李勇

摘要：中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司科學技術研究所為實現(xiàn)鐵道工務線路中小型機械化換枕而研制了線路維修多功能機械。針對該機械在吐魯番站貨場專用線現(xiàn)場試驗時暴露出的問題，采用優(yōu)化結構、提升材質(zhì)、完善功能等方式對整機進行了升級改造，進一步提升了該機械的適用性，使其更加符合現(xiàn)場維修作業(yè)的需要。

Abstract： The Research Institute of Science and Technology of China Railway Urumqi Bureau Group Co. ， Ltd. has developed a multi-function machine for railway maintenance in order to realize the small and medium-sized mechanical replacement of railway track. In view of the problems exposed during the field test of the machine on the special line for the Turfan Station freight yard， the whole machine was upgraded by means of optimizing its structure， upgrading its material quality and perfecting its functions， so as to further enhance its applicability， to make it more in line with the needs of field maintenance operations.

關鍵詞：鐵道;線路維修;機械;應用;優(yōu)化改進

Key words： railroad track;line maintenance;machinery;applications;optimization and improvement

中圖分類號：U216.61? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0079-02

0? 引言

中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司科學技術研究所（以下簡稱烏局科研所）為解決鐵道工務線路人工換枕作業(yè)人數(shù)多、勞動強度大、作業(yè)效率低等問題而研發(fā)了線路維修多功能機械[1]（以下簡稱多功能機械）。多功能機械以日立ZX-130W型輪式挖掘機為原型，通過加裝扒砟板、回轉機構、夾枕裝置、防傾覆裝置、導向機構等部件[2]，將其改造成可實施鐵道工務線路灰枕更換、道床整形等維修作業(yè)的工程機械（如圖1所示）。該機械初步研制完成后，對加裝部件進行了簡單的動作試驗，部件預設功能都得以實現(xiàn)。隨后，該機械在吐魯番站貨場專用線進行了上下鋼軌、彎道行駛及整套換枕作業(yè)試驗。試驗過程中，該機械暴露出損傷灰枕等問題。為此，烏局科研所技術人員積極研究問題的解決辦法，對該機械的機構及功能進行優(yōu)化、改進，使其工作性能進一步符合現(xiàn)場的實際應用。

1? 試驗過程中暴露出的問題

①夾枕裝置夾頭有時夾不緊灰枕，出現(xiàn)了灰枕松脫、滑落。②該機械加裝的后導向輪油管在上下鋼軌時，與鋼軌發(fā)生過度擠壓，出現(xiàn)了油管破損。③該機械加裝的前導向輪輪軸（直徑100mm）在整機橫向移動上下鋼軌時中出現(xiàn)了過載斷裂。④扒砟板無拋（棄）土功能，無法將渣土拋（棄）至線路外側。

2? 問題的原因分析及改進方案

2.1 夾枕裝置夾頭有時夾不緊灰枕的原因分析

①多數(shù)鐵道工務線路道床為石砟道床，清潔狀態(tài)較好;而吐魯番站貨場專用線道床則為渣土道床，渣土結塊且多。由于夾枕裝置夾頭表面的防滑槽深度過淺且寬度過窄，易被渣土等粘連物填平，從而導致夾頭摩擦力減小。②夾頭材質(zhì)強度不足，在高頻次使用條件下，夾頭防滑槽易出現(xiàn)變形、磨損，出現(xiàn)防滑失效。

改進方案：通過提高接觸面靜摩擦系數(shù)以增大夾頭表面與灰枕間的摩擦力。因橡膠類復合材料耐用度差，便對夾頭表面防滑槽結構和材質(zhì)進行了重新設計。增大夾頭防滑槽的寬度和深度;對夾頭進行淬火、回火熱處理，以提高夾頭的硬度并降低脆性;從而提升夾頭的防滑性及耐磨性。

2.2 多功能機械在上下鋼軌時出現(xiàn)擠壓后導向輪油管的原因分析

鋼軌上表面高于軌枕表面約180mm，該機械通常采用扒砟板前后兩端交替撐地進行橫向側移來實現(xiàn)整機的上下鋼軌。由于后導向輪油管是經(jīng)多功能機械行走體后部背板下方接入雙向液壓鎖的，當扒砟板撐地將多功能機械前輪支起且后導向輪油管路恰好處于鋼軌上方時，隨著前輪支起的高度上升，后部背板的高度將隨之下降。當后輪所處道床路基較為松軟時，多功能機械后部下降程度將更大，就會發(fā)生鋼軌擠壓油管的問題。

改進方案：受行走體后部背板內(nèi)側油缸及其他連接構件的位置限制，后導向輪油管路徑只能從后部背板下方引出。為最大限度地提升油管高度，在后部背板無擋礙處向上開槽，且槽口寬度要小于鋼軌軌面寬度。將油管從槽口穿過，并用銷連接對其高度進行限位，防止油管下墜低于背板下部端面。

