500m長鋼軌普通平車裝運縱向卸軌方案研究

(北京中鐵科客貨運輸技術有限公司 運輸技術研發中心，北京 100081)

1 500 m 長鋼軌裝運卸軌發展現狀分析

1.1 500 m 長鋼軌裝運方案

為滿足鐵路建設發展需要，長鋼軌運輸技術和長鋼軌運輸設備隨著鐵路發展不斷創新完善。目前，我國鐵路長鋼軌采用專用車裝運和普通平車裝運2種方式。在500 m 長鋼軌運輸方面，2005 年完成了T11BK 型運軌專用車(簡稱“T11 專用車”)的設計和試制工作，T11 專用車的最大特點是車組本身具備作業車，能夠進行縱向卸載新長鋼軌和回收舊長鋼軌作業[1]。T11 專用車為方便縱向卸軌使用的是單根緊固裝置，用螺栓和上下夾鐵將鋼軌夾緊，T11 專用車緊固裝置結構如圖1 所示。2008 年，通過借鑒100 m 長鋼軌普通平車裝運方案和T11 專用車的成功經驗，通過理論計算、座架設計、方案制定，科研院所提出500 m 長鋼軌普通平車裝運方案，同年試驗成功并投入應用。與T11 專用車相比，500 m 長鋼軌普通平車裝運方案利用普通平車運輸具有運輸成本低、生產周期短、專用裝載加固裝置拆裝靈活、車輛利用率高等優點。500 m 長鋼軌普通平車裝運方案中鋼軌的緊固方式為橫向整層緊固，這種緊固方式經過多年的應用被證明非常安全可靠，緊固裝置用6 根螺栓將同一層鋼軌捆綁為一個單元，卡在座架隔梁上。500 m 長鋼軌普通平車裝運方案緊固裝置如圖2 所示。

1.2 500 m 長鋼軌裝運橫向裝卸方案

圖1 T11 專用車緊固裝置結構Fig.1 Structure of fastening device for T11

圖2 500 m 長鋼軌普通平車裝運方案緊固裝置Fig.2 Fastening device for 500 m long rail transportation by ordinary flat car

目前，長鋼軌裝車一般是在全國16 個焊軌基地進行，各焊軌基地500 m 長鋼軌裝卸的方式基本相同，均采用龍門吊組成的排吊形式，龍門吊之間間隔15 m 左右，數量一般在30～ 36 個，龍門吊的結構形式和作業原理也基本相同。電動走行小車安裝在大梁上，在小車的底部安裝有電葫蘆，通過電葫蘆控制吊具起降。采用集控系統，在長鋼軌吊運過程中控制龍門吊同步起落、同步運行，防止吊運過程中長鋼軌發生扭曲變形。這種裝卸方式通常稱為“群吊橫向吊裝裝卸”，具有效率高，安全性好，對裝載加固裝置損傷極小等優點。500 m 長鋼軌生產完成后，選用T11 專用車或者500 m 長鋼軌普通平車裝運方案將500 m 長鋼軌裝載運輸至各建設項目的鋪軌基地，同樣用群吊將鋼軌卸載至存軌場。

1.3 500 m 長鋼軌縱向卸軌方案需求及影響因素分析

鐵路新線開始鋪軌時一般從鋪軌基地采用簡易的運軌支架進行二次裝運，將500 m 長鋼軌運輸到新建線路上，這種簡易支架運輸安全性較差，不適合長距離運輸長鋼軌，也不能通過既有線，影響既有線行車安全。由于現場卸軌位置不固定，卸軌條件也受限制，長鋼軌運輸到現場后需要縱向卸載并鋪設到新建線路上[2]。

雖然傳統卸軌方式應用良好，但隨著鐵路建設的不斷發展，施工工藝復雜性不斷提高，施工難度不斷加大，500 m 長鋼軌運輸方面除了傳統的運輸需求，還經常面對以下3 種特殊情況下的運輸需求。①無鋪軌基地施工。一般鋪軌基地占地面積至少6 km2左右，如果考慮到制梁、存放軌枕等就需要更大的面積，一些鐵路建設項目特別是大城市周邊項目很難找到合適的地點用作鋪軌基地，因而需要制定無鋪軌基地的施工工藝，500 m 長鋼軌無法進行二次裝運，必須從焊軌基地一次運輸到新建線路上。②鋪軌基地位置問題。雖然建設了鋪軌基地，但因占地面積等原因，地理位置不是十分理想，從鋪軌基地運輸500 m長鋼軌需要經過一段既有線，從鋪軌基地二次裝運500 m 長鋼軌不能使用簡易支架。③施工工期的影響。為節省時間，提高效率，建設單位希望能夠避免二次裝運500 m 長鋼軌，直接將500 m 長鋼軌從焊軌基地運到新建線路上。以上3 種特殊情況都需要經過既有線運輸500 m 長鋼軌并且需要縱向卸載長鋼軌，目前只能使用T11 專用車，因T11 專用車成本較高，數量較少，均配屬給各鐵路局集團公司用于鐵路大修換軌，任務非常繁忙，很少有空閑能夠滿足新線建設運軌需求，新線建設運軌絕大多數采用500 m 長鋼軌普通平車裝運方案。

