鋪軌機布枕機構(gòu)的創(chuàng)新設計與實踐

紀占玲,李恒燦

(華北水利水電學院,鄭州 450011)

建設鐵路客運專線和高速鐵路是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要,也是我國鐵路現(xiàn)代化建設的要求。為提高鐵路運輸速度和舒適性,提高鐵路新線開通速度,無縫線路鋪軌機將被大量采用,研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型鋪軌機十分迫切。項目組在廣泛、充分調(diào)查研究和消化、吸收國外先進技術的基礎上,綜合國外多種鋪軌機的優(yōu)缺點,結(jié)合秦沈客運專線一次鋪設跨區(qū)間無縫線路的經(jīng)驗和我國施工技術發(fā)展的新型成果,專門研制了一種新型鋪軌機。鋪軌機是用于鋪設線路軌枕和長鋼軌的大型自動化專用設備。而布枕機構(gòu)是鋪軌機的一個重要組成部分,也是鋪軌機的最關鍵、最核心的作業(yè)機構(gòu)。它的設計直接決定著整機的多項技術性能指標,甚至影響到整個設計的成敗。在以往的施工過程中,存在著布枕時翻枕、個別構(gòu)件設計薄弱使用中變形、構(gòu)件所受機械沖擊大、油缸行程大易損壞、結(jié)構(gòu)復雜、動作多、控制難度高等諸多問題[1]。針對以上這些問題,對布枕機構(gòu)進行了創(chuàng)新性設計,采用了旋轉(zhuǎn)喂枕垂直送枕相結(jié)合的工作方式。

1 結(jié)構(gòu)組成及其工作原理

布枕機構(gòu)主要由1號軌枕傳送鏈、旋轉(zhuǎn)喂枕機構(gòu)、垂直傳送鏈、垂直傳遞機構(gòu)、鋪放機構(gòu)等幾個部分組成[2],如圖1所示。1號軌枕傳送鏈是軌枕傳送裝置,一末端與無動力滾道連接,將鋪軌車上2號傳送鏈運送過來的軌枕快速傳送并停留在無動力滾道的端頭,供旋轉(zhuǎn)喂枕機構(gòu)取枕,主要由驅(qū)動裝置、輸送鏈、馬達、馬達安裝支架、1號鏈支架、從動鏈輪等組成,從動鏈輪設有張緊裝置,滾子鏈板上安裝有橡膠防護板起保護軌枕作用。旋轉(zhuǎn)喂枕機構(gòu)完成軌枕的喂給,在1號傳送鏈的端部取枕,繼續(xù)旋轉(zhuǎn),喂枕給垂直傳送鏈,與垂直傳送鏈有鏈條連接,兩者共用驅(qū)動馬達,通過鏈輪齒數(shù)之比確定其轉(zhuǎn)速,主要由2個對稱的曲柄齒輪箱組成。垂直傳送鏈完成軌枕的向下傳送,即：從旋轉(zhuǎn)喂枕機構(gòu)接過軌枕,將其向下垂直傳送至垂直傳遞機構(gòu)的傳遞臂,主要由垂直鏈支撐框架、液壓馬達、馬達安裝支架、接枕臂、驅(qū)動裝置、張緊裝置、擋枕裝置、輸送鏈等組成。垂直傳遞機構(gòu)完成軌枕的承接,即：從垂直傳送鏈的接枕臂接過軌枕,垂直向下傳送一定距離,向后擺動脫枕給鋪放機構(gòu)的鋪設臂,主要包括擺動架、移動架、擺動油缸、垂直落枕油缸、油缸耳座、傳遞臂等幾個部件[3]。鋪放機構(gòu)完成軌枕的布放,即：從垂直傳遞機構(gòu)的接枕臂接過軌枕垂直下落,然后迅速向后擺動,脫枕至道床,其結(jié)構(gòu)上與垂直傳遞機構(gòu)相似。

