一種排水溝挖掘裝置的研制

宋曉陽 高春雷 何國華

（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）

有砟軌道清篩作業主要依靠道砟清篩機完成。我國鐵路橋梁在兩片梁之間設有防水蓋板，此蓋板即為清篩機挖掘導槽最低面，從橋梁排水溝底部至防水蓋板之間的垂直距離即為清篩機無法清理的道砟厚度。目前橋梁排水溝挖掘主要依靠人工作業，施工環境和挖掘效果差，安全保障困難［1-2］。為此，本文針對SQS300 橋隧清篩機，通過理論計算、方案設計確定挖掘裝置相關參數與結構形式，并通過現場試驗驗證其作業效果。

1 排水溝挖掘裝置總體設計

1.1 排水溝挖掘裝置結構設計

該裝置由挖掘輪、鏈輪傳動裝置、馬達、橫移機構、超高調整油缸、電氣控制盒等組成，如圖1 所示。挖掘輪有6 個扒齒，挖掘輪與馬達安裝于鏈輪傳動裝置上，馬達通過鏈輪傳動裝置驅動挖掘輪旋轉。

鏈輪傳動裝置上端鉸接于橫移機構下端，通過提升油缸與擺動油缸連接，可實現挖掘裝置90°旋轉。

橫移機構通過橫移油缸可以在收車位至工作位之間任意位置移動。超高調整油缸上端連接車架，下端連接橫移機構，可以在不同超高工況下挖掘。

圖1 排水溝挖掘裝置組成示意

電氣控制盒（圖2）上設有超高指示燈，可顯示雙側裝置超高狀態。提升油缸設有浮動位開關，可使裝置依靠自重挖掘。超高調整油缸設有自動調平開關，可通過調平傳感器自動調平。

圖2 電氣控制盒

1.2 挖掘裝置驅動功率計算

排水溝挖掘裝置扒松道砟需要克服的挖掘阻力W包括切削道砟阻力W1，枕底段道砟與道砟間的摩擦阻力W2、枕底段道砟與挖掘輪扒齒間的滑動摩擦阻力W3。3個阻力的單位均為N。

W1的計算公式為

式中：Kc為道砟的挖掘阻力系數，一般道床取0.29～0.39 N/mm2，翻漿冒泥道床取0.59～0.69 N/mm2，板結嚴重道床取0.69～0.88 N/mm2；A為扒齒運動方向扒松的道砟面積，mm2；h為每個扒齒扒松的道砟高度，mm；S為每個扒齒切入深度，mm；Z1為在枕底段同時工作的扒齒數。

計算可得W1=6 292.8 N。

W2的計算公式為

式中：G為扒齒間道砟重量，以充滿2 個扒齒間的空間計；μ1為道砟與道砟間的摩擦因數。

計算可得W2=94.78 N。

W3的計算公式為

式中：μ2為道砟與鋼材之間的摩擦因數，對于碎石道砟一般取0.5［3］；β為扒齒面與垂直方向的夾角，取36°［4］。

計算可得W3=2.3 N。

挖掘驅動力Pw需要克服W，即Pw＞W。驅動功率Nw的計算公式為

式中：Vw為挖掘輪線速度，取2.4 m/s；η為機械傳動效率，一般為0.86～0.92［5］，本文取0.90。

計算可得Nw=17.04 kW。

1.3 挖掘裝置相關部件選型

排水溝挖掘裝置的橫移機構采用Q345 鋼板拼焊而成，鏈輪傳動裝置與挖掘輪由鑄鋼鑄造成型。下面對馬達與油缸進行選型計算。

1）馬達選型

由式（4）可知排水溝挖掘裝置所需的驅動功率Nw為17.04 kW，據此選取350 馬達：排量350 mL/r，額定壓力27.5 MPa，額定轉速660 r/min。排水溝挖掘裝置所需克服的阻力為6.4 kN，挖掘輪直徑取800 mm，則挖掘輪輸入扭矩為2 560 N·m。SQS300橋隧清篩機液壓系統提供的油壓為25 MPa，流量為120 L/min，此時馬達扭矩為1 300 N·m，鏈輪傳動裝置轉速比為1∶2，則馬達經鏈輪傳動裝置提供給挖掘輪的扭矩為2 600 N·m，大于挖掘輪輸入扭矩2 560 N·m，滿足要求。

2）油缸選型

橫移機構實測阻力為26 700 N，橫移行程為415 mm。橫移油缸選取63/32-450 油缸，額定壓力為16 MPa，最大推力為49 880 N，最大拉力為37 010 N。

鏈輪傳動裝置通過提升油缸、擺動油缸繞固定軸旋轉，滿足排水溝挖掘裝置工作、收車要求。實測提升阻力約32 540 N，提升行程為185 mm，提升油缸、擺動油缸均選取63/32-200 型油缸。排水溝挖掘裝置與車架為兩點支撐，其中一點為轉軸，另一點為超高調整油缸。實測超高調整油缸阻力為46 820 N，超高行程為150 mm。超高調整油缸選取80/40-120雙油缸。

