基于鐵路廢舊鋼軌頂升平移自動(dòng)化裝置的設(shè)計(jì)

郝 旭

（中鐵物總資源科技有限公司，安徽 合肥 230601）

0 引言

鋼軌是列車安全行駛的重要組成部分，列車在軌道上行駛，輪軌之間的摩擦?xí)逛撥壉砻娌牧涎乜v向發(fā)生塑性變形，輪軌之間的循環(huán)接觸會(huì)使鋼軌表面產(chǎn)生疲勞層，促使列車運(yùn)行噪聲加劇，嚴(yán)重影響運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性。鐵路上將磨損、銹蝕、損傷嚴(yán)重的鋼軌進(jìn)行淘汰，這些鋼軌統(tǒng)稱為廢舊鋼軌。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到14.63 萬(wàn)公里，部分鐵路物資已達(dá)報(bào)廢年限關(guān)鍵時(shí)點(diǎn)，全路每年大約有120 萬(wàn)噸鋼軌報(bào)廢處理。鐵路廢舊鋼軌循環(huán)利用不但利于節(jié)約資源，而且可以減少環(huán)境污染，變廢為寶，提高廢舊資源綜合利用率[1]。

在鐵路報(bào)廢的物資中，存在大量的廢舊鋼軌需要專業(yè)廢舊鋼軌檢測(cè)修復(fù)生產(chǎn)線集中處置，其中廢舊鋼軌頂升平移機(jī)構(gòu)是整個(gè)廢舊鋼軌檢測(cè)修復(fù)生產(chǎn)線的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)廢舊鋼軌在線檢測(cè)修復(fù)智能化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。目前，鐵路領(lǐng)域廢舊鋼軌尚未開展分級(jí)、降級(jí)使用的研究，處置方式簡(jiǎn)單粗放，不能充分挖掘其潛在價(jià)值，資源利用效率較低。因此，解決廢舊鋼軌給鐵路環(huán)境帶來(lái)資源利用效率較低的問(wèn)題，對(duì)促進(jìn)鐵路報(bào)廢物資循環(huán)利用發(fā)展具有重要意義。

1 自動(dòng)化裝置方案設(shè)計(jì)

1.1 廢舊鋼軌性能參數(shù)及設(shè)計(jì)思路

隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，原有鐵路線路升級(jí)改造導(dǎo)致鋼軌的性能需要提升，鐵路線路上出現(xiàn)大量不滿足使用條件的鋼軌。以下是廢舊鋼軌范圍：

（1）經(jīng)國(guó)鐵集團(tuán)相關(guān)部門批準(zhǔn)淘汰的鋼軌；

（2）側(cè)面損耗超過(guò)鐵路二級(jí)規(guī)定且不能調(diào)邊使用的鋼軌；

（3）單根截取部分損壞不足8 m，并且不能通過(guò)焊接方式用作短軌處理的鋼軌；

（4）由于鋼軌承受機(jī)車壓力、摩擦和沖擊載荷，存在嚴(yán)重銹蝕或內(nèi)部有暗傷，達(dá)到重傷標(biāo)準(zhǔn)的鋼軌。市場(chǎng)上主流的幾種廢舊鋼軌規(guī)格有：75 kg/m、60 kg/m、50 kg/m、43 kg/m、38 kg/m 等5 種類型。待測(cè)廢舊鋼軌長(zhǎng)度類型主要有兩種，分別是12.5 m 和25 m，單根廢舊鋼軌的最大重量約2T 左右，鐵路上廢舊鋼軌常用參數(shù)見表1。

表1 廢舊鋼軌常用參數(shù)

廢舊鋼軌需要進(jìn)行超聲波檢測(cè)及外觀輪廓修復(fù)，根據(jù)廢舊鋼軌檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，該自動(dòng)化裝置設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)廢舊鋼軌分揀，廢舊鋼軌在自動(dòng)化生產(chǎn)線上上線、下線、過(guò)跨平移、分揀及緩沖等功能均是通過(guò)頂升平移機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，廢舊鋼軌經(jīng)過(guò)檢測(cè)后，通過(guò)輥道線輸送至分揀區(qū)域，合格的鋼軌通過(guò)頂升平移機(jī)構(gòu)進(jìn)入鋼軌修復(fù)區(qū)域，不合格鋼軌通過(guò)輥道線進(jìn)入鋼軌切割區(qū)域。

1.2 自動(dòng)化裝置的總體組成

該自動(dòng)化裝置實(shí)現(xiàn)了廢舊鋼軌檢測(cè)、分揀、頂升、過(guò)跨平移、輸送線輥道等功能。其主要由頂升平移機(jī)構(gòu)控制單元、頂升平移機(jī)構(gòu)、軋輥輸送線3 部分組成。其中，頂升平移機(jī)構(gòu)控制單元由集成控制單元、位置傳感器、兩組光電開關(guān)、頂升平移電機(jī)、頂升氣缸、傳動(dòng)電機(jī)組成。頂升平移機(jī)構(gòu)由平移板鏈、頂升機(jī)構(gòu)、萬(wàn)向聯(lián)軸器、頂升平移板鏈傳動(dòng)軸組成。軋輥輸送線由修復(fù)合格廢舊鋼軌、軋輥輸送線底架、托輥組成，頂升平移板鏈傳動(dòng)軸等部件組成。廢舊鋼軌通過(guò)自動(dòng)化裝置的輸送，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省人工，生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，操作過(guò)程方便、快捷。如圖1、圖2 所示。

圖1 頂升平移機(jī)構(gòu)俯視簡(jiǎn)圖

圖2 頂升平移機(jī)構(gòu)主視簡(jiǎn)圖

1.3 頂升平移機(jī)構(gòu)控制單元

該頂升平移機(jī)構(gòu)將集中控制單元、兩組光電開關(guān)、兩組頂升氣缸、頂升平移電機(jī)、傳動(dòng)電機(jī)進(jìn)行集成控制，通過(guò)光電開關(guān)采集頂升平移機(jī)構(gòu)的各個(gè)位置信息，如圖1、圖2 所示。當(dāng)接通電源以后，可編程控制器將接收到光電開關(guān)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，然后將信號(hào)傳輸至執(zhí)行單元。PLC 是一種可編程邏輯控制器，能夠以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，按照實(shí)際需求來(lái)開展編程與儲(chǔ)存操作，進(jìn)而充分發(fā)揮相應(yīng)的功能