圖1 布枕機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)行程測量輪裝置發(fā)出的脈沖信號,布枕機構(gòu)控制裝置自動協(xié)調(diào)各個裝置動作,完成軌枕的喂給、向下傳送和布放的循環(huán)作業(yè),每一循環(huán)完成1根軌枕的布放[2],具體施工過程如下：運枕龍門吊攜枕下放至3號傳送鏈上,然后經(jīng)2號傳送鏈送至1號傳送鏈上,3個傳送鏈部件運轉(zhuǎn)速度相同,且布置在同一水平面上,通過其相互重疊部分進行軌枕傳送,使得軌枕傳送過程一直保持水平勻速運動,且在同一水平面上進行,不存在機械沖擊和慣性力。旋轉(zhuǎn)喂枕機構(gòu)在布枕過程中,一直保持勻速旋轉(zhuǎn),在1號傳送鏈的端部,通過與傳送鏈處于同一水平位置后,向上繼續(xù)旋轉(zhuǎn)取枕,再與恰好等待接枕的垂直傳送鏈的接枕臂位于同一水平位置時,繼續(xù)向下旋轉(zhuǎn)脫枕,將軌枕水平放置到接枕臂上,繼續(xù)旋轉(zhuǎn),開始取下一根軌枕。垂直傳送鏈和旋轉(zhuǎn)喂枕機構(gòu)一樣,在布枕過程中,一直保持勻速運轉(zhuǎn),從旋轉(zhuǎn)喂枕機構(gòu)接過軌枕,帶動軌枕垂直下落一定高度,與已等待接枕的垂直傳遞機構(gòu)的傳遞臂處于同一水平位置時,繼續(xù)運轉(zhuǎn),從而將軌枕交至傳遞臂,繼續(xù)運轉(zhuǎn),另一接枕臂去接下一根軌枕。傳遞臂接枕,待送枕的接枕臂讓開空間后,垂直下落,與已等待接枕的鋪放機構(gòu)的鋪設臂處于同一水平位置時,傳遞臂向后擺動,讓開鋪設臂下落空間,將軌枕傳遞到鋪設臂上,再回至原位。鋪設臂在傳遞臂讓開后垂直下落到距離道床適當高度時停止,鋪放機構(gòu)的擺動架帶動鋪設臂迅速向后擺動,軌枕自然下落在道床上,再回至原位。所以,布枕的基本作業(yè)流程可以概括為：1號軌枕傳送鏈→旋轉(zhuǎn)喂枕機構(gòu)→垂直傳送鏈接枕臂→垂直傳遞機構(gòu)傳遞臂→鋪放機構(gòu)鋪設臂→道床,如圖2所示。

圖2 布枕基本作業(yè)流程

2 創(chuàng)新設計

2.1 旋轉(zhuǎn)喂枕

喂枕機構(gòu)采用了旋轉(zhuǎn)的方式,主要由2個對稱的曲柄齒輪箱組成,每個曲柄齒輪箱由齒輪傳動裝置(主要包括驅(qū)動軸、從動軸、齒輪、軸承、軸承蓋、箱體等等)、喂枕連桿、驅(qū)動連桿、張緊裝置、擋枕板、鏈輪、鏈條、擋枕架、支架等部分組成,喂枕連桿上安裝有墊板和橡膠塊,可以減小沖擊、吸收振動、保護軌枕。作業(yè)時,由齒輪裝置驅(qū)動喂枕連桿一直勻速旋轉(zhuǎn),通過與1號軌枕傳送鏈同一水平位置后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)取枕,與垂直傳送鏈同一水平位置后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)進行喂枕,把軌枕的水平傳送轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直傳送,改變了以往由舉升機構(gòu)和油缸拉動機構(gòu)共同完成喂枕功能的機構(gòu)形式[4]。在此部分機構(gòu)中,由于傳動形式主要采用了圓柱齒輪,整個結(jié)構(gòu)緊湊、新穎,具有一般齒輪傳動的多個優(yōu)點,例如,能保證瞬時傳動比恒定,運轉(zhuǎn)平穩(wěn),傳遞運動準確可靠,傳遞的功率和速度范圍較大,可實現(xiàn)較大的傳動比,傳動效率高,使用壽命長,噪聲低,適應性強,控制簡單,等等。

