高速鐵路自輪運轉快速換軌車研究

雷張文 倪 琍 李石平 方繼武

1.寶雞中車時代工程機械有限公司株洲分公司，株洲，4120012.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢，4300633.株洲時代電子技術有限公司，株洲，412001

0 引言

我國在軌道工程機械領域起步較晚，機械化程度較低,近年來，隨著我國鐵路逐步向高速重載、大運量、高密度方向發展，鋼軌更換維護工作也相應增加，加上我國鐵路線路里程基數大、增長快，所以換軌任務繁重。目前我國換軌大修的方法主要有兩種：一是人工更換；二是使用簡易機具或改裝車輛進行換軌作業。使用這兩種換軌方法進行換軌作業需要投入大量人力，換軌作業效率及自動化程度較低，且安全性很差，一旦換軌作業出現問題，將直接影響線路的服務；此外，使用簡易機械或改裝車量進行換軌作業時，新舊鋼軌交叉干擾，容易出現掉道的現象。隨著維護工作量的增加，鐵路運營效率的提高，傳統的換軌方式已無法匹配當前我國鐵路行業的發展速度與需求。

為實現機械化、自動化更換鋼軌的目標，筆者采用理論與試驗相結合的方法，研究了換軌車輛的自動化換軌原理及換軌關鍵技術，研發了自輪運轉快速換軌車,并進行了換軌車運用考核試驗，以驗證換軌車自動換軌相關性能，為換軌車的后續優化設計提供了參考。

1 自輪運轉快速換軌車

1.1 車輛整體介紹

快速換軌車自帶動力，屬于大型養路機械自輪運轉設備，機械化、自動化程度高，而且自帶收料裝置。如圖1所示，快速換軌車車輛主要由車體、轉向架制動系統、車鉤緩沖裝置、司機室、動力系統、扣件回收系統、作業機構、氣動系統、液壓系統、電氣控制系統等組成[1]。車輛前端轉向架為動力轉向架，采用兩軸液壓馬達驅動，提供作業時的走行動力，后端轉向架為非動力轉向架。

圖1 快速換軌車車輛總圖Fig.1 General layout of the fast rail-changing vehicle

車輛前端設有司機室1，后端設有司機室2，司機控制器、制動閥、各種操縱按鈕和手柄、儀器儀表及信號顯示裝置等均安裝在司機室內的操縱臺上，室內設有冷暖兩用空調、滅火器等設備。換軌作業機構布置在車體下部，扣件回收系統布置在車體中部，動力系統和液壓站、柴油箱布置在車輛尾部地板面上。

1.2 作業機構介紹

換軌過程是通過沿車輛縱向布置的鋼軌收放裝置，使新舊鋼軌產生橫向、縱向彈性變形，從而令鋼軌形成3D的漸變曲線，再利用車輛縱向牽引力，使新鋼軌逐漸從車輛前方導入承軌槽，同時將舊鋼軌逐漸從車輛前方導出承軌槽，并放到道心或軌枕兩側。鋼軌收放裝置的布置位置，各個鋼軌收放裝置的縱向、橫向位移量，各個鋼軌收放裝置的功能，鋼軌彈性變形應力，鋼軌變形給車輛牽引帶來的阻力，這些參數需綜合匹配。

換軌車設置了6套鋼軌收放裝置，其結構見圖2，其中鋼軌收放裝置1、鋼軌收放裝置3、鋼軌收放裝置5、鋼軌收放裝置6用于控制新軌逐漸變形導入承軌槽，鋼軌收放裝置2、鋼軌收放裝置4用于控制舊軌逐漸變形導出承軌槽。車輛前轉向架在舊軌上走行，后轉向架在新軌上走行。鋼軌收放裝置迫使鋼軌最大垂向變形控制在280～350 mm范圍內，橫向位移產生最大突變角不大于5°，新舊鋼軌間有足夠的間隙且相互不干涉。軌跡線方案最終通過CAE仿真檢驗，以確保鋼軌變形均勻、應力適當，同時通過提取約束的支反力，校核鋼軌收放裝置性能；將提取的變形應力及變形能轉化成牽引阻力校核車輛牽引性能[2]。換軌作業時，通過鋼軌收放裝置2、鋼軌收放裝置4對應的輔助定位系統，可自動調整鋼軌橫向位置，確保出入承軌槽時，鋼軌始終處于道釘中間，而不會與道釘干涉，從而實現曲線自動換軌。