2 排水溝挖掘裝置工作原理

排水溝挖掘裝置采用液壓驅動，依靠換向閥、溢流閥、平衡閥、電磁閥等實現裝置的各種動作。挖掘過程中須進行浮動與保壓控制、超高調平控制以及雙側馬達控制等。

2.1 浮動與保壓控制

排水溝挖掘裝置擺動油缸、超高調整油缸均設有平衡閥，以實現靜止狀態保壓功能。

該裝置處于工作位時，若提升油缸保持恒壓則該裝置遇到道床板結嚴重時容易卡滯，甚至將清篩機頂起側翻，因此采用提升油缸浮動的方式通過挖掘輪扒松道砟。提升油缸浮動與保壓原理如圖3 所示。DT1—DT4為電磁鐵。

圖3 提升油缸浮動與保壓原理

排水溝挖掘裝置工作時提升油缸的浮動功能通過電磁換向閥得電使提升油缸進出油口接通來實現。

排水溝挖掘裝置處于收車位時提升油缸將鏈輪傳動裝置收起，由于電磁換向閥的內泄使得提升油缸在鏈輪傳動裝置自重作用下緩慢下降，難以保壓。由于球閥有極好的密封性能，因此在提升油缸有桿腔側加裝常閉式二位二通電磁球閥，其在排水溝挖掘裝置工作時得電、收車時失電，實現提升油缸的保壓功能。

2.2 超高調平控制

由于鐵路線路存在超高，因而須設置超高調整油缸確保在超高工況下正常工作。超高調平控制系統由2 個超高調整油缸和1 個調平傳感器組成，如圖4所示。

圖4 調平傳感器與超高調整油缸

在挖掘裝置橫移機構上安裝調平傳感器，通過電氣控制可實現任意超高狀態下油缸自動調平。

超高調平時間與油缸速度相關，同時受調平傳感器靈敏度影響，因此在調平傳感器可識別范圍內提高油缸速度可以縮短超高調平時間。

2.3 雙側馬達控制

SQS300 橋隧清篩機左右兩側排水溝挖掘裝置馬達由一臺泵控制，采用同步馬達實現分流，避免雙側挖掘裝置同時工作時載荷不均造成馬達流量分配不均。雙側馬達控制原理如圖5所示。

圖5 雙側馬達控制原理

僅有左側馬達工作時，電磁換向閥1和電磁球閥1得電，電磁換向閥2、電磁球閥2和3失電；僅有右側馬達工作時，電磁換向閥2 和電磁球閥2 得電，電磁換向閥1、電磁球閥1和3失電。

僅單側馬達工作時電磁球閥3 失電，此時電氣控制盒發出電信號使得泵輸出流量減半，同步馬達輸出的兩路油液合流；雙側馬達同時工作時電磁換向閥1，2與電磁球閥1，2，3同時得電，電氣控制盒發出電信號使得泵滿流量輸出，此時同步馬達輸出的兩路油液分別驅動左右兩側馬達工作。

泵的排量由電比例閥控制，電氣控制盒給定電流在330～820 mA 變化時泵的排量在0～350 cm3呈線性變化。

3 排水溝挖掘裝置現場試驗

3.1 站場試驗

在成都工務大機段站場內做了排水溝挖掘裝置超高調平時間試驗、馬達轉速試驗。

1）超高調平時間試驗

將超高調整油缸分別上升或下降至極限位置，然后按下自動調平按鈕，記錄下相應的超高調平時間與油缸速度，見表1。

表1 超高調平時間試驗結果

由表1可見：當超高調整油缸速度較快時（速度大于7 mm/s），調平傳感器難以檢測到平衡位置，調低油缸速度至低于5.5 mm/s 時，油缸可以自動調平，但速度降低時超高調平時間延長，因此超高調整油缸速度確定為5.5 mm/s。

2）馬達轉速試驗

分別啟動雙側馬達，通過電氣控制盒給電比例閥輸入不同電流，記錄馬達轉速，結果見表2。當給定電流在330～820 mA 變化時，理論上馬達轉速應在0～120 r/min呈線性變化。

表2 馬達轉速試驗結果

由表2 可見：僅單側馬達工作時電氣控制盒發出電信號使泵輸出流量減半；雙側馬達同時工作時電氣控制盒發出電信號使泵滿流量輸出，且馬達轉速隨給定電流基本呈線性變化。

3.2 現場試驗

將SQS300 橋隧清篩機置于成昆線攀枝花站至迤資站區間的一座鐵路橋梁上進行試驗。2套挖掘裝置同時工作（圖6），挖掘馬達轉速調至80 r/min，提升油缸調節至浮動位，開始挖掘。

圖6 排水溝挖掘裝置現場試驗

排水溝挖掘裝置在清篩機挖掘之后，新砟回填之前挖掘，作業過程順暢，可挖松排水溝區域道砟。之后再由人工輔助疏通排水孔。

4 結論

排水溝挖掘裝置固定在SQS300 橋隧清篩機車架底部，通過橫移、提升及擺動油缸將裝置收起與放置在不同工作位。提升油缸設有浮動位開關可使裝置依靠自重挖掘，避免道床板結嚴重時出現卡滯，而且超高調整油缸可自動調平以適應軌道不同超高工況。采用單泵驅動雙側馬達，采用同步馬達控制排水溝挖掘裝置雙側馬達流量分配均勻。經現場試驗，該裝置可以將橋梁兩側排水溝區域道砟挖松，恢復道床排水性能。