2.2 垂直傳送軌枕

項目組研制的送枕機構(gòu)采用了垂直向下傳送的方式,將其動作明確分為軌枕的傳送、承接、布放,分別由垂直傳送鏈、垂直傳遞機構(gòu)和鋪放機構(gòu)3個機構(gòu)分3個階段完成,改變了傳統(tǒng)鋪軌機送枕方式——斜傳送方式。與斜傳送方式相比,垂直向下傳送的方式,由于是垂直布置,可以有效充分地利用鋪軌車有限的布置空間,且軌枕在垂直向下傳送的過程中,中心線始終保持在同一豎直線上,對機構(gòu)的機械沖擊相對較小,也有利于提高布枕的精度。另外,根據(jù)目前的配置和構(gòu)造設計,控制鋪軌車動力轉(zhuǎn)向架軸重是一個重要目標,垂直向下傳送方式的重心相對偏前,便于控制動力轉(zhuǎn)向架軸重的大小[2],容易滿足要求,也方便其他機構(gòu)的設計。同時,由于傳動形式采用了鏈傳動,適合于長距離、低轉(zhuǎn)速的運轉(zhuǎn)傳輸,使軌枕可以下落到距離道床較近時鋪放,軌枕在空間的轉(zhuǎn)動角度小,對道床擾動小,利于克服翻枕缺陷[1],還使得垂直傳遞機構(gòu)和鋪放機構(gòu)的各個工作油缸行程減小,沖擊減小,使用壽命增長。鋪放機構(gòu)鋪設臂迅速抽去,使軌枕自然下落到道床上,也可以有效地避免翻枕現(xiàn)象。

2.3 軌枕傳送柔和

在軌枕的傳送過程中,需要經(jīng)歷多個機構(gòu),在相鄰的兩個機構(gòu)之間存在著軌枕的傳送問題。此時,構(gòu)件可能會受到機械沖擊,產(chǎn)生噪聲,給部件使用壽命及周圍環(huán)境帶來不利影響,軌枕也有可能受損[4]。沖擊過大時,還可能需要對重要零件更換性能好的材料、改變設計型式或增大尺寸等等,或采取減小布枕速度的措施,如此一來,會影響到整個鋪軌機的外形尺寸、總重、造價、布枕速度等多個方面,從而直接決定著研發(fā)產(chǎn)品是否能達到主要性能指標的要求[4]。因此,在軌枕傳送的各個過程中,須考慮對機構(gòu)的沖擊和軌枕的保護問題,應使機構(gòu)受到盡可能小的機械沖擊,軌枕盡量避免受到嚴重損傷。布枕機構(gòu)在施工方案設計時,使所有接枕機構(gòu)提前或恰好在適當?shù)奈恢玫群?送枕機構(gòu)到達此位置后,繼續(xù)向后或向下運動脫枕,以此使所有機構(gòu)之間傳送軌枕均在同一水平面內(nèi)進行。此種方式軌枕傳送柔和,減小了布枕過程中的機械沖擊,軌枕傳送平穩(wěn),并受到了保護,結(jié)構(gòu)件也不易損壞,尤其延長了油缸的使用壽命,同時也使得布枕速度容易提高,滿足鋪軌機高效率的要求。然后,接送兩機構(gòu)同時運行,或待送枕機構(gòu)讓出足夠空間后,接枕機構(gòu)再開始工作,以確保軌枕的傳送過程在時間上和空間上都能夠?qū)崿F(xiàn)。

2.4 控制簡單準確

布枕機構(gòu)作為鋪軌機的核心部件,對其控制有著非常高的要求,必須與整車行走、龍門吊的運行形成有機的整體。同時,布枕機構(gòu)是一復雜的部件,其組成機構(gòu)眾多,每個機構(gòu)又有多個零部件,在作業(yè)時,這些零部件需要嚴格按照一定順序及時間要求依次動作,來完成整個布枕的過程,布枕控制時序如圖3所示。行程測量輪裝置可以準確測量鋪軌行走的距離,根據(jù)布枕間距的要求,將測量輪的周長作成1個布枕間距的長度,測量輪每旋轉(zhuǎn)1,通過與測量輪同軸的光電編碼器將1個脈沖信號傳送給軌枕傳送機構(gòu)、軌枕布放機構(gòu)和枕間距調(diào)整機構(gòu)等,再由PLC通過電磁換向閥電磁鐵以時序圖為基礎來控制龍門吊的運行速度、傳送鏈的輸送速度、垂直輸送鏈液壓馬達的轉(zhuǎn)速及各機構(gòu)的油缸動作,使這些機構(gòu)運行速度一致,保證布枕間距的精度,完成1個工作循環(huán)。

