ZBLM10型板式無砟軌道施工鋪板門吊走行機(jī)構(gòu)改進(jìn)研究

萬 鵬

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600)

1 概述

ZBLM10型鋪板門吊用于高速鐵路工程中軌道板施工的鋪裝需要(包括路基、橋梁、隧道)，每次吊裝一塊軌道板。該門吊主要由大車走行、主結(jié)構(gòu)、天車、吊具、執(zhí)行元件、電控系統(tǒng)組成。

為適應(yīng)在高速鐵路橋梁和路基上鋪設(shè)底座板的施工要求,大車走行采用實(shí)心輪胎,驅(qū)動(dòng)采用變頻制動(dòng)三合一減速機(jī),4個(gè)支撐走行輪胎組方式,每組由2個(gè)走行輪組成,配套有均衡輪壓、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向等裝置,2個(gè)走行輪有一個(gè)為主動(dòng)輪,走行驅(qū)動(dòng)裝置為K系列斜齒輪-傘齒輪減速機(jī),行車制動(dòng),利用電機(jī)制動(dòng),自帶制動(dòng)器制動(dòng)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)形式為自動(dòng)轉(zhuǎn)向,采用電液推桿驅(qū)動(dòng),最大轉(zhuǎn)向角度±10°,最大負(fù)荷靜止?fàn)顟B(tài)可以原地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。門吊轉(zhuǎn)向半徑2 000 m。在每組支撐走行輪胎組處設(shè)置了支腿,懸臂起吊底座板時(shí)起到與走行輪分載支撐作用。走行輪選用橡膠工業(yè)輪胎,輪胎規(guī)格：8.25-20工業(yè)(或?qū)嵭?輪胎,單只最大負(fù)荷54 kN。門吊總重：420 kN[1～2]。

2 軌道結(jié)構(gòu)(圖1)

圖1 CRTSⅡ型板式無砟軌道橋上結(jié)構(gòu)(單位：mm)

CRTSⅡ型板式無砟軌道橋上結(jié)構(gòu)由60 kg/m鋼軌、彈性扣件、預(yù)制軌道板、砂漿調(diào)整層、連續(xù)底座、滑動(dòng)層、側(cè)向擋塊等部分組成,臺(tái)后路基上設(shè)置摩擦板、端刺及過渡板,梁縫處設(shè)置硬泡沫塑料板。超高0時(shí)軌道高度為679 mm,超高175 mm時(shí)軌道高度為751 mm,其余超高地段軌道結(jié)構(gòu)高度按線性內(nèi)插計(jì)算。底座板寬2950 mm,精度要求：頂面高程±5 mm,中線±10 mm,寬度0～±15 mm,頂面平整度7 mm/4 mm。根據(jù)軌道斷面推算出,門吊走行限界最小367 mm,出現(xiàn)在超高175 mm曲線段,水硬性支撐層高度為551 mm[3～5]。

3 改進(jìn)方案

經(jīng)過對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的分析,影響門吊輪系走行的最大原因就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)寬度及高度。改進(jìn)方案如圖2所示,其原理是利用摩擦輪的驅(qū)動(dòng)方式,即兩個(gè)相互壓緊的摩擦輪,靠接觸面間的摩擦傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力,結(jié)構(gòu)簡單,制造容易,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。但是運(yùn)轉(zhuǎn)中有滑動(dòng),傳動(dòng)效率低,作用在軸和軸承上的載荷大。摩擦輪傳動(dòng)原理如圖3所示[6]。

圖2 改進(jìn)方案(單位：mm)

圖3 摩擦輪傳動(dòng)原理

傳動(dòng)比

式中n1、n2——分別為主、從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，r/min；

e——滑動(dòng)率。

壓緊力

式中T1——主動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩；

K——載荷系數(shù),功率傳動(dòng)取1.25～1.5,儀器傳動(dòng)取2～3；

f——摩擦系數(shù),見表1[6]。

表1 摩擦輪材料的摩擦系數(shù)f

鋪板門吊運(yùn)行阻力=滾動(dòng)阻力+坡道阻力+風(fēng)阻+加速阻力

滾動(dòng)阻力：Ff=mgfcosa=420 000×0.025=10 500 N

坡道阻力：Fp=mgsina=420 000×3%=12 600 N

門吊只在6級(jí)以下風(fēng)條件下使用,可不考慮風(fēng)阻力的影響。因此,大車的運(yùn)行阻力為24 486 N。門吊實(shí)心輪胎直徑988 mm,采用四輪驅(qū)動(dòng),則每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)行阻力矩為3 061 N·m。

