清篩機起撥道裝置參數優化試驗研究

何國華 高春雷 王鵬 王金棟

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

有砟軌道養護作業主要有清篩、搗固、穩定、配砟、焊軌、銑磨等。目前我國正線鐵路路基及部分橋梁地段廣泛采用大型養路機械進行養護維修，但是既有線部分橋梁及隧道，尤其是隧道，因受內部輪廓制約，國內現有各型清篩機無法進行機械化清篩，主要依靠人工作業，施工環境和清篩質量差，安全保障困難［1-2］。為此，中國國家鐵路集團有限公司立項研究滿足國內鐵路隧道橋梁機械化清篩要求的清篩機。其中難點是如何設定起撥道裝置安裝位置等參數。本文以既有大型養路機械起撥道裝置為研究對象，通過理論計算和試驗研究確定相關參數，為隧道內、橋梁上道床清篩機的研制提供支撐。

1 起撥道裝置參數優化方案

1.1 鐵路曲線橋布置

目前鐵路上的曲線橋多以折代曲，曲梁應用很少。由于線路中線是曲線，而所用的梁是直的，因此線路中線與梁中線不完全吻合［3］。梁在曲線上的布置是由多個梁跨的中線聯結起來，成為與線路中線基本相符的折線。這條折線成為橋梁的工作線。墩、臺中心一般就位于該折線轉折角的頂點上。在橋梁設計中，梁中線的兩端并非位于線路中線上，而是向外側移動了一定距離E，稱之為偏距。曲線中點到曲線弦線的距離叫矢高，以f表示［4］?？紤]內外梁體受力均衡，鐵路曲線橋采用以下2種方式布置：

1）平分中矢布置。梁中線位于弦長中矢的平分線上，曲線中點到梁中線的距離f1=f/2，見圖1（a）。

2）切線布置。梁中線位于線路中線的切線上，f1=0。見圖1（b）。

圖1 鐵路曲線橋布置

上述2種布置方式中平分中矢布置較為有利，鐵路曲線橋基本采用該方式布置。切線方式布置的梁，偏距，L為跨距，R為曲線半徑；平分中矢方式布置的梁，偏距

1.2 算例設計

選取寶成線和南昆線進行現場調研，2條線路橋梁情況見表1。南昆線263座橋梁中有178座在曲線半徑小于700 m的曲線上，占全部曲線橋的68%。寶成線604座橋梁中有600座在曲線上，曲線半徑小于700 m的有442座，占全部曲線橋的74%；曲線半徑小于400 m的有240座，占全部曲線橋的40%。尤其是曲線半徑300 m橋梁梁的跨度變化范圍較大，從4～32 m不等。

按照TB 10002.1—2005《鐵路橋涵設計基本規范》［4］，一般單線橋上道砟槽底面內緣寬3.4 m，頂面外緣寬不宜小于3.9 m。當橋面采用Ⅲ型軌枕時軌枕寬度2.6 m，則軌枕端面到道砟槽側面的距離為400 mm。挖掘裝置導槽寬200 mm，挖掘扒鏈和角滾輪合計寬70 mm［5］，若起道后把挖掘扒鏈和角滾輪放置到枕底，再加上預留60 mm的安全余量，則單邊還剩余200-60=140 mm的空間。即偏距在140 mm以內時不用撥道，超過140 mm則須先撥道后進行清篩作業。若起道量小，無法把挖掘扒鏈和角滾輪放置到枕底，則單邊還剩余200-70-60=70 mm，即偏距在70 mm以內時不用撥道，超過70 mm則須先撥道后進行清篩作業。

表1 寶成線和南昆線橋梁情況

依據2種布置方式和表1的數值，可計算出不同曲線半徑和梁跨度配置下梁中線和線路中線的偏距，見表2?？芍?種布置方式下最大偏距為213 mm，則作業時所需要的最大撥道量為213-70＝143 mm。

表2 梁中線和線路中線的偏距 m

2 數值模擬

根據《鐵道工程》［6］規定的計算方法，給軌排施加一定的起道力、撥道力和撥道量（見圖2）。通過數值模擬可估算出單根軌枕橫向阻力剛度，進而得出撥道時起撥道裝置的影響范圍。

圖2 施加起道力、撥道力和撥道量前后軌排

假定在曲線半徑300 m的鐵路橋上撥道20 mm、起道40 mm。計算可得單次撥道時7＃軌枕的前后各7個軌枕的理論橫移量，見表3?？芍?，當在7＃軌枕處撥道20 mm時0＃軌枕沒有橫移，說明單根軌枕撥道時撥道力影響范圍只有7根軌枕距離。

