槽型軌公鐵兩用焊軌車的研發(fā)

彭 鵬

（中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081）

0 引言

國內(nèi)施工所用的移動式鋼軌閃光焊機通常采用集裝箱裝載，再搭配內(nèi)燃車或電動平板車在軌道上牽引作業(yè)。這種裝載方式可以把集裝箱通過公路和海運單獨運輸，有利于焊機的遠距離調(diào)運，適合不同地區(qū)的新線施工。但是每次運輸前后都需要使用重型吊車，并對焊機進行解編和重組，產(chǎn)生的時間和費用成本很高，且吊裝過程存在安全隱患。

近年來，城市有軌電車以其建設(shè)成本低、運量大、綠色環(huán)保等特點迅速風靡全國。采用預埋槽型軌的線路實現(xiàn)了有軌電車和汽車共道，能提高城市道路的利用率，增強線路的景觀效果。槽型軌焊接是鋪設(shè)有軌電車線路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要采用移動式槽型軌閃光焊機進行施工。受市政交通和城市地形的影響，有軌電車線路包含眾多十字路口、小曲線半徑和長大坡道。施工工作面被切割成零散小段，導致人員和設(shè)備需要頻繁調(diào)度。而現(xiàn)有的焊機裝載方式不便于經(jīng)常性短距離的調(diào)運，給施工造成了很多困擾。

采用公鐵兩用車裝載的移動式閃光焊機在國外有著廣泛的應用，但最近幾年才在國內(nèi)出現(xiàn)。公鐵兩用焊軌車能實現(xiàn)公路和鐵路 2 種行駛方式的自由切換，具有出色的便利性，能提高施工效率，減少應用成本。研發(fā)用于城市有軌電車線路施工的公鐵兩用焊軌車，可以解決現(xiàn)存的施工問題，提高既有焊機產(chǎn)品的綜合性能。

1 方案簡介

公鐵兩用焊軌車主要由公鐵兩用改裝車和廂式閃光焊機兩部分組成。公鐵兩用改裝車以卡車二類底盤為基礎(chǔ)，加裝導向軌道輪對、后橋承重支腿和專用副車架。焊軌設(shè)備采用 YHG-1200TH 型移動式槽型軌閃光焊機，箱體結(jié)構(gòu)和布局根據(jù)公鐵車的裝載需要進行設(shè)計改造。

該車在公路上行駛時，導向軌道輪對和承重支腿都處于收起狀態(tài)，與地面保持安全距離；焊機在車廂內(nèi)，車廂門保持關(guān)閉。到達平交道口或公路鐵路共線處，駕駛車輛駛?cè)胲壍谰€路；然后控制導向輪對伸出，通過鋼軌支撐車體重量，以實現(xiàn)公路和軌道行駛狀態(tài)的切換。焊軌車在軌道上采用發(fā)動機動力并通過膠輪驅(qū)動前進，行駛到待焊接頭處駐車；然后承重支腿伸出，焊機機頭吊出車廂；最后按照焊軌工藝步驟，完成左右 2 股鋼軌焊接，如圖 1 所示。整車結(jié)構(gòu)緊湊、操作便利，能滿足公路和鐵路軌道行走，以及有軌電車焊軌施工的要求。

2 公鐵兩用改裝車

圖1 槽型軌公鐵兩用焊軌車

公鐵兩用車主要是對二類底盤進行改裝，使其滿足鐵路行駛和焊機承載的要求。由于廂式焊機自重較大，選用載重 35 t 的卡車二類底盤。該車在軌道行駛工況下采用膠輪驅(qū)動、鋼輪導向的模式。驅(qū)動輪內(nèi)側(cè)輪距為 1 524 mm，與軌距 1 435 mm 接近，與軌頂面接觸良好。采用卡車自身動力，能保證良好的牽引和制動性能，走行部結(jié)構(gòu)簡單可靠。

導向軌道輪對的作用是在軌道行駛工況下約束行車方向，同時承載整車約 2/3 的重量。軌道輪對分前后2 組，采用液壓油缸支撐，設(shè)計位置考慮整車重心以及底盤懸掛空間。通過換向閥控制油缸的上下伸縮，以實現(xiàn)公路和鐵路工況的切換。油缸具有保壓功能，并設(shè)計有機械定位，能保證軌道輪對的行駛安全。

