無砟軌道打磨鐵屑清理系統設計

王凱旋， 劉旭東， 周勇漢， 徐照新， 董國慶

（1.中車山東機車車輛有限公司，濟南 250000；2.烏魯木齊城市軌道集團有限公司，烏魯木齊 830000）

0 引言

隨著經濟的快速發展，城市出現抱團發展趨勢，城市之間的客運壓力逐漸增加，因此修建了更多的高速鐵路和城際客專用于緩解交通壓力。繁重的運輸任務加劇了鐵軌的損傷，對鐵路的預防性和修復性打磨作業頻率也隨之增加。鋼軌打磨產生的鐵屑如果不及時清理或者清理不徹底，會對軌道車輛和線路設備產生不利影響。目前對于打磨鐵屑的清理，仍然采用人工來完成，人工清理不僅效率低下、清理效果不夠理想，而且還存在一定的人員安全隱患。如果能將電磁鐵用于打磨鐵屑的清理，不僅能夠降低作業人員的勞動強度，縮短作業時間，還消除了對于清理人員存在安全隱患的弊端。

1 打磨鐵屑形狀及清理方式研究

鋼軌打磨車在鋼軌打磨過程中，高速旋轉的砂輪與鋼軌軌頭接觸，并且以一定的速度延線路方向行駛。砂輪對鋼軌切削產生細小高溫碎鐵屑的直徑尺寸遠小于1 mm[1]。部分高溫鐵屑積結一起形成鐵屑板結物，通過對鐵屑板結物的現場采集，厚度尺寸主要集中在在3～5 mm之間，如圖1、圖2所示。

圖1 鋼軌打磨遺留鐵屑

圖2 鋼軌打磨遺留鐵屑分布

通過實際調研發現，目前工務段多采用人工方式清理鐵屑。當鋼軌打磨車回程打磨時，打磨車位于作業線路中間段停車，作業人員下車并分成兩組向兩個方向分別作業。作業人員分別兩人一組，攜帶鼓風機、汽油、滅火器等設備進行清理作業，如圖3所示。作業人員通過攜帶的鼓風機將散落在道床及扣件區域的鐵屑吹離至鋼軌兩側，如圖4所示。

圖3 作業人員攜帶設備

圖4 作業現場

采用人工清理打磨鐵屑存在著諸多弊端：清理作業時相鄰線路仍會有列車通過，對作業人員的人身安全產生威脅；人工清理作業效率比較低，并且作業效果無法得到保證。因此使用機械化設備代替人工清理不僅提高了作業效率，更能保證作業效果，降低人工成本。

2 鐵屑清理系統設計

本文設計掛載于軌道工程車的可以用于無砟軌道的鐵屑清理系統，不僅能夠吸附收集鐵屑，還能將被吸附的鐵屑移動到專門的鐵屑收集箱中進行存儲，到達指定位置后進行卸除。每輛軌道工程車可以掛載2個鐵屑清理系統用于清理作業，如圖5所示。

圖5 鐵屑清理系統作業示意圖

鐵屑清理系統主要包括鐵屑清理部件、吹風機構、鐵屑收集部件等部分，如圖6所示。圖6中連接部件1與車體底架焊接，與鐵屑清理系統之間通過螺栓連接；鐵屑清理部件2包括可循環往復運動的傳送帶，傳送帶的上下兩側面之間設置電磁產生機構；吹風機構3安裝于鐵屑清理部件的一側，以吹起無砟軌道處的鐵屑，由電磁產生機構將吹起的鐵屑吸附于傳送帶；安裝框架4用于支撐固定各部件；鐵屑收集部件5安裝于傳送帶相對于吹風機構的另一側，傳送帶由下至上帶動鐵屑運動，并送于鐵屑收集部件。圖7為系統內部構造圖，其中永磁滾軸1用于輔助吸附鐵屑；鐵屑收集箱5由滑軌與鐵屑收集箱組成。

圖6 鐵屑清理系統示意圖

圖7 內部構造圖

鐵屑清理系統工作原理：由吹風機構吹起無砟軌道鋼軌處的鐵屑，避免扣件區域鐵質零件對鐵屑清理的影響，保證鐵屑被吹起，然后再由鐵屑收集部件將鐵屑吸附于傳送帶的下表面，傳送帶在運動過程中，帶動鐵屑運動，并將收集的鐵屑送于鐵屑收集部件內完成收集，通過鐵屑收集部件可對鐵屑進行集中處理。

3 鐵屑在外加磁場中的受力分析

當打磨鐵屑位于外加磁場時，其首先會被磁化，因而具有磁化能和磁化力,磁化能計算公式為

以CRTSⅡ型板為例，軌頂距道床面距離為249 mm，下部限界距軌頂最小距離為60 mm，即電磁鐵距離鐵屑最小距離為309 mm[4]。目前應用于除鐵操作的直流電磁鐵所產生的磁場強度約為0.2 T。

根據畢奧-薩伐爾定律，空間中某處的磁場強度與其距離平方成反比，即電磁鐵所產生的磁場強度在道床處的磁感應強度為0.078 T，轉化為磁場強度則為6.24×104A/m。由圖8高碳鋼磁化曲線[5]可知，此時鐵屑的磁化強度已達到飽和。

圖8 高碳鋼磁化曲線圖

本應用中，打磨鐵屑所具有的磁化力主要是用來克服其本身重力，所以在分析打磨鐵屑狀態時，只需要考慮磁化力在豎直方向上的受力，即：

4 結語

本文設計出了一種以電磁鐵為主要部件的打磨鐵屑清理系統，依據限界標準計算出電磁鐵距打磨鐵屑之間的最小安全距離為309 mm，同時以常見除鐵器電磁鐵的磁感應強度0.2 T作為條件，對道床中的打磨鐵屑進行了受力分析，計算出了當前條件下的電磁鐵的初始加速度為4.75 m/s2，進而計算出電磁鐵作業時的最快允許速度為20 km/h，通過推導計算得出該鐵屑清理系統能夠完成打磨鐵屑的清理工作。