圖2 鋼軌收放裝置Fig.2 Rail retracting device

換軌作業是車輛自動化、多工序連續作業過程，全程由計算機自動控制，不需要人工進行干預。換軌作業中夾持鋼軌時，應遵循先舊軌后新軌，舊軌從后往前(前后是相對于車輛的前端和后端而言的)，新軌從前往后的原則，依次用鋼軌收放裝置4、2夾持舊鋼軌，鋼軌收放裝置1、3、5、6夾持新鋼軌。當作業裝置夾持鋼軌完成準備作業時，左右鋼軌應沿軌道中心線對稱分布。當收放裝置將新舊鋼軌夾持至預定位置后，通過車輛的牽引力將舊鋼軌從承軌槽內提起，放置在道心或軌枕兩側，將新鋼軌從軌枕兩側準確放置在承軌槽內，換軌原理示意見圖3。

圖3 換軌原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of track replacement

1.3 道釘檢測系統

為了能將新鋼軌準確放置在承軌槽中，將舊鋼軌放置在道心或軌道兩側，作業機構橫向油缸采用自動控制方式。車輛通過鋼軌彎曲曲線時，道釘檢測系統檢測出作業機構相對承軌槽的橫向偏移量，控制系統通過偏移量值來控制作業機構橫向油缸的動作方向和行程，從而達到曲線上機構自動控制的目的，道釘檢測系統原理見圖4。

圖4 道釘檢測系統原理圖Fig.4 Schematic diagram of nail detection system

圖5 扣件回收系統Fig.5 The system of buckle recovery

1.4 扣件回收系統

扣件回收系統(圖5)包括提升輸送裝置、平移輸送裝置、接料裝置、扣件回收料斗和控制系統五部分。提升輸送裝置利用電磁滾筒將存放在鐵路道床中間的扣件自動回收，并將扣件斜向提升輸送到平移輸送裝置上。平移輸送裝置用于將回收的扣件輸送至接料裝置。電磁滾筒吸力能夠保證在扣件距離滾面400 mm時，可以順利地將扣件吸入滾面，作業時滾面距離道心扣件約320 mm，走行工況下可實現扣件的完全回收。接料裝置可以前后移動，也可以正轉和反轉，使扣件能轉運至料斗各個位置，作業完成后運至整備基地，通過油缸打開料斗側門，將扣件卸在車輛兩側。

1.5 走行液壓系統

換軌車牽引系統是整個車輛的關鍵裝置，該系統一方面要實現牽引速度恒定，另一方面要保證驅動輪的同步性。換軌車作業的速度較低，為了實現低恒速，車輛牽引系統采用靜液壓傳動方式，由主發動機提供動力驅動液壓泵站，通過液壓壓力能驅動行星減速器，再驅動車軸減速器，將發動機高轉速轉化成車輪低轉速，并通過液壓系統高剛度的特性保證低速恒定。

轉向架上的車軸減速器上，設置了氣動換擋機構，牽引狀態時擋位嚙合，驅動車輛走行，液壓馬達驅動車輪走行，此工況下運行速度較低，車輛牽引力較大；掛運狀態時，擋位處于空擋并鎖定，車軸齒輪箱離合器使液壓馬達與車軸脫離，車輪轉動不會帶動液壓馬達轉動，實現多工況自動切換。

車輛走行液壓系統采用閉式液壓回路，由一個變量泵輸出液壓油，驅動兩個變量液壓馬達工作，液壓馬達通過減速器和車軸齒輪箱將動力傳動到車輪?？刂埔簤罕?、液壓馬達輸入電流，即改變其輸出流量及方向，可控制車輛走行速度和走行方向。詳細液壓原理見圖6。

圖6 走行液壓原理圖Fig.6 Schematic diagram of walking hydraulic system

2 快速換軌車作業流程

2.1 預備作業條件

快速換軌車預備作業條件如下：換軌線路扣件已拆卸完，被拆卸的扣件放置于雙軌中間，切入點(換軌起始點)預留數個扣件暫不拆且切入點鋼軌已切斷；換軌車通過牽引車牽引到指定作業位置后，將換軌車與其他車輛解編，換軌車駛入換軌切入點上方；連續新軌已預放置在道心，一般每根鋼軌長度為500 m[3]。

2.2 作業準備

操作車體下方各操作控制箱上解鎖機構按鈕解除機構鎖定，使其進入可移動狀態。

2.3 作業機構對位

作業機構對位步驟分為如下五步：①用鋼軌收放裝置2夾舊軌，將舊軌提出承軌槽，使前轉向架(動力轉向架)第2根軸(靠近后轉向架的軸)后第5根軌枕位置處舊鋼軌的下表面高于軌枕螺栓上表面；②用鋼軌收放裝置4夾舊軌，將舊軌橫向收攏，使舊鋼軌大約在后轉向架(非動力轉向架)第1根軸(靠近前轉向架的軸)位置落到軌枕上；③用鋼軌收放裝置1、3配合夾新軌；④用鋼軌收放裝置5夾新軌入槽，在鋼軌收放裝置5的位置，使新鋼軌下表面距軌枕螺栓上表面20～50 mm；⑤將鋼軌收放裝置6落下，壓住新軌軌頭使其落入承軌槽。

