蔡永波

(中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司,650215,昆明∥工程師)

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鋼軌銑磨車(chē)鐵屑收集存儲(chǔ)及排放裝置設(shè)計(jì)

蔡永波

(中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司,650215,昆明∥工程師)

從鋼軌銑磨車(chē)對(duì)鋼軌進(jìn)行作業(yè)的實(shí)際需求入手,闡述了設(shè)計(jì)一套鐵屑收集、存儲(chǔ)及排放裝置的必要性。通過(guò)對(duì)裝置功能要求的分析,提出了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方式。對(duì)所設(shè)計(jì)裝置的工作原理、工作過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并計(jì)算了鐵屑倉(cāng)的設(shè)計(jì)存儲(chǔ)量。所設(shè)計(jì)的裝置經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)用,效果良好。

鋼軌銑磨車(chē); 線(xiàn)路養(yǎng)護(hù); 鐵屑處理

Author′s address CRCC High-tech Equipment Corporation Limited,650215,Kunming,China

鋼軌銑磨車(chē)作為對(duì)鐵路線(xiàn)路鋼軌在線(xiàn)病害處理的大型設(shè)備,近些年來(lái)引起了國(guó)內(nèi)外高速鐵路及城市軌道交通等線(xiàn)路維護(hù)部門(mén)的高度重視。由于鋼軌銑磨車(chē)采用的是在線(xiàn)對(duì)鋼軌進(jìn)行銑磨削加工的方式,故銑磨削作業(yè)產(chǎn)生的鐵屑需要進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的收集并存儲(chǔ),以防止加工作業(yè)產(chǎn)生的鐵屑四處散落,造成安全隱患，污染周邊環(huán)境,同時(shí)還需要對(duì)收集存儲(chǔ)的鐵屑擇機(jī)排出機(jī)體之外。為此，設(shè)計(jì)一種能夠適用于鋼軌銑磨車(chē)鐵屑在線(xiàn)收集、存儲(chǔ)并排放的高效裝置十分必要。

1 鐵屑收集、存儲(chǔ)及排放裝置的功能要求及實(shí)現(xiàn)方式

1.1 功能要求

國(guó)內(nèi)某生產(chǎn)制造企業(yè)自主研發(fā)的鋼軌銑磨車(chē)采用圓周銑削的加工原理,對(duì)鋼軌病害進(jìn)行在線(xiàn)銑削加工[1]。目前此機(jī)械已投入國(guó)內(nèi)某路局的線(xiàn)路維修作業(yè)中。在鋼軌銑磨車(chē)的作業(yè)過(guò)程中,其銑削模塊(見(jiàn)圖1)對(duì)鋼軌進(jìn)行高效的銑削作業(yè),產(chǎn)生大量鐵屑。在銑削模塊刀盤(pán)的慣性作用下,銑削下來(lái)的鐵屑被集中拋至銑削作業(yè)點(diǎn)后方300～700 mm范圍內(nèi)。此時(shí)的鐵屑具有溫度高、尺寸偏大、鐵屑數(shù)量多、邊緣鋒利的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)要求所設(shè)計(jì)的鐵屑收集及排放裝置應(yīng)具有較強(qiáng)的收集能力及較高的吸收效率,能夠耐受高溫,抵抗鐵屑磨耗,同時(shí)還具有較大的存儲(chǔ)容量。

