劉 秀 張智榮 姚宇涵

(1.國能包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)輸管理部 內(nèi)蒙古包頭 014010；2.中國鐵建高新裝備股份有限公司鐵路養(yǎng)護(hù)裝備研究設(shè)計(jì)院 云南昆明 650215)

1 引言

國能包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡稱包神鐵路集團(tuán))營業(yè)里程872 km，占國家能源集團(tuán)鐵路總里程的36.8%。包神鐵路集團(tuán)管轄神朔鐵路268 km、包神鐵路192 km、甘泉鐵路333 km和塔韓鐵路79 km。管內(nèi)鐵路相繼穿越3省區(qū)6市17個(gè)區(qū)縣，年運(yùn)輸能力達(dá)4.2億t，年裝車量3億t，占國家能源集團(tuán)總裝車量的70%以上。

管內(nèi)共有橋梁615座、隧道70座、涵洞1971座，其中特大橋43座，管內(nèi)正線橋隧比為16.85%。鐵路投入運(yùn)營至今，隧道、橋梁內(nèi)線路受撒落煤粉污染，部分排水不暢線路道床板結(jié)嚴(yán)重，需進(jìn)行道床清篩作業(yè)。然而在橋梁上和隧道中由于受施工作業(yè)面寬度限制，使得傳統(tǒng)清篩機(jī)無法直接用于橋隧線路上進(jìn)行作業(yè)。

目前國內(nèi)鐵路清篩作業(yè)主要依靠邊坡清篩機(jī)、中/大型清篩車及道岔清篩機(jī)等設(shè)備[1]。以QS-450及QS-650清篩機(jī)為例，其最小清篩作業(yè)寬度分別為3 900 mm和4 300 mm，作業(yè)效率分別為450 m3/h及650 m3/h[2]。然而，橋梁及隧道清篩作業(yè)最小寬度僅為3 100 mm，難以滿足橋梁隧道清篩作業(yè)需求，依舊以人工清篩為主。人工清篩所需施工人員較多，施工人員組成復(fù)雜，具有較大的管理難度，存在人身及設(shè)備安全隱患。此外，人工清篩作業(yè)還存在道砟清理不全、清潔程度不均勻和嚴(yán)重板結(jié)地段作業(yè)困難等問題[3]。為解決橋梁上和隧道內(nèi)線路機(jī)械化清篩施工空白，中國鐵建高新裝備股份有限公司研制了SQS-300K型橋隧清篩機(jī)，可實(shí)現(xiàn)橋隧機(jī)械化清篩作業(yè)[4-5]。

SQS-300K型橋隧專用清篩機(jī)構(gòu)成如圖1所示。其主要功能包括:道砟開挖、舊砟篩分、新砟儲(chǔ)存并回填、清篩施工后軌道水平監(jiān)測(cè)及調(diào)整、挖掘裝置、前后起撥道、走行系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣凈化等。

SQS-300K型橋隧專用清篩機(jī)目前成功應(yīng)用于鐵路橋梁有砟線路的機(jī)械化清篩。施工期間無需拆卸道床上部的鋼軌和軌枕；使用過程中，挖掘鏈在軌枕下方挖掘污碴，同時(shí)將清篩完成后的道砟重新填回道床；然后經(jīng)過篩分的污物可通過輸送帶被拋到線路一側(cè)或編組中的物料車儲(chǔ)料倉內(nèi)，清篩后的道床質(zhì)量得到了很大提高。然而在實(shí)際清篩作業(yè)過程中依舊存在一些問題。

2 清篩作業(yè)中遇到的主要問題

(1)目前國內(nèi)單線橋梁和隧道作業(yè)面寬度為3 100～3 900 mm。依據(jù)調(diào)查結(jié)果，作業(yè)面寬度小于3 200 mm的隧道線路占國內(nèi)線路的55.72%，單線鐵路橋梁作業(yè)寬度為3 900 mm的線路僅占國內(nèi)線路的15.4%，傳統(tǒng)的清篩機(jī)挖掘結(jié)構(gòu)不適用于此種作業(yè)條件[6]。需綜合考慮橋隧整體技術(shù)參數(shù)特點(diǎn)對(duì)挖掘結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)及布置，須滿足最小挖掘?qū)挾? 100 mm[7]。

