910mm×3350mm

起重機(jī)最大工作半徑 8000mm

銑磨削裝置長×寬×高 3800mm×3300mm×2300mm

裝置軌向行程 2000mm

裝置垂向行程 200mm

管線收放距離 ≥100m

6 主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

6.1 承載及裝卸系統(tǒng)

承載及裝卸系統(tǒng)依托于NX70 鐵路平車運(yùn)輸，裝載加固于NX70 鐵路平車上，主要功能是用來運(yùn)輸、承載及裝卸承軌臺打磨裝備的其他各裝置，主要由NX70平車、承載及裝卸底框組成和起重機(jī)等組成。NX70 平車是我國標(biāo)準(zhǔn)鐵路上運(yùn)行的通用平車，車輛保有量很大，承載及裝卸底框是用來支撐和固定該裝備各系統(tǒng)裝置，從而來保證運(yùn)行過程中的設(shè)備安全，同時還可實(shí)現(xiàn)公路和鐵路運(yùn)輸整體快速吊裝轉(zhuǎn)換的功能。

承載及裝卸底框主要由中梁、側(cè)梁、橫梁、縱向梁等組焊而成。承載及裝卸底框上設(shè)置有發(fā)電機(jī)組安裝座、打磨裝置限位座、水箱安裝座、起重螺栓安裝座、管線收放裝置安裝座、框架與NX70 平車緊固連接裝置。在承載及裝卸底框上設(shè)置有4 個起吊位及架車位，可滿足起吊及架修等需求。

起重機(jī)是用來實(shí)現(xiàn)對打磨裝置進(jìn)行吊放作業(yè)的功能，其固定安裝于承載及裝卸底框上。起重機(jī)為帶載伸縮式直臂起重機(jī)，電機(jī)驅(qū)動液壓馬達(dá)工作，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)支撐、伸縮、回轉(zhuǎn)、卷揚(yáng)等動作，每個動作可以單獨(dú)運(yùn)動，也可以進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動。

6.2 銑磨削裝置

承軌臺銑磨成套裝備的工作裝置為銑磨削裝置，該裝置是集成機(jī)、電、液、激光測量技術(shù)、程序控制技術(shù)為一體的可自走行移動裝置，可以先對承軌臺進(jìn)行銑削，再對承軌臺進(jìn)行磨削（或者只對承軌臺進(jìn)行磨削），并可通過更換仿形刀具適用不同承軌臺輪廓形狀。銑磨削裝置主要由主支撐框架、對正機(jī)構(gòu)、軌向移動機(jī)構(gòu)、橫向移動機(jī)構(gòu)、垂向移動機(jī)構(gòu)、打磨輪機(jī)構(gòu)和自走行機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向及液壓抱緊機(jī)構(gòu)組成。銑磨削裝置在進(jìn)行作業(yè)時，使用起重機(jī)將其吊放至無砟軌道承軌臺上方，安裝完成導(dǎo)向及液壓抱緊機(jī)構(gòu)、通過自走行機(jī)構(gòu)移動到病害處理工位、調(diào)整機(jī)構(gòu)，將整體仿形打磨輪定位至承軌臺初始位，人工完成對刀，然后再根據(jù)打磨需求設(shè)定參數(shù)值，自動實(shí)現(xiàn)上拱病害承軌臺銑磨削作業(yè)。

6.3 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)主要是由發(fā)電機(jī)組為整套裝備的起重機(jī)、銑磨削裝置、水泵、管線收放裝置、照明工作燈等提供電源。

6.4 供水系統(tǒng)

供水系統(tǒng)是為了滿足打磨裝置冷卻及低壓沖洗功能要求而設(shè)計(jì)的，主要由水箱、電驅(qū)水泵組件、調(diào)壓閥、截止閥、過濾器等組成。

6.5 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)主要是從整車后方動力發(fā)電機(jī)取電（AC380V），經(jīng)過接觸器箱給打磨裝置供電；同時經(jīng)電氣控制箱，對水泵系統(tǒng)，照明及警示系統(tǒng)，管線收放裝置系統(tǒng)進(jìn)行控制。

7 試驗(yàn)情況

樣機(jī)試制完成后，組織開展了稱重試驗(yàn)、限界通過試驗(yàn)、淋雨試驗(yàn)、承載框架剛度試驗(yàn)、工頻耐壓試驗(yàn)、銑磨削裝置性能試驗(yàn)、起重機(jī)性能試驗(yàn)、管線收放裝置性能試驗(yàn)、整機(jī)傾覆試驗(yàn)、整機(jī)應(yīng)急試驗(yàn)等各項(xiàng)型式試驗(yàn)。

7.1 稱重試驗(yàn)

為了驗(yàn)證整機(jī)重量和軸重符合運(yùn)行、裝載要求，2021 年5 月，對承軌臺銑磨裝備樣車進(jìn)行了稱重檢查試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，整機(jī)設(shè)計(jì)符合《鐵總運(yùn)[2015]296號<鐵路貨物裝載加固規(guī)則>》的要求。