2.3 加裝的前導向輪輪軸斷裂的原因分析

①由于缺乏導向輪視頻監(jiān)控設備，多功能機械的駕駛員在駕駛室內(nèi)無法觀察到前、后導向輪的實際位置。在導向輪未完全收回的情況下，駕駛員便操作整機橫向側移進行上下鋼軌作業(yè)，從而導致左前導向輪輪軸因承載超限而發(fā)生了斷裂。②前導向輪輪軸強度不夠。設計初期只考慮了多功能機械依靠內(nèi)側4個橡膠輪（外側4個橡膠輪懸空）承載并驅動整機在鋼軌上行駛，4個導向輪只承擔導向功能。但在現(xiàn)場上下鋼軌試驗過程中，受整機撐起高度的影響（前導向輪離地最大間隙為280mm，后導向輪離地最大間隙為330mm），前導向輪更容易與鋼軌發(fā)生擠壓接觸。以單個前導向輪為研究對象，需分析其在極端承載狀態(tài)下（兩前導向輪和兩內(nèi)側橡膠輪共同承載整機質(zhì)量）輪軸危險截面所承載的載荷及其作用力臂（如圖2所示），按照當量彎矩軸徑計算公式[3]計算軸的強度是否滿足極限承載要求。

危險截面臨界軸徑d需滿足：

式中，Me為當量彎矩：

[σ-1]為對稱循環(huán)的許用應力，取54N/mm2（45號鋼）;ɑ為彎矩折算系數(shù)，取ɑ=1（對稱變化）;

M為計算截面彎矩：

M=F×L? ? （N.m）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

F為1個前導向輪承載載荷，取1/4G（按2個前導向輪與內(nèi)側2個橡膠輪承重相同計算）;

G為多功能機械重量：

G=mg? ? （N）（4）

多功能機械質(zhì)量m約為15000kg;g取10N/kg;L為彎矩力臂長度，取L=300mm;T為截面的轉矩，取T=0（軸未轉動）。

經(jīng)公式（2）、式（3）、式（4）計算得出Me=11250N.m;將算出的Me帶入公式（1）中，得出前導向輪軸徑d≥127.72mm才能滿足極限狀態(tài)下的承載要求。而前導向輪實際軸徑為100mm，小于危險截面的最小軸徑127.72mm，故在彎矩力臂為300mm時，前導向輪輪軸強度無法滿足極限承載要求。

改進方案：①增設視頻監(jiān)控設備。駕駛員借助視頻監(jiān)控設備可在司機室內(nèi)實時查看導向輪及防傾覆裝置的位置狀態(tài)，輔助駕駛員進行合理化操作，避免導向輪超限承載的發(fā)生，提高整機作業(yè)的安全性。②對前導向輪軸結構進行優(yōu)化設計。通過加裝連接套，將單軸承載變?yōu)殡p軸聯(lián)合承載（如圖3所示），從而提升軸孔處危險截面的承載能力;加裝的連接套還可將彎矩力臂外移，將力臂長度由300mm縮減至120mm。③提升輪軸的材質(zhì)性能。輪軸材質(zhì)用調(diào)質(zhì)42CrMo替代原45號鋼（調(diào)質(zhì)42CrMo對稱循環(huán)的許用應力[σ-1]為100N/mm2）。同理，運用軸徑計算公式（1）、式（2）、式（3）、式（4）再次對前導向輪危險截面軸徑強度進行校核。計算得出危險截面軸徑d≥76.64mm，安全系數(shù)取1.2后，d≥91.97mm，而實際軸徑100mm≥91.97mm，故前導向輪輪軸直徑足以滿足承載要求。

2.4 扒砟板無拋（棄）土功能原因分析

初始設計階段，扒砟板的功能只設定為推、扒道砟。此次試驗的吐魯番站貨場專用線為渣土道床，換枕后要鋪設新道砟。受扒砟板扒砟面及推砟面都是垂直平面的限制，換枕作業(yè)過程中會將渣土推、扒到新道砟中，造成新石砟道床污染。

改進方案：對原扒砟板結構進行升級改造。在原扒砟板的扒砟面開方孔（如圖4所示），以扒砟板推砟面的加強筋板為側板，加焊鋼板（如圖5所示），形成具有盛裝渣土的腔體，借助多功能機械上部機體的旋轉，可將渣土拋（棄）至線路外側。

3? 結束語

線路維修多功能機械經(jīng)過上述結構及功能的優(yōu)化改進后，更加符合了現(xiàn)場客觀條件下?lián)Q枕作業(yè)的需要。后續(xù)，該機械還將在多種線路路況下進行換枕試驗，以檢驗整機的安全性、適應性、穩(wěn)定性及可靠性。通過不斷的試驗，持續(xù)性改進，不斷完善其使用性能，努力將其打造成一款成熟的產(chǎn)品。

參考文獻：

[1]烏魯木齊鐵路局科學技術研究所.鐵道工務線路維修多功能裝置[P].中國：201721261731.7，2018-9-4.

[2]王曉偉，張青，等.液壓挖掘機構造與維修手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2018：46-73.

[3]蔡春源.新編機械設計手冊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1993：611-625.