(2)SQS-300K型橋隧專用清篩機(jī)，在嚴(yán)重板結(jié)線路進(jìn)行清篩作業(yè)過程中，挖掘扒鏈容易卡死。通過清篩作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)發(fā)現(xiàn)，板結(jié)后的道床會(huì)對(duì)扒鏈形成一個(gè)向上的推力，使挖掘扒鏈向上傾斜，挖掘鏈條上端的扒齒會(huì)拍打軌枕底部，致使挖掘刀板底梁通不過軌枕，最終導(dǎo)致挖掘鏈條卡死[8]。

(3)SQS-300K型橋隧專用清篩機(jī)在隧道內(nèi)進(jìn)行清篩作業(yè)，道砟容易產(chǎn)生粉塵，由于隧道內(nèi)空間狹小，空氣流動(dòng)性差，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員健康造成不良影響。此外，過量粉塵容易遮擋作業(yè)視線，存在一定的安全隱患。

(4)SQS-300K型橋隧專用清篩機(jī)挖掘上升導(dǎo)槽入口容易受道砟磨損，普通耐磨鋼板受磨損嚴(yán)重，挖掘作業(yè)每500 m左右需進(jìn)行一次更換，保養(yǎng)工作量較大。

(5)清篩車組在隧道內(nèi)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，需多種車輛進(jìn)行配合作業(yè)，多臺(tái)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生大量有毒氣體。SQS-300K型橋隧清篩車作業(yè)走行速度較慢(0～2 km/h)，且隧道內(nèi)空氣流通性差，有毒氣體容易在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)形成堆積。

3 技術(shù)改進(jìn)措施

(1)為滿足最小挖掘?qū)挾? 100 mm的要求，將清篩機(jī)傾斜式挖掘裝置改為垂直式挖掘裝置，作業(yè)效率為300 m3/h，最小作業(yè)曲線半徑為200 m。相比于傾斜式挖掘裝置，垂直式挖掘裝置可以將導(dǎo)輪和角導(dǎo)槽放置在枕木下方，扒板方向平行于連接銷軸，可以大幅度減小所需挖掘?qū)挾龋梢詫?shí)現(xiàn)Ⅱ型軌枕最小開挖寬度為3 100 mm、Ⅲ型軌枕最小開挖寬度為3 200 mm要求。此外，垂直式挖掘裝置可以使回填輸送帶距離挖掘裝置更近，作業(yè)結(jié)束時(shí)未回填的枕木孔僅有四孔。落砟斗及潔砟帶可以儲(chǔ)存道砟，作業(yè)結(jié)束時(shí)使用落砟斗及潔砟帶上的道砟即可將所有枕木孔回填完，減少所需的人工回填枕木孔數(shù)量，并且垂直挖掘裝置挖掘深度低，所需石砟厚度更小，道床枕木下部石砟厚度不小于180 mm時(shí)可正常作業(yè)；當(dāng)石砟層厚度小于180 mm時(shí)，可通過起撥道裝置正常作業(yè)。另外垂直式挖掘裝置采用一體式框架結(jié)構(gòu)，振動(dòng)小。在橋梁清篩作業(yè)時(shí)，能夠降低對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)性損傷。依據(jù)SQS-300K型橋隧清篩車現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)際監(jiān)測(cè)，整機(jī)挖掘作業(yè)對(duì)橋梁影響小，豎向振動(dòng)范圍在0.80～1.12 mm間，橫向振動(dòng)范圍在0.52～0.69 mm間。

