張國(guó)剛

（中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明654300）

0 引言

我國(guó)鐵路道岔地段線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長(zhǎng)期以來，其道砟清篩主要依靠人工作業(yè)，人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，維修質(zhì)量差，成為鐵路提速的一大瓶頸。因此，研制一種有別于傳統(tǒng)清篩模式的、更加簡(jiǎn)單易用的、適用范圍更加廣泛的新型全斷面道砟清篩機(jī)具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值，能提高我國(guó)鐵路線路維修質(zhì)量及養(yǎng)路機(jī)械技術(shù)裝備水平。中國(guó)鐵路總公司科技司于2014年5月18日在北京組織召開《側(cè)切式全斷面道床清篩機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究》開題報(bào)告，并將“大型養(yǎng)路機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)自主化研究—側(cè)切式全斷面道床清篩機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究”列入科技研究開發(fā)計(jì)劃合同。根據(jù)中國(guó)鐵路總公司的科技開發(fā)計(jì)劃，進(jìn)行了側(cè)切式清篩機(jī)的研制。

1 側(cè)切式清篩機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

主要致力于解決鐵路線路道岔的清篩作業(yè)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(cè)切式清篩機(jī)的主要作業(yè)特點(diǎn)

側(cè)切式清篩機(jī)采用側(cè)切刀板枕底挖掘與挖掘斗輪挖掘并提升相結(jié)合的方式進(jìn)行作業(yè)。挖掘裝置通過側(cè)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(jīng)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(shù)相比，有如下特點(diǎn)：挖掘裝置不需要連接底梁，輔助作業(yè)時(shí)間及施工人員較少；斗輪邊坡挖掘可單邊獨(dú)立或雙邊同時(shí)作業(yè)，斗輪提升效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；不需要拆除轉(zhuǎn)轍機(jī)等設(shè)備；能適用于對(duì)多種道岔及部分滿足條件的隧道橋梁進(jìn)行清篩作業(yè)。

3 側(cè)切式清篩機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

3.1 線路適應(yīng)性參數(shù)

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(yùn)行半徑：180 m 最小作業(yè)半徑：250 m

最大軸重：≤23 t最大聯(lián)掛運(yùn)行速度：100 km/h

最大自行速度： 80 km/h

3.2 作業(yè)環(huán)境條件

海拔高度：≤2 000 m 環(huán)境溫度：-10～50℃；

相對(duì)濕度：≤95%

3.3 結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

輪徑：Ф840 mm轉(zhuǎn)向架中心距：20 900 mm；

轉(zhuǎn)向架軸距： 1 350 mm

車鉤高度 （距軌面）：（880±10）mm；

整車尺寸（長(zhǎng)寬高）：29 400×3 370×4 760 mm

整備質(zhì)量：（109±2.5）t；

發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)：CAT C18；

水冷發(fā)動(dòng)機(jī) 額定功率：522 kW；

制動(dòng)性能：在平直線路上，以80 km/h速度運(yùn)行時(shí)，單機(jī)緊急制動(dòng)距離不大于630 m，制動(dòng)時(shí)不擦傷車輪。

3.4 作業(yè)性能參數(shù)

挖掘斗輪最大挖掘?qū)挾龋?距軌道中心線（單側(cè)）2 500 mm；

挖掘斗輪最大挖掘深度：軌面下850 mm；

挖掘斗輪轉(zhuǎn)速：≤11 r/min：

側(cè)切刀板挖掘鏈線速度：0～3.1 m/s，可無極調(diào)速

污土拋射距離：距軌道中心≥5500 mm

振動(dòng)篩振頻：16Hz±1Hz

篩分潔度：≥97%

篩分效率：300 m3/h

4 主要部件

側(cè)切式清篩機(jī)主要由車架、動(dòng)力傳動(dòng)裝置、工作裝置、制動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成（見圖1）。

圖1 CQS-300側(cè)切式清篩機(jī)總體結(jié)構(gòu)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(jì)算優(yōu)化結(jié)構(gòu)、靜強(qiáng)度試驗(yàn)、動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)，滿足TB/T 1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》要求。車鉤采用帶緩沖裝置的6G大擺角車鉤，以滿足長(zhǎng)中心距車輛過曲線的需求。

4.2 司機(jī)室

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

4.3 轉(zhuǎn)向架

該轉(zhuǎn)向架根據(jù)側(cè)切式清篩機(jī)高速走行、作業(yè)走行和連掛的要求，在以往成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)而成。轉(zhuǎn)向架由整體焊接構(gòu)架、液力驅(qū)動(dòng)裝置及其吊掛裝置、軸箱彈簧懸掛裝置、主動(dòng)輪對(duì)、從動(dòng)輪對(duì)、常接觸式彈性旁承、球面心盤、單元制動(dòng)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(xué)對(duì)側(cè)切式清篩機(jī)轉(zhuǎn)向架性能分析，結(jié)論為：整機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能符合GB/T 17426-1998《鐵道特種車輛和軌行機(jī)械動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)方法》的要求，并在動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