圖1 某鋼軌銑磨車(chē)銑削模塊

1.2 實(shí)現(xiàn)方式

目前在機(jī)械加工行業(yè)通常采用電磁收集方式實(shí)現(xiàn)鐵屑收集,而現(xiàn)有鐵路道床吸污車(chē)則采用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓的方式實(shí)現(xiàn)鐵屑吸收。由于鋼軌銑磨車(chē)的鐵屑為在線(xiàn)移動(dòng)式產(chǎn)生,鐵屑的產(chǎn)生量大,電磁收集的方式一方面難以將產(chǎn)生的大量鐵屑及時(shí)收集并輸送掉,另一方面,該方式可能存在對(duì)鋼軌產(chǎn)生磁化的隱患。而鐵路道床吸污車(chē)采用的風(fēng)機(jī)方式也存在風(fēng)機(jī)選型較大、功耗較大的不足。綜合考慮后,本設(shè)計(jì)引入文丘里效應(yīng)的原理,將氣力輸送的負(fù)壓收集和正壓輸送有機(jī)結(jié)合,對(duì)產(chǎn)生的鐵屑進(jìn)行收集和輸送。由于整個(gè)收集裝置采用的構(gòu)件皆為鋼質(zhì),能夠滿(mǎn)足耐高溫、耐磨耗的功能需求。同時(shí)，由于采用了文丘里效應(yīng)的原理,整個(gè)氣力系統(tǒng)在較小壓力空氣源的作用下可實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能:①在真空發(fā)生器之前的管路具有較高的真空度(負(fù)壓),能夠?qū)﹁F屑有效吸附收集;②在真空發(fā)生器之后的管路為正壓輸送環(huán)境,被收集的鐵屑在大流量的正壓氣體作用下，被順利輸送至存儲(chǔ)排放裝置。

對(duì)于存儲(chǔ)及排放裝置,在鐵路機(jī)械中大多采用履帶式或者料斗式的輸送裝置。這兩種裝置主要用于鐵路路基道砟的存儲(chǔ)及運(yùn)輸,而對(duì)于鋼軌銑磨車(chē)銑削作業(yè)產(chǎn)生的炙熱鐵屑,則不適用。本文所涉及的鐵屑存儲(chǔ)及排放裝置采用鐵屑存儲(chǔ)與鐵屑排放分開(kāi)處理的方式,在有效解決鐵屑作業(yè)過(guò)程中的存儲(chǔ)問(wèn)題外,有效克服了鋼軌銑削產(chǎn)生的炙熱鐵屑對(duì)排放裝置輸送帶的灼傷。

2 鐵屑收集、存儲(chǔ)及排放裝置工作原理和工作過(guò)程

2.1 鐵屑收集、存儲(chǔ)裝置工作原理及過(guò)程

鐵屑收集、存儲(chǔ)裝置構(gòu)成及工作原理示意圖見(jiàn)圖2。

1——銑削模塊示意;2——鋼軌示意;3——鐵屑收集口;4——真空發(fā)生器;5——正壓輸送管道;6——空氣壓縮機(jī);7——鐵屑存儲(chǔ)裝置(倉(cāng)底);8——鐵屑側(cè)向排放裝置;9——鐵屑存儲(chǔ)裝置排氣口;10——車(chē)架示意

空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生高壓氣體進(jìn)入真空發(fā)生器4,在真空發(fā)生器4的作用下,發(fā)生文丘里效應(yīng),在鐵屑收集口3處形成真空區(qū),在正壓輸送管道形成正壓空氣流,此空氣流流量被放大[2]。此時(shí)，銑削模塊1及加工鋼軌2產(chǎn)生的大量炙熱鐵屑由于銑盤(pán)的銑削慣性堆積在鐵屑收集口3入口處。由于此時(shí)收集口3處為真空區(qū)(負(fù)壓區(qū)),外部常壓空氣急速向此處流動(dòng),流動(dòng)的大氣迫使產(chǎn)生的鐵屑迅速涌入收集口3中,并經(jīng)過(guò)真空發(fā)生器4的中腔被輸送到正壓輸送管道5。在管道5中,由于為正壓大氣流環(huán)境,大量高壓空氣混雜著收集的鐵屑在管道5中順暢流動(dòng),并最終被輸送至鐵屑存儲(chǔ)裝置7中。在存儲(chǔ)裝置7中,其上部為排氣口,高壓空氣流在此處經(jīng)安裝的鐵柵網(wǎng)一級(jí)過(guò)濾、濾網(wǎng)二級(jí)過(guò)濾后排入大氣中,鐵屑在鐵柵網(wǎng)、濾網(wǎng)的阻擋作用以及自身的重力作用下落入倉(cāng)底,從而實(shí)現(xiàn)鐵屑的收集及存儲(chǔ)功能。氣流流向示意如圖2中虛線(xiàn)路徑所示,鐵屑流向示意如圖2中細(xì)實(shí)線(xiàn)路徑所示。