(2)橋梁及隧道內(nèi)排水溝清理困難，極易形成板結(jié)路段?；诋?dāng)前作業(yè)條件，對(duì)以往挖掘扒鏈進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，增加了破底齒。通過對(duì)SQS-300K型橋隧專用清篩機(jī)現(xiàn)場(chǎng)清篩勘測(cè)結(jié)果分析，以往挖掘裝置的主要原理是通過安裝在扒砟板上的多對(duì)扒齒組進(jìn)行扒砟，每對(duì)扒齒組均有三個(gè)扒齒構(gòu)成，其中每一個(gè)扒齒與相鄰另一個(gè)扒齒的中軸線均以一定角度進(jìn)行安裝，扒齒挖掘端部為錐形頭，錐形頭端部凸出扒板底平面，如圖2a所示。遇到板結(jié)路段時(shí)，位于最下端及最上的扒齒不與軸線平行，板結(jié)道床僅受到來自位于中間單個(gè)扒齒的破碎力，最下端與上端的扒齒不參與對(duì)板結(jié)道床的破碎，使挖掘扒鏈向上傾斜，最終導(dǎo)致挖掘鏈條卡死。為此，在原有的挖掘扒鏈基礎(chǔ)上新增了多組破底齒，新加入的破底齒依舊由三個(gè)扒齒構(gòu)成，但每一個(gè)扒齒與相鄰另一個(gè)扒齒的中軸線平行安裝，保證在遇板結(jié)路段時(shí)，對(duì)板結(jié)后的道床形成足夠的挖掘破碎能力，如圖2b所示。但是破底齒的加入減低了扒砟量，因此新增的破底齒數(shù)量需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)線路板結(jié)程度進(jìn)行確定。

(3)通過清篩作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)塵情況來看，揚(yáng)塵主要來源于自挖掘裝置、輸送帶系統(tǒng)附近。因此在輸送帶入料方向、輸送帶出料方向及挖掘裝置兩側(cè)設(shè)置了噴水口，并采用霧化噴頭可實(shí)現(xiàn)既增加噴灑面積又可降低所需水量[9](噴水量控制在0.2 m3/h)。具體改造措施如下:通過將物料運(yùn)輸車進(jìn)行改造升級(jí)，增加30 t水箱于物料車儲(chǔ)料箱下端。將物料運(yùn)輸車水箱中水源通過管道引至SQS-300K型橋隧專用清篩機(jī)的水霧噴頭處。為了最大化減少作業(yè)過程中的粉塵，清篩作業(yè)前就需啟動(dòng)噴霧系統(tǒng)，作業(yè)完成后噴霧系統(tǒng)需延時(shí)關(guān)閉[10]。改造后的SQS-300K型橋隧專用清篩機(jī)作業(yè)時(shí)，既不起揚(yáng)塵，道床也無泥濘的現(xiàn)象，降塵效果顯著?，F(xiàn)場(chǎng)清篩噴霧系統(tǒng)工作如圖3所示。

(4)原有上升導(dǎo)槽入口容易受到道砟磨損，并受到較大的沖擊力。一是傳統(tǒng)耐磨鋼材耐磨性能差，實(shí)際作業(yè)過程中，每作業(yè)500 m就需更換一次耐磨鋼板，如圖4a所示；二是通過表面熱處理提高鋼材耐磨性能(如滲氮、滲碳、淬火或堆焊耐磨材料)，在受到較大沖擊力的情況下，表面耐磨層與母材容易發(fā)生脫落，且表面熱處理工藝成本較高，導(dǎo)致整機(jī)使用成本增加。因此，SQS-300K型橋隧專用清篩機(jī)選用了45SiMnCrMo耐磨鑄鋼作為上升導(dǎo)槽的耐磨板。在實(shí)際使用過程中，它能夠抵抗道砟的沖擊及切削，并且加入合金元素的量少且成本較低，降低了整車的使用成本[11]。更換了耐磨鑄鋼后，經(jīng)過觀察，耐磨鑄鋼磨損量很小且延長了設(shè)備使用壽命，如圖4b所示。