4.4 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

側(cè)切式清篩機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)采用了靜液壓傳動(dòng)方案，系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、分動(dòng)齒輪箱及液壓馬達(dá)、液壓泵、車軸齒輪箱等組成。發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)速和扭矩輸出，通過分動(dòng)齒輪箱進(jìn)行分配，增加輸出、調(diào)配傳動(dòng)比，按需要將動(dòng)力提供給各工作機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)輪等。其傳動(dòng)示意圖如圖2所示。

圖2 動(dòng)力傳動(dòng)示意圖

4.5 工作裝置

側(cè)切式清篩機(jī)工作裝置由挖掘裝置、振動(dòng)篩、儲(chǔ)運(yùn)裝置和輸送裝置組成。

挖掘裝置由挖掘斗輪和側(cè)切刀板組成。挖掘斗輪左右橫移挖掘道床邊坡，側(cè)切刀板挖掘枕底道砟。該挖掘裝置采用側(cè)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(jìn)行工作，挖掘裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 挖掘裝置結(jié)構(gòu)示意圖

作業(yè)時(shí)，放下挖掘斗輪挖掘道床邊坡，當(dāng)斗輪向下切入深度足以放下刀板時(shí)，斗輪一邊切入、一邊向外橫移，然后將刀板放下，擺動(dòng)油缸推動(dòng)刀板裝置向枕底方向慢慢切入并挖掘枕底道砟；結(jié)束清篩作業(yè)時(shí)，刀板擺動(dòng)油缸先將刀板向外回轉(zhuǎn)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(cè)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(dòng)篩主要由框架、篩網(wǎng)、驅(qū)動(dòng)裝置、支撐裝置組成，負(fù)責(zé)清篩從道床挖掘出來的道砟。振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8 振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)示意圖

輸送裝置主要由橫向輸送帶、混砟帶、主污土帶、旋轉(zhuǎn)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(jīng)振動(dòng)篩篩分后潔砟通過回填帶回填道床；篩分后的污土經(jīng)主污土帶送至旋轉(zhuǎn)拋帶后將污土拋出道床外。輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖9，石砟流向示意圖見圖10。

圖9 輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 石砟流向示意圖

儲(chǔ)運(yùn)裝置主要由分砟器、儲(chǔ)運(yùn)箱和落砟斗組成。它是CQS-300側(cè)切式清篩機(jī)篩分道砟回填系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，設(shè)置在振動(dòng)篩清潔道砟出口下方、回填帶上部。分砟器緊接振動(dòng)篩清潔道砟出口，其功能有兩個(gè)：

①用于將振動(dòng)篩清潔道砟出口的來料送入儲(chǔ)運(yùn)箱；

②將道砟導(dǎo)流進(jìn)落砟斗后進(jìn)入回填帶。儲(chǔ)運(yùn)箱用于作業(yè)開始時(shí)臨時(shí)儲(chǔ)存一部分道砟，在作業(yè)完后回填至道床，使線路起始不堆砟，結(jié)束不缺砟，大大減少了人工輔助的勞動(dòng)量與勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)減少了作業(yè)前準(zhǔn)備時(shí)間和收車輔助時(shí)間，提高了天窗利用率。落砟斗用于導(dǎo)流從分砟器和儲(chǔ)運(yùn)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(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。

4.6 液壓系統(tǒng)

側(cè)切式清篩機(jī)液壓系統(tǒng)由開環(huán)控制的多個(gè)工作子系統(tǒng)和閉環(huán)控制的高速走行、作業(yè)走行、斗輪挖掘子系統(tǒng)組成。其中高速走行子系統(tǒng)和斗輪挖掘子系統(tǒng)由同一組泵在高速走行和斗輪挖掘來回轉(zhuǎn)換供油,實(shí)現(xiàn)一個(gè)泵控制兩個(gè)主系統(tǒng)，這樣可以降低整車的制造成本。另外多個(gè)工作子系統(tǒng)采用負(fù)載敏感變量泵和負(fù)載傳感多路閥控制，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)泵滿足多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)工作，而且每一路執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量和壓力互不影響。使用了該控制方式可使系統(tǒng)流量和壓力與系統(tǒng)所需達(dá)到最佳匹配要求，提高液壓系統(tǒng)效率，減少系統(tǒng)發(fā)熱。

圖11 儲(chǔ)運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4.7 電氣系統(tǒng)

側(cè)切式清篩機(jī)電氣系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整機(jī)各個(gè)子系統(tǒng)的控制以及信號(hào)的處理和顯示，按照系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能可分為以下子系統(tǒng)：