2.2 鐵屑排放裝置工作原理及過(guò)程

鐵屑排放裝置工作原理示意圖如圖3所示。當(dāng)鋼軌銑磨車(chē)作業(yè)1～2個(gè)天窗時(shí)間后,鐵屑存儲(chǔ)裝置中將積存5 m3左右的鐵屑量,此量的大小與作業(yè)速度、作業(yè)切削深度及作業(yè)時(shí)長(zhǎng)有關(guān)。本文所設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)裝置容量為10 m3,并允許滿(mǎn)載。線(xiàn)路維修人員可根據(jù)具體作業(yè)時(shí)間安排對(duì)存儲(chǔ)裝置中的鐵屑進(jìn)行定點(diǎn)排放。假定選擇在車(chē)體右側(cè)某地點(diǎn)或移動(dòng)存儲(chǔ)裝置中排放鐵屑,則流程及原理如下:①開(kāi)啟側(cè)向排放帶排放裝置7,選擇右側(cè)控制,使右側(cè)排放帶1緩緩落下至水平位置;②開(kāi)啟右側(cè)排放帶驅(qū)動(dòng)電機(jī),打開(kāi)輸送功能,此時(shí),右側(cè)排放帶成順時(shí)針旋轉(zhuǎn);③開(kāi)啟橫向排放帶2,選擇右旋控制;④開(kāi)啟螺旋輸送器驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速箱4,此時(shí)螺旋輸送器組件5在減速箱4的驅(qū)動(dòng)下順時(shí)針旋轉(zhuǎn),將其中的鐵屑依次在螺旋輸送器的葉片擠壓、橫向排放帶及側(cè)向排放帶的帶式輸送作用下,成功由車(chē)體內(nèi)部轉(zhuǎn)移至車(chē)體外部。實(shí)際裝機(jī)后的應(yīng)用效果見(jiàn)圖4。

1——右側(cè)排放帶;2——橫向排放帶;3——裝置安裝骨架;4——螺旋輸送器驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速箱;5——螺旋輸送器組件;6——裝置四側(cè)骨架及耐磨層;7——側(cè)向排放帶收放裝置;8——左側(cè)排放帶

圖4 某鋼軌銑磨車(chē)對(duì)收集存儲(chǔ)的鐵屑進(jìn)行定點(diǎn)排放

3 鐵屑倉(cāng)容量確定

本文所涉及的鐵屑倉(cāng)容量是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),將直接影響到作業(yè)機(jī)械的單次作業(yè)時(shí)間,也即線(xiàn)路維修天窗時(shí)長(zhǎng)。鐵屑倉(cāng)的容量與鋼軌類(lèi)型、銑削機(jī)械的作業(yè)速度、銑削機(jī)械的鋼軌加工能力直接相關(guān)?，F(xiàn)以某鋼軌銑磨車(chē)的實(shí)際性能為基礎(chǔ)進(jìn)行鐵屑倉(cāng)容量計(jì)算。

某鋼軌銑磨車(chē)的作業(yè)基本參數(shù)見(jiàn)表1。為計(jì)算鐵屑倉(cāng)的設(shè)計(jì)最大需求容量,在計(jì)算時(shí)皆采用該銑削機(jī)械的最大作業(yè)能力參數(shù),即作業(yè)時(shí)長(zhǎng)為5 h,作業(yè)速度為1.8 km/h,銑削深度為1.5 mm,軌頭銑削范圍按標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m、軌寬73 mm核算,銑削對(duì)象為標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m鋼軌。