由于焊軌施工時焊機機頭往外伸出，導致整車重心的縱向后移；同時焊機的擺動也會造成重心的橫向移動。這就容易使底盤后橋和軌道輪對超載，并有發(fā)生翻車的危險。在車尾最外側(cè)設(shè)置 2 個液壓承重支腿，通過承重梁與底盤和副車架相連。承重支腿可在焊軌作業(yè)工況下承擔焊軌車大部分重量，減輕后橋及軌道輪對的壓力，保持整車的靜態(tài)穩(wěn)定性。

專用副車架由型材拼焊而成，尺寸和接口參考焊機車廂的結(jié)構(gòu)，并且和車底盤緊密相連。副車架與焊機車廂采用集裝箱中鎖相連，能夠方便地進行固定或者解編。軌道輪對和承重支腿也通過副車架與底盤連接成一體，使整車的結(jié)構(gòu)緊密、負載能力更強。

3 廂式槽型軌焊機

移動式鋼軌閃光焊機主要由焊接機頭、雙臂吊機、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、發(fā)電機組和集裝箱等部件組成。傳統(tǒng)的閃光焊機采用的是 2 個集裝箱布局，將發(fā)電機組單獨用 1 個集裝箱裝載，其余部件則安裝在另 1 個集裝箱內(nèi)，這樣有利于發(fā)電機組的降噪和散熱。兩廂式焊機配合鐵路平車的應用已經(jīng)很成熟，但是不適合用公鐵兩用車裝載。

根據(jù)公鐵兩用車底盤的裝載長度需要對廂式焊機重新設(shè)計，把傳統(tǒng)的兩廂式變?yōu)橐粠健Ｒ粠胶笝C內(nèi)部分為操作艙和動力艙，前端設(shè)計有便于焊機出廂施工的大門，廂體側(cè)面設(shè)計有操作人員進出車廂的側(cè)門。操作艙包括焊接機頭、雙臂吊機、電控柜和工作臺；動力艙包括液壓站、冷水機組和發(fā)電機組等，如圖 2 所示。

廂內(nèi)布局設(shè)計緊湊，且充分考慮操作和檢修的需求。操作人員從中部進入操作艙，可以控制整個焊接系統(tǒng)，同時觀察車廂內(nèi)外情況。電控柜和吊機之間留出一定的空間，便于對電控柜進行操作和檢修，也為雙臂吊機的旋轉(zhuǎn)預留了空間。發(fā)電機組位于動力艙中間并朝后端百葉窗排風，液壓站和冷水機分立兩側(cè)，都留有合理的操作和檢修空間。

機頭采用槽型軌交流閃光焊機，由于特殊的鉗口設(shè)計，能夠用于非對稱截面的槽型軌焊接。焊機由發(fā)電機組提供能量，通過電控系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等部件的協(xié)同工作，完成鋼軌的焊接。該焊機的焊接工藝成熟，接頭質(zhì)量穩(wěn)定可靠，符合 TB/T 1632-2014《鋼軌焊接》以及CECS 429∶2016《城市軌道用槽型鋼軌閃光焊接質(zhì)量檢驗標準》相關(guān)標準的要求。

圖2 一廂式鋼軌閃光焊機

4 載荷條件分析

4.1 公路行駛工況

公鐵兩用焊軌車在公路上行駛需要具備足夠的前橋轉(zhuǎn)向力及后橋驅(qū)動力。按照相關(guān)標準的要求，驗證軸荷分配是否合理。以車的縱向中心線為x軸，前橋軸的中心線為y軸，兩軸交點為原點，建立如圖 3 所示的平面坐標系。

對焊軌車各主要部件進行初步重心核算，如表 1 所示。

表1 焊軌車各部件重量及重心位置

根據(jù)力矩平衡公式：

式（1）中：M0為整車總重量，M0=Mn= 29 200 kg；X0為整車重心x軸坐標值；Y0為整車重心y軸坐標值。計算得，整車的重心位置G（X0，Y0）=（3 970，4）。