2.4 連續作業

松開鋼軌吊鉗，啟動作業輔助定位系統，使道釘檢測系統與對應的收放裝置位移系統組成閉環系統，實時調整收放裝置位置。啟動車輛，使其低恒速走行，鋼軌在作業機構的作用和車輛順向移動下，可完成連續換軌作業。

2.5 作業切出

換軌進入切出點前，提前將新軌末端的舊軌切斷。車輛作業到切出點上方時停車，解除鋼軌收放裝置鎖定，借助鋼軌吊鉗和鋼軌收放裝置，手動將新軌入槽、舊軌放置到指定位置。

2.6 作業清場

車輛司機室2駛出切入點，停車；固定拉軌器，使拉軌器分別固定在鋼軌接縫處新舊鋼軌上；啟動拉軌器，使新舊鋼軌接頭間隙保持為要求值，并固定。換軌作業完成后，由其他設備完成扣件安裝、調軌、焊軌、舊軌回收等工作，最終完成新舊鋼軌更換并達到要求的軌道參數。

3 車輛運用考核試驗

2015年12月30日至2017年1月11日期間，自輪運轉快速換軌車在濟南鐵路局工務機械段完成了運用考核，累計運行里程4 000多千米，作業里程120余千米，達到相關考核要求。運用考核期間，樣車關鍵部件未見重大質量問題，也未發生涉及安全的事故、故障。

相比較于人工換軌作業，使用換軌車進行換軌作業能夠節省大量成本且效率高，作業過程安全可靠。在運用考核期間，有三日樣車綜合作業效率分別達到3.4 km/h、2.3 km/h和5 km/h，最高效率遠超換軌車設計綜合作業效率2 km/h，在同樣的作業模式和“天窗”時間內，濟南鐵路局突破了單日更換2 km鋼軌的記錄，單日最大換軌里程達2.4 km。

由此可以看出與傳統的人力為主、機械輔助的換軌作業方式相比，快速換軌車主要有以下優點：

(1)快速換軌車集換軌、扣件回收于一體，作業效率高，收料功能在2 km作業任務時可以節約“天窗”時間約20 min，可進一步增加作業里程[4]。

(2)與人工換軌比，節省了大量的人工成本。

(3)其他換軌設備運行過程中，尾部均需10人撬軌輔助新鋼軌入槽，換軌速度較快時，勞動強度很大。而快速換軌車運行過程中，僅需2名作業人員隨車監視，新鋼軌通過道釘檢測系統自動偏移，能準確放置在承軌槽內，地面無需人員輔助入槽，避免了撬軌可能產生的毛細裂紋，提高了換軌質量，也消除了鄰線通車狀態下輔助入槽人員作業安全隱患。

(4)快速換軌車扣件自動回收，減少了收料工序，可節省作業時間并大量減少收料輔助人員，且減輕了作業勞動強度，同時減少了線上收料對其他工序作業的干擾，還可節約1臺收料平車。

(5)換軌車具有作業走行動力，節約了1臺軌道車；采用液壓驅動，可進行無級調速，操控性強，低速情況下扭矩和牽引力大，更換完的新鋼軌平順。由于車輛多個部位裝有監控及急停按鈕，出現危險情況時能短距離緊急停車，避免了作業安全隱患[5]。

(6)提供了換軌其他工序作業的外接電源，樣車優化升級后，可以提供液壓源及“龍尾”拉軌裝置，減少了現場液壓站等笨重作業裝備，方便下一個“天窗”點的機具轉運。

4 結語

本文研究的自輪運轉快速換軌車能夠實現既有線路上鐵軌的自動更換及扣件回收，機械化、自動化程度很高，同時該換軌車又具有良好的動力特性，因此能夠在非電氣化區段作業運行。

快速換軌車已完成運用考核，并取得相關行政許可，正進入批量化生產。運用考核試驗表明：相比于使用簡易機具或改裝車輛的傳統換軌作業方式，本研究開發的自輪運轉快速換軌車在2 km作業時可以節約“天窗”時間約20 min，單日最大換軌里程達到2.4 km，具有換軌效率高、作業勞動強度低以及安全可靠的特點。