摩擦輪采用Q235鋼管焊接而成,表面滾壓螺旋花紋,增大摩擦面積,防止打滑。摩擦小鏈輪與大鏈輪齒數(shù)比為11/15,一級(jí)傳動(dòng)比為1.37,輪直徑400 mm,二級(jí)傳動(dòng)比為2.47,總傳動(dòng)比為3.39。電機(jī)減速機(jī)型號(hào)為：GK-87-5.5-49.16,其功率為5.5 kW,輸出扭矩為1 703 N·m,轉(zhuǎn)速為29 r/min。經(jīng)過計(jì)算可得,驅(qū)動(dòng)扭矩最大為：5 773.19 N·m≥3 061 N·m，可認(rèn)為滿足使用要求[7～8]。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

改進(jìn)前門吊輪系結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。改進(jìn)前門吊輪系寬度377 mm,已經(jīng)超出走行限界最小寬度367 mm。門吊走行在直線段內(nèi)尚可(走行寬度425 mm),如果進(jìn)入曲線段必然會(huì)對(duì)水硬性支撐層造成破壞。改進(jìn)后的門吊輪系結(jié)構(gòu)如圖6、圖7所示。經(jīng)過改進(jìn),驅(qū)動(dòng)部分高于水硬性支撐層,驅(qū)動(dòng)部分以下寬度為307 mm,與水硬性支撐層以及防撞墻均有30 mm間隙,如圖8所示。完全解決了走行空間不夠的問題。

圖4 原門吊走行

圖5 門吊走行在425 mm限界內(nèi)

圖6 門吊走行第一次改進(jìn)

圖7 門吊走行第二次改進(jìn)

圖8 門吊走行與防撞墻間隙

在改進(jìn)輪系過程中發(fā)現(xiàn),計(jì)算所得理論數(shù)值與實(shí)際相差較大。特別是傳動(dòng)效率方面,此種方式傳動(dòng)效率較低,因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)摩擦輪進(jìn)行了2次改進(jìn)。

第一次改進(jìn)前使用鏈輪傳動(dòng),大鏈輪齒數(shù)39齒,小鏈輪19齒,傳動(dòng)比為2.06,可傳遞最大扭矩為：3 406 N·m≥3 061 N·m。直線段鋪板試驗(yàn)時(shí)未出現(xiàn)動(dòng)力不足情況。

改進(jìn)后采用摩擦輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)二級(jí)傳動(dòng),初級(jí)傳動(dòng)為鏈傳動(dòng),最初選擇大小鏈輪均為15齒,即傳動(dòng)比為2.47,鋪板試驗(yàn)過程出現(xiàn)動(dòng)力不足情況。經(jīng)過第二次改進(jìn),逐漸增大傳動(dòng)比后,最終選擇小鏈輪為11齒,即傳動(dòng)比增大到3.39,動(dòng)力不足現(xiàn)象再?zèng)]出現(xiàn)。

因此,可初步判斷,摩擦輪傳動(dòng)的效率為：μ=2.06/3.39=0.6,考慮到一級(jí)傳動(dòng)鏈輪的功率因數(shù),暫取0.9,摩擦輪的傳動(dòng)效率為μ=0.6/0.9=0.67[9～10]。

5 結(jié)論

(1)高速鐵路施工鋪板裝備采用摩擦輪傳動(dòng)尚屬首次,采用摩擦輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單,可通過其特殊的布置方式將驅(qū)動(dòng)單元提高,此方法也可用于其他走行條件受限的情況。

(2)經(jīng)過對(duì)門吊輪系的改造,門吊走行系統(tǒng)平穩(wěn)可靠,并未對(duì)水硬性支撐層造成損傷,同時(shí)也保護(hù)了防撞墻,在改進(jìn)輪系后鋪板門吊平均每工班鋪板50塊,最高實(shí)現(xiàn)鋪板70塊,施工效率得到了施工單位的認(rèn)可,并且節(jié)省資金30余萬元。

(3)在改造的同時(shí),分析了摩擦輪傳動(dòng)的效率問題,根據(jù)試驗(yàn)情況得出了其傳遞效率為0.67。希望能為以后的摩擦輪設(shè)計(jì)提供參考,同時(shí)希望后者能夠繼續(xù)補(bǔ)充和完善。

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