(5)針對(duì)隧道內(nèi)作業(yè)編組車輛產(chǎn)生有毒氣體的問題，一方面，清篩施工作業(yè)設(shè)備在不影響作業(yè)效率的情況下，應(yīng)盡可能將發(fā)動(dòng)機(jī)排放減少并加裝后處理裝置，并且作業(yè)編組在進(jìn)入隧道前應(yīng)先啟機(jī)預(yù)熱。

另一方面加裝風(fēng)機(jī)組，在隧道內(nèi)創(chuàng)造2 m/s的風(fēng)速。為保證風(fēng)機(jī)組通風(fēng)效果，通過ANSYS CFD模塊進(jìn)行仿真。依據(jù)機(jī)車限界簡化編組中的各車型，將整個(gè)編組置于135 m直線隧道中，并對(duì)此區(qū)域流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型如圖5所示[12]。從速度云圖可知，3個(gè)工作區(qū)域的人員工作位置，空氣流速均大于2 m/s，可見通風(fēng)裝置可以起到良好的通風(fēng)效果。兩線間射流空氣速度衰減比近壁面快，對(duì)應(yīng)3個(gè)工作位置可直觀對(duì)比編組設(shè)備兩側(cè)空氣流動(dòng)速度，近壁面空氣流速均在4 m/s以上，而兩線間流速很快降至2 m/s。

依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，在SQS-300K型橋隧專用清篩機(jī)增加風(fēng)機(jī)組，放置于清篩機(jī)車頂，并在平板車上安裝軸流風(fēng)機(jī)，給清篩區(qū)域創(chuàng)造良好的通風(fēng)條件，確保清篩各點(diǎn)位作業(yè)人員安全的作業(yè)環(huán)境。

4 應(yīng)用情況

改進(jìn)后的SQS-300K型橋隧專用清篩機(jī)于2021年1月正式使用，先后在太原局大秦線、襄渝線、成都局成昆線和國能朔黃鐵路公司進(jìn)行了作業(yè)(見圖6)。2022年1月對(duì)SQS-300K型橋隧清篩車進(jìn)行解體檢查，通過檢查發(fā)現(xiàn)整車關(guān)鍵零部件性能良好，能夠滿足清篩作業(yè)需求。通過為期一年清篩作業(yè)，清篩機(jī)總作業(yè)時(shí)間為233 h、運(yùn)行里程達(dá)10 326 km，能夠適應(yīng)橋隧環(huán)境的清篩作業(yè)，能夠滿足3 100 mm的最小挖掘?qū)挾群?80 mm的枕下最低挖掘深度，清篩效率達(dá)到300 m3/h。

5 結(jié)論

(1)SQS-300K型橋隧專用清篩機(jī)通過改用垂直式挖掘裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)3 100 mm(Ⅱ型枕)、3 200 mm(Ⅲ型枕)作業(yè)寬度挖掘。通過縮短回填輸送帶與挖掘裝置的距離，減少作業(yè)完成場(chǎng)后人工輔助的時(shí)間，極大程度提高了天窗利用率。

(2)對(duì)傳統(tǒng)挖掘鏈增加破底齒，增加了對(duì)板結(jié)道床破碎及挖掘能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)板結(jié)路段的快速清篩，減少天窗點(diǎn)內(nèi)人工對(duì)板結(jié)路段清挖時(shí)間。

(3)針對(duì)施工過程中產(chǎn)生的揚(yáng)塵，于整車工作裝置附近均設(shè)置了霧化噴頭，在滿足作業(yè)時(shí)間要求的前提下，最大化地增加了噴撒面積，實(shí)現(xiàn)清篩、挖掘作業(yè)無揚(yáng)塵目標(biāo)。

(4)為減少隧道施工過程中的有害氣體，在作業(yè)編組平板車上增設(shè)4臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，使隧道內(nèi)產(chǎn)生2 m/s的“穿堂風(fēng)”，可減少有毒氣體的殘留。

(5)SQS-300K型橋隧專用清篩機(jī)還設(shè)計(jì)了具有自動(dòng)控制功能的主、輔軌道升降裝置，可用于線路開挖前后的起拔道。