圖3 布枕控制時序

布枕機構(gòu)的控制根據(jù)時序要求準確、順序完成,其主要目標不是控制所有機構(gòu)運動過程同步,而是機構(gòu)工作時間起點和終點的順序控制[2]。布枕機構(gòu)油缸動作的實現(xiàn)是通過接近開關限制各個執(zhí)行油缸的起始和終了位置[2],如：傳遞臂擺動油缸、傳動臂垂直落枕油缸、鋪設臂垂直落枕油缸和鋪設臂擺動油缸等,從而實現(xiàn)布枕的控制,各油缸的位移-時間曲線如圖4所示。由于采用行程測量輪裝置發(fā)出的脈沖信號直接控制各個機構(gòu)的動作,因此,簡單可靠,控制方便,動作準確,布枕精度高[1]。

圖4 傳遞臂和鋪設臂垂直落枕、擺動位移-時間曲線

在布枕機構(gòu)中,垂直傳送鏈依靠2臺液壓馬達同步驅(qū)動,而旋轉(zhuǎn)喂枕機構(gòu)的驅(qū)動是通過鏈條將其輸入軸與垂直傳送鏈的驅(qū)動軸連接來實現(xiàn),兩者以垂直傳送鏈驅(qū)動軸上的鏈輪作為關聯(lián),其轉(zhuǎn)速按照鏈輪齒數(shù)所形成的特定比例來確定,使得旋轉(zhuǎn)喂枕機構(gòu)每送來1根軌枕,垂直傳送鏈恰好就有1個接枕臂在適當位置等待接枕。由于兩機構(gòu)之間動作的協(xié)調(diào)利用機械傳動來保證,因此,結(jié)構(gòu)形式簡單,安全可靠,動作準確,控制數(shù)量減少,難度降低[1]。

3 實踐效果

項目組研制的鋪軌機在2006年順利通過了鐵道部科技司組織的專家評審,得到了與會專家的一致好評,并投入工業(yè)生產(chǎn)。2008年底,該鋪軌機已開始在達(州)成(都)鐵路工程建設中鋪設無縫線路,創(chuàng)造了日鋪軌4.8 km的紀錄,2009年6月初,達成鐵路順利通過工程初驗委員會的驗收,比老達成線提速2倍以上。產(chǎn)品經(jīng)施工單位使用表明：性能可靠,生產(chǎn)效率高,經(jīng)濟和社會效益顯著。其組成中必不可少的作業(yè)機構(gòu)——布枕機構(gòu),采用了旋轉(zhuǎn)喂枕垂直送枕的工作方式,合理地分解了軌枕的傳送動作,使軌枕接送柔和、平穩(wěn),減輕了對布枕機構(gòu)的機械沖擊,有效地避免了軌枕傾翻現(xiàn)象,控制簡單準確。整個結(jié)構(gòu)合理、緊湊,設計新穎,經(jīng)過使用,證明系統(tǒng)是實用可行的,實現(xiàn)了連續(xù)布枕,具有較寬的工作頻率范圍,能夠較好地與運枕龍門吊和鋪軌機的行駛速度配置,具有自動化程度高、勞動強度低、作業(yè)效率高、布枕精度高和可靠性高等優(yōu)點,滿足高速鐵路無縫線路長軌條主要性能指標的要求。2009年底,河南省教育廳組織了有關專家對河南省自然基金項目(項目編號0411054500)進行了鑒定,鑒定委員會一致認為,該機構(gòu)達到了國際同類研究的先進水平,此項目并獲河南省教育廳一等獎。

[1] 呂 超.DPG500鋪軌機組布枕機構(gòu)優(yōu)化與設計[J].鐵道標準設計,2008(8)：30-32.

[2] 紀占玲.鋪軌機布枕機構(gòu)虛擬樣機技術研究[D].鄭州：華北水利水電學院,2005.

[3] 紀占玲,韓林山,嚴大考等.鋪軌機垂直傳遞機構(gòu)的仿真分析[J].機械工程師,2006(6)：122-124.

[4] 紀占玲,嚴大考,上官林建.DPG500型鋪軌機旋轉(zhuǎn)喂枕機構(gòu)虛擬樣機動態(tài)仿真分析[J]. 華北水利水電學院學報,2005(2)：40-42.