①電源供給系統(tǒng)；

②柴油機(jī)控制系統(tǒng)；

③照明系統(tǒng)；

④信號(hào)系統(tǒng)；

⑤輔助設(shè)備控制系統(tǒng)；

⑥通話系統(tǒng)；

⑦空氣干燥系統(tǒng)；

⑧走行控制系統(tǒng)；

⑨作業(yè)控制系統(tǒng)；

⑩顯示監(jiān)視、警報(bào)系統(tǒng)。

電氣系統(tǒng)由3臺(tái)高性能工業(yè)觸摸屏、1個(gè)主站加1個(gè)智能從站（帶以太網(wǎng)口的高性能PLC及本地I/O組成）、1臺(tái)交換機(jī)組成。其中主站和智能從站共帶5個(gè)從站（由PN BK耦合器及遠(yuǎn)程I/O組成）。系統(tǒng)用PLC編程控制。其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖12所示。

圖12 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.8 氣動(dòng)及制動(dòng)系統(tǒng)

側(cè)切式清篩機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)主要對(duì)挖掘斗輪和旋轉(zhuǎn)拋帶鎖定與解鎖、風(fēng)喇叭的控制；制動(dòng)系統(tǒng)采用成熟的YZ-1D型電控制動(dòng)機(jī)，而且在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了旁路制動(dòng)系統(tǒng)，增加了行車安全性。

5 作業(yè)流程

以邯鄲肥鄉(xiāng)站道岔施工為例，對(duì)側(cè)切式清篩機(jī)的作業(yè)流程進(jìn)行說明。

根據(jù)在邯鄲肥鄉(xiāng)站道岔線路情況，作業(yè)前制定出施工模式，作業(yè)中按施工模式進(jìn)行施工，其施工作業(yè)流程如下：

（1）使用右側(cè)斗輪挖掘出刀板進(jìn)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(shí)5 min，右側(cè)斗輪挖掘出刀板進(jìn)入枕底的工作坑長(zhǎng)5.3 m，用時(shí)5 min，共計(jì)用時(shí)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(tài)，切入枕底總計(jì)用時(shí)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(jì)挖掘用時(shí)30 min。

（4）收車。

右側(cè)刀板反向退出枕底，儲(chǔ)運(yùn)斗石砟回填道床，用時(shí)5 min；收各工種裝置，用時(shí)5 min，總計(jì)10 min。

綜上，整組第32號(hào)道岔完成挖掘，總計(jì)用時(shí)60 min。

6 樣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

側(cè)切式清篩機(jī)樣機(jī)幾次作業(yè)試驗(yàn)后，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題，對(duì)工作裝置進(jìn)行了如下優(yōu)化設(shè)計(jì)：

（1）挖掘斗輪優(yōu)化：在挖掘斗輪側(cè)擋板上加工缺口，使側(cè)面的道砟能進(jìn)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(yōu)化示意圖

（2）挖掘斗輪限位板的優(yōu)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(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)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(yōu)化示意圖

（3）提軌裝置的優(yōu)化：原第三軌輔助提軌裝置對(duì)稱布置在車體左右兩側(cè)，作業(yè)時(shí)只對(duì)第三軌進(jìn)行提軌，不能有效改善道岔道床的下沉。優(yōu)化整改后的提軌裝置安裝在車體中心線位置，作業(yè)時(shí)對(duì)整個(gè)道床進(jìn)行提軌，減小道岔道床鋼軌的下沉量及側(cè)切刀板挖掘阻力，提高了側(cè)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(yōu)化示意圖

7 結(jié)語

2017年1月至2017年12月，我公司根據(jù)側(cè)切式清篩機(jī)型式試驗(yàn)大綱的要求，在廠區(qū)和昆明鐵路局管內(nèi)線路進(jìn)行了各項(xiàng)功能的試驗(yàn),其各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。2017年12月，該車通過了中國(guó)鐵路總公司科技和信息化部會(huì)同工電部在北京組織召開的“CQS-300側(cè)切式清篩機(jī)”試用評(píng)審會(huì)。2020年10月發(fā)運(yùn)給用戶進(jìn)行運(yùn)用考核。2020年11月在邯濟(jì)鐵路公司肥鄉(xiāng)站施工了三組道岔，在不拆穿任何鐵路線路設(shè)備的情況下，60分鐘清篩完一組9號(hào)道岔。2021年3月，在濟(jì)南鐵路局集團(tuán)公司大機(jī)基地操作培訓(xùn)并作業(yè)了4天，用戶對(duì)該機(jī)的施工模式和作業(yè)效果比較滿意，計(jì)劃在4月后繼續(xù)對(duì)道岔進(jìn)行清篩作業(yè)。