因此，建設單位對采用500 m 長鋼軌普通平車裝運方案進行縱向卸軌的需求非常迫切，而采用500 m長鋼軌普通平車裝運方案直接進行縱向卸軌存在著整層緊固局限性、卸軌阻力過大、滾輪磨損嚴重等問題。

2 500 m 長鋼軌普通平車裝運縱向卸軌解決方案

500 m 長鋼軌普通平車裝運方案設計理念以簡易、經濟、安全為核心，實踐也證明了其運用效果符合設計理念。但是，由于長鋼軌運輸安全的特殊性，不能輕易改變方案中任何結構，也不能輕易增加任何設備，使得增加縱向卸軌功能的研究非常困難。針對500 m 長鋼軌普通平車裝運方案直接縱向卸軌存在的整層緊固局限性、卸軌阻力過大、滾輪磨損嚴重等問題，提出相應解決方案。

（1）安裝單根緊固裝置。500 m 長鋼軌列車經過既有線運輸，到達卸軌現場后，首先卸掉第4 層2個緊固裝置，這樣整個第4 層鋼軌縱向緊固全部解除。由于卸掉2 根鋼軌后，還需要繼續運行一段距離后再進行卸軌作業，但缺少2 根鋼軌會導致整層緊固裝置失效。在沒有緊固措施的情況下，該層剩余鋼軌容易發生竄動，不能保證行車安全[3]。因此，要解決縱向卸軌問題，首先需要解決卸掉部分鋼軌后其他鋼軌的縱向緊固問題，也就是必須把鋼軌分別緊固互不干涉，這種裝置被稱為單根緊固裝置。單根緊固裝置必須有鎖定座架進行配合，因而采用現有座架加裝單根緊固裝置。由于座架最上面一層沒有隔梁，因而需要在座架上安裝一個單根緊固隔梁，受現場條件限制，為降低操作難度將單根緊固隔梁分為2 段。單根緊固裝置的形式及緊固方式多種多樣，最常見的單根緊固裝置是T11 專用車的緊固裝置，500 m 長鋼軌普通平車裝運方案中相鄰鋼軌間沒有足夠的空間安裝螺栓，因而這種方案無法直接采用。受卸軌現場條件的限制，單根緊固裝置不僅要安全可靠，又要輕便易操作，經過多次優化試驗最終采用鋼軌軌頭上方安裝鎖軌卡子的方式，卡子分為2 半，用螺栓連接到一起，在鋼軌上表面和卡子之間塞入斜鐵，使鋼軌與卡子之間卡緊。單根緊固裝置如圖3 所示。

（2）安裝卸軌輔助滾輪。500 m 長鋼軌普通平車裝運方案中使用72 個座架運輸長鋼軌，每個座架上有50 個滾輪分別支撐50 根鋼軌，為了保證長鋼軌運輸的安全性，座架滾輪采用滑動摩擦軸承，滑動摩擦系數μ為0.17，摩擦系數較大[4]。鋼軌縱向卸載需要用卷揚機把鋼軌拉出，再利用鋪軌機將鋼軌鋪設到軌枕上。一根鋼軌質量m為30 t，現場采用的卷揚機功率P=136 kW，最大牽引力Fmax=60 kN，則鋼軌在平直線路上卸軌阻力N=mgμ=30×9.8×0.17=49.98 kN，牽引力富余量δ=(Fmax-N)/Fmax=16.7%。在水平直線上卷揚機牽引力富余量已經不足20%，如果在曲線上坡路段，很難保證卷揚機牽引力順利卸下鋼軌。此外，鋼軌裝載完成后，鋼軌之間縫隙較小，由于緊固裝置的作用，鋼軌在緊固裝置處軌底側邊是貼合在一起的，個別鋼軌有可能是相互堆疊的狀態，這也增加了縱向卸軌的阻力。此外，由于間隔不規律，個別鋼軌壓在2 個滾輪之間，導致縱向卸軌的時候不僅阻力增加，滾輪磨損非常嚴重，卸軌完成后，座架的維修工作量非常大，也影響座架的使用壽命及長鋼軌運輸安全[5-6]。