表1 某鋼軌銑磨車(chē)作業(yè)基本參數(shù)

由于某銑削車(chē)采用的作業(yè)方式為圓周銑削,故所產(chǎn)生的鐵屑在銑削過(guò)后均為彎曲狀態(tài),其體積將增大為初始狀態(tài)的5倍左右(見(jiàn)圖4)。為使計(jì)算簡(jiǎn)化,本文采用在標(biāo)準(zhǔn)平面鐵屑的基礎(chǔ)上疊加體積膨脹率的方式計(jì)算。左側(cè)銑削模塊鐵屑體積計(jì)算方式

如下:

Vr=Φ·D·v·T·W/1 000

式中:

Vr——左側(cè)銑削模塊單次銑削作業(yè)產(chǎn)生的鐵屑體積;

Φ——鐵屑體積膨脹率;

D——最大軌面切削深度,m;

v——最大作業(yè)速度,km/h;

T——單次最長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間,h;

W——最大軌面切削寬度,m。

代入上述各參數(shù)數(shù)值,經(jīng)計(jì)算后可得:Vr=4.927 5 m3。

由于單次作業(yè),左右側(cè)銑削模塊同時(shí)作業(yè),故單次作業(yè)產(chǎn)生的鐵屑體積應(yīng)為兩者之和,即:V=2Vr=9.855 m3≈10 m3。

因此,本文設(shè)計(jì)的鐵屑倉(cāng)容量為10 m3。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所涉及的鋼軌銑磨車(chē)的鐵屑收集、存儲(chǔ)及排放裝置能夠在銑磨機(jī)械進(jìn)行線(xiàn)路作業(yè)的同時(shí),將銑削產(chǎn)生的鐵屑實(shí)時(shí)收集并輸送到相應(yīng)的存儲(chǔ)裝置,并根據(jù)工況的需求,對(duì)所存儲(chǔ)的鐵屑進(jìn)行定點(diǎn)排放。整個(gè)裝置采用封閉式設(shè)計(jì)原理,與外界環(huán)境的隔絕率高,能夠明顯杜絕散落鐵屑對(duì)環(huán)境的污染及人員的傷害。系統(tǒng)采用正壓及負(fù)壓氣力輸送相結(jié)合的氣力輸送原理,氣力能源利用率高,裝置在鋼軌銑磨機(jī)械上的安裝布局更加靈活,具有收集能力強(qiáng)、效率高、耐高溫、耐磨耗、存儲(chǔ)容量大等優(yōu)點(diǎn)。該裝置目前已在某鋼軌銑磨車(chē)上得到應(yīng)用驗(yàn)證,效果得到相關(guān)行業(yè)專(zhuān)家的一致認(rèn)可,且已成功獲得相關(guān)實(shí)用新型專(zhuān)利2項(xiàng)(專(zhuān)利號(hào)為201420443275.8和201320495057.4)。

[1] 翟中炎,謝江生,李海昆,等.銑磨車(chē)銑加工鋼軌的鐵屑參數(shù)分析[J].城市軌道交通研究,2014(11):46-49.

[2] 楊倫,謝一華.氣力輸送工程[M].北京:機(jī)械工程出版社,2006.

Design of Chip Collection Storage and Discharge Device for Rail Milling Machine

CAI Yongbo

From the actual demands of rail milling working process, the necessity to design a set of chip collection storage and discharge device is discussed. After analyzing the functions of the storage and discharge devices, corresponding realization method is proposed. Then, the working principle and process of the devices are introduced, the chip storage design volume is calculated. Through practical operation, the design of the storage and discharge devices proves to be successful.

rail milling machine; railway line maintenance; chip disposal

U 216.65

10.16037/j.1007-869x.2017.05.034

2015-06-03)