該車前橋到后橋中心距離為 5 000 mm，根據(jù)重心位置可得，前橋載荷分配比K=（5 000-X0）/5 000×100% = 20.6%＞20%，滿足 GB 7258-2012《機動車運行安全技術(shù)條件》中對轉(zhuǎn)向軸載荷分配的要求。重心橫向偏移量僅為 4 mm，左右輪胎的載荷分布較平衡。

4.2 軌道行駛工況

在軌道線路行駛時，前后導向輪對將伸出并支撐車體重量。改裝車的前輪完全懸空，后輪與軌面接觸并承受一定的載重，通過膠輪和鋼軌的摩擦力驅(qū)動整車前進。啟動時，膠輪的靜摩擦力至少應大于鋼輪的靜摩擦力，才能實現(xiàn)有效牽引，即：

式（2）中：L為膠輪所占的載荷比；μ膠為膠輪對鋼軌的靜摩擦系數(shù)，取 0.5；μ鋼為鋼輪（鑄鐵）對鋼軌的靜摩擦系數(shù)，取 0.2。計算得：L＞0.28。

增大膠輪的載荷比可以提高車輛爬坡和雨水天氣的驅(qū)動能力，但是對膠輪的損壞也會增大。綜合考慮驅(qū)動效果和膠輪使用壽命，該方案選用膠輪的載荷比為0.35，則鋼輪的總載重量F鋼=（1- 0.35）M0g= 186 kN。

軌道行駛工況示意圖見圖 4。

參考整車重心位置，分別計算前導向輪對和后導向輪對的載重量：

前后導向輪均采用固定軸和雙油缸支撐結(jié)構(gòu)，軸端通過軸承與鋼輪相連，油缸承受負載并實現(xiàn)輪對上下運動。設(shè)計時軸承和油缸均以上述計算結(jié)果作為輸入條件進行強度校核。

4.3 焊軌作業(yè)工況

焊機作業(yè)時，機頭將伸出車廂外對準待焊接頭，導致整車的重心位置往后偏移。重心偏移改變了整車的支撐條件，將對后輪造成嚴重負載，這時需要車尾的承重支腿發(fā)揮作用以平衡整車重量。焊軌車在待焊位置駐車后，承重支腿機構(gòu)伸出并將車尾抬高，使后導向輪對不接觸鋼軌。此時，整車的重量主要由前導向輪對和承重支腿承載。焊軌作業(yè)工況示意圖見圖 5。

圖3 公路行駛工況示意圖（單位：mm）

圖4 軌道行駛工況示意圖（單位：mm）

在焊軌作業(yè)工況下，焊機機頭的重心位置如表 2 所示。

根據(jù)式（1）和表 1、表 2 數(shù)據(jù)計算得出，在焊軌作業(yè)時整車的重心位置G'=（X'0，Y'0）=（4 368，98）。x軸方向受力分析：前導向輪對到承重支腿的距離為 6 000 mm，則承重支腿的總載荷F支=4 368M0g/ 6 000 = 208 kN，前導向輪對的載荷F'前=M0g-F支= 78 kN。y軸方向受力分析：2 個承重支腿分左右布置于車尾，整車重心橫向偏移導致兩承重支腿的載荷分布不均，其中受力較大的承重支腿載荷F'支=（98 + 2 220 / 2）F支/2 220 = 113 kN。

表2 焊機機頭的重心位置

根據(jù)上述計算結(jié)果，在焊軌作業(yè)工況下，前導向輪對沒有超過其最大載荷，承重支腿及相關(guān)構(gòu)架按上述最大載荷條件進行設(shè)計和強度校核。

5 結(jié)束語

槽型軌公鐵兩用焊軌車具有機動性強、結(jié)構(gòu)緊湊、操作便利和應用成本低等特點，非常適合城市有軌電車線路的焊接施工。本文介紹了該焊軌車的結(jié)構(gòu)特點及設(shè)計過程，分析了公路、軌道、焊軌作業(yè) 3 種工況條件下各部件的載荷情況，為整車設(shè)計的合理性提供理論計算的依據(jù)。研發(fā)的焊軌車采用成熟的槽型軌鋼軌閃光焊機，焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠；同時能滿足公路和鐵路 2 種行駛狀態(tài)的切換，避免了頻繁調(diào)運帶來的安全隱患，有利于提高城市有軌電車線路焊軌施工的效率。

圖5 焊軌作業(yè)工況示意圖（單位：mm）