7.2 限界通過試驗(yàn)

為了驗(yàn)證整機(jī)運(yùn)行性能符合限界要求，2021 年4 月對無砟軌道承軌臺銑磨裝備進(jìn)行限界檢查，試驗(yàn)結(jié)果表明整機(jī)設(shè)計(jì)符合GB146.1-2020 標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界的要求。

7.3 淋雨試驗(yàn)

為了驗(yàn)證整機(jī)防雨性能符合要求，2021 年4 月對無砟軌道承軌臺銑磨裝備發(fā)電機(jī)組、起重機(jī)、打磨裝置的電氣設(shè)備等外殼所有開孔做漏水檢查。按照TB/T 2054-1989 鐵路機(jī)車漏雨試驗(yàn)方法對裝備噴淋15min，檢查各裝置電氣設(shè)備外殼的防水情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，整機(jī)設(shè)計(jì)符合TB/T 2054-1989 的要求，具有良好防水性能。

7.4 承載框架撓度試驗(yàn)

為了驗(yàn)證整機(jī)上裝部分整體起吊能滿足要求，2021年4 月，對無砟軌道承軌臺銑磨裝備的承載框架進(jìn)行起吊性能檢查，以確定用吊車或架車機(jī)在提升裝備時承載及裝卸框架的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明，起吊恢復(fù)后承軌臺打磨裝備的承載框架不會發(fā)生永久變形，符合設(shè)計(jì)要求。

7.5 工頻耐壓試驗(yàn)

為了驗(yàn)證整機(jī)絕緣電阻及工頻耐壓能滿足要求，2021 年6 月云南省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院對無砟軌道承軌臺銑磨裝備電氣系統(tǒng)進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)和檢測，該裝備所檢項(xiàng)目絕緣電阻試驗(yàn)和工頻耐壓試驗(yàn)符合GB/T25119-2010、GB/T21413.1-2018、GB/T25336-2018、GB7251.1-2013 等標(biāo)準(zhǔn)的要求。

7.6 銑磨削裝置性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證銑磨裝置的各項(xiàng)工作性能，2020 年10 月～2021 年3 日，在無砟軌道試驗(yàn)線上進(jìn)行了銑磨削裝置性能試驗(yàn)，優(yōu)選出不同磨削深度所對應(yīng)的軌向進(jìn)給速度，推算出不同工況下的作業(yè)效率。試驗(yàn)結(jié)果表明，銑磨裝置的作業(yè)性能、作業(yè)精度、作業(yè)效率滿足設(shè)計(jì)要求。

7.7 起重機(jī)性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證起重機(jī)各項(xiàng)工作性能，2020 年12 月～2021 年1 月，使用起重機(jī)對銑磨裝置進(jìn)行吊放、回收試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，起重機(jī)可以在10min 內(nèi)完成銑磨磨裝置吊放、回收整套作業(yè)，滿足設(shè)計(jì)要求。

7.8 管線收放裝置性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證無管線收放裝置各項(xiàng)工作性能，2020 年10 月～2021 年3 日，進(jìn)行了管線收放裝置回收、放線、通水、通電、運(yùn)行速度等功能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，管線收放裝置的各項(xiàng)功能均正常，滿足設(shè)計(jì)要求。

7.9 整機(jī)傾覆試驗(yàn)

為了驗(yàn)證整機(jī)在極限工況下（超高80mm）的穩(wěn)定性。2022 年10 月,在廠內(nèi)超高80mm 線路（傾覆工裝模擬）進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，起重機(jī)在伸縮臂轉(zhuǎn)90°，伸出長度為2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m 時直至起重機(jī)最高位置并回轉(zhuǎn)時，吊起配重塊緩慢上升至最高位時車輛外側(cè)均未離軌、捆綁的鏈條無繃緊現(xiàn)象，不會傾覆，符合設(shè)計(jì)要求。

7.10 整機(jī)應(yīng)急試驗(yàn)

為了驗(yàn)證起重機(jī)失去電源后采用柴油應(yīng)急泵提供動力的應(yīng)急作業(yè)，2022 年10 月，開展了采用柴油應(yīng)急泵回收一臺銑磨裝置的試驗(yàn)，并現(xiàn)場使用秒表計(jì)時。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用柴油應(yīng)急泵提供動力時，起重機(jī)收回一臺銑磨裝置耗時＜15min，符合設(shè)計(jì)要求。

8 結(jié)語

高速鐵路無砟軌道承軌臺銑磨成套裝備的成功研制，為無砟軌道上拱和橫移病害的處理提供了新的養(yǎng)護(hù)維修設(shè)備，可以有效改善無砟軌道線路運(yùn)營質(zhì)量。該裝備為高速鐵路無砟軌道機(jī)械化養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域的新產(chǎn)品，推動我國高速鐵路無砟軌道線路由人工向機(jī)械化養(yǎng)護(hù)轉(zhuǎn)化具有積極意義。