表3 單次撥道各軌枕理論橫移量

從0＃軌枕開始依次撥道，每次撥道量20 mm，多次撥道后各軌枕處軌道的累計撥道量見表4?？梢?，多次撥道后最大累計撥道量為108 mm。根據TG/GW 102—2019《普通鐵路線路修理規則》［7］要求，在無縫線路上進行起撥道作業時，要根據軌溫情況調整單次起撥道量。

表4 多次撥道后各軌枕處軌道的累計撥道量

由模擬計算結果可知，單根軌枕撥道時影響范圍為7根軌枕距離。起撥道裝置使用時，需要注意其與車輪之間的距離。如果距離過小，起撥道裝置撥道后線路回彈，實際累計撥道量變小，從而影響清篩機作業適用范圍。為了減少車輪對于起撥道裝置實際作業效果的影響，起撥道裝置應設置在距離車輪至少7根軌枕遠的地方。起撥道裝置起道力的選取應根據軌排的質量進行計算。由于在橋上作業時不拆除護輪軌，需要將50 kg/m鋼軌的質量計算在內。為了避免使用1臺清篩機不足以解決篩前大撥道量和篩后回撥恢復線路的問題，可在合理位置布置2套起撥道裝置。

3 試驗驗證

3.1 試驗內容

①起撥道裝置撥道作業時，記錄不同撥道量下各軌枕位移變化量，計算撥道力的影響范圍；②測試不同起道量、撥道量時起道力、撥道力的變化量，探尋其間關系。

3.2 試驗方案

在一座普通混凝土低高度T形梁單線橋上采用DCL-32搗固車進行試驗。由于DCL-32搗固車起撥道裝置與搗固裝置設置在一起，需要在試驗時實時監控相關參數的變化。按照縱斷面測量值進行作業，橋上最大撥道量150 mm、最大起道量50 mm，試驗完畢后恢復線路原始設計線位。在起撥道油缸進出油管與閥體連接端加裝三通接頭，安裝壓力傳感器（見圖3），實時監測搗固車作業時起撥道油缸壓力的變化。

圖3 壓力傳感器布置

3.3 試驗結果與分析

1）撥道量影響范圍

搗固車起撥道作業時肉眼可見從第1～7根軌枕的橫向位移都有變化，作業完畢測量軌枕端部距固定測量點的距離，確定第1～7根軌枕橫向位移確實發生了變化。試驗結果與數值模擬結果吻合，證明了起撥道作業影響范圍為7根軌枕距離。

2）起道量與起道力的關系

搗固車從橋頭護輪軌起始位置開始走行作業，撥道量10 mm，起道量依次從10 mm加大到50 mm，連續監測并記錄左右起道油缸進油口壓力，根據《液壓與氣壓傳動》［8］中的相關公式計算出起道力，見表5?？梢姡弘S著起道量增大，左右起道油缸進油口壓力和起道力均逐漸增大。

表5 起道量與起道力測試記錄

3）撥道量與撥道力的關系

搗固車從125#軌枕開始起撥道作業，起道量為50 mm，撥道量依次由20 mm加大到200 mm，連續監測并記錄左右撥道油缸進回油口壓力，進而計算出撥道力，見表6。可見，隨著撥道量增大，撥道油缸壓力在進油口總體上增大，在回油口先減小后增大，撥道力逐漸增大。

表6 撥道量與撥道力測試記錄

4）起道力與撥道力的關系

搗固車在順坡回撥作業階段，起道量由60 mm逐漸減小到0，撥道量由180 mm逐漸減小到0，連續監測并記錄起撥道油缸進回油口壓力，進而計算出起道力和撥道力，見表7。可知，起道力隨起道量減小而明顯減小，撥道力隨撥道量減小而明顯增大，撥道力與起道力成反比。

表7 起道力與撥道力測試記錄

4 結論

本文以清篩機起撥道裝置為研究對象，通過數值模擬和現場試驗，得出以下結論：

1）撥道時起撥道裝置影響范圍為7根軌枕距離。

2）隨著起道量增加起道力呈增大趨勢；起道量從0增大到50 mm過程中起道力逐漸增大，最大值為209.95 kN，小于理論值250 kN，起道油缸參數設置滿足使用要求。

3）隨著撥道量增加撥道力呈增大趨勢；撥道量從0增大到200 mm過程中撥道力逐漸增大，最大值為70.71 kN，小于理論值150 kN，撥道油缸參數設置滿足使用要求。

4）起道力隨起道量減小而明顯減小，撥道力隨撥道量減小而明顯增大，撥道力與起道力成反比。

5）既有大型養路機械起撥道裝置的起撥道油缸參數滿足新型隧道橋梁清篩機使用要求，起撥道裝置的安裝位置直接影響撥道后線路的實際累計撥道量，進而影響隧道橋梁清篩機的作業適用范圍。

研究結果可為新型隧道橋梁清篩機的設計和施工提供參考。