圖3 單根緊固裝置Fig.3 Single fastening device

為妥善解決鋼軌縱向卸載牽引力不足問題及滾輪磨損嚴重的問題，在卸軌現場增加卸軌輔助滾輪來輔助進行卸軌作業，使待卸鋼軌與座架及其他鋼軌進行分離。具體操作步驟如下：在座架隔梁的一側用千斤頂頂起待卸鋼軌，在頂起一定高度后，在座架隔梁的另一側墊上卸軌輔助滾輪，滾輪內部采用滾動軸承，摩擦系數為0.001 8～ 0.002 8[7]，大幅度降低了縱向卸軌的阻力，滾輪邊緣凸起，防止鋼軌橫向移動，每根鋼軌用72 個(對稱卸載2 根鋼軌共144 個)卸軌輔助滾輪把鋼軌墊起后，再進行縱向卸軌作業，這樣即可將鋼軌順暢卸下，用鋪軌機配合將鋼軌直接鋪設在新建線路上。加裝卸軌輔助滾輪如圖4 所示。

圖4 加裝卸軌輔助滾輪Fig.4 Added trolley wheel with rolling bearing

對卸軌輔助滾輪強度進行校核計算，根據滾輪承載位置計算滾輪承載鋼軌的重量，滾輪承載計算結果如表1 所示。由表1 可以看出，兩端第3 個滾輪徑向載荷P最大為4.6 kN。

選用圓錐滾子軸承32916 型，主要參數：直徑d=80 mm，Cr=79.2 kN，C0r=128 kN，壽命Lh=500 h，卸軌速度v=0.6 km/h，壽命因數fh=1，力矩載荷因數fm=1.5，速度因數fn=1.043，沖擊載荷因素fd=1.5，溫度因數fT=1，安全因數S0=2，P0=P=4.6 kN[7-8]。基本額定動載荷C=fhfmfdP/fnfT=9.92 kN，基本額定靜載荷C0=S0P0=9.2 kN，經計算得出C＜Cr，C0＜C0r，選用軸承能夠滿足要求。

卸載完對稱的2 根鋼軌并將其鋪設到線路上后，長鋼軌列車沿著這2 根鋼軌繼續向前運行500 m 后，拆除待卸鋼軌上的卡子，繼續卸載長鋼軌，卸軌完成鋪設到線路上后，長鋼軌列車繼續向前運行卸軌，由外側至內側依次對稱卸載鋼軌，卸鋼軌時先拆除鋼軌上面的卡子與斜鐵。第4 層鋼軌卸載完畢后，卸載第3 層鋼軌。跟第4 層一樣，拆除第3 層2 個緊固裝置，第1、第2、第3 層鋼軌可利用座架自帶的隔梁鎖定鋼軌，不需要再加裝隔梁，直接安裝卡子和斜鐵。第3 層卸載完成后卸載第2 層和第1 層，操作步驟與第3 層相同，直至50 根鋼軌全部卸載完成。

500 m 長鋼軌普通平車裝運縱向卸軌方案的主要特點：①不改變500 m 長鋼軌普通平車裝運方案，所有加裝設備都在卸軌現場進行，不會對長鋼軌運輸安全造成影響；②充分考慮到現場施工條件，加裝設備單件質量不超過40 kg，不需要起重設備輔助；③單根鎖定座架直接利用現有座架，避免了安裝單根鎖定座架給長鋼軌運輸造成安全隱患；④單根鎖定裝置結構簡單，方便操作，鎖定可靠；⑤利用卸軌輔助滾輪使座架與待卸鋼軌分離，避免了卸軌給座架造成的損傷。

3 結束語

500 m 長鋼軌是目前鐵路運輸的最長貨物，其運輸安全是鐵路運輸的重中之重。基于不改變裝載加固方案和不影響裝載加固裝置使用壽命的大原則下，提出500 m 長鋼軌普通平車裝運縱向卸軌解決方案，保證了長鋼軌運輸安全。該方案在陽安鐵路(陽平關—安康)和牡佳鐵路(牡丹江—佳木斯)應用效果良好，解決了采用500 m 長鋼軌普通平車裝運方案跨既有線運輸500 m 長鋼軌縱向卸軌的難題，方案理論與實際相符，單根緊固裝置安裝簡單，緊固鋼軌效果良好，卸軌輔助滾輪能夠有效地降低卸軌阻力，卸軌作業完成后，座架狀態良好，最大限度降低縱向卸軌對座架的損傷，避免了座架維修造成的經濟損失，大幅度減少了座架返回后的維修整備時間，節省了長鋼軌運輸成本，提高了鋪軌效率。

表1 滾輪承載計算結果Tab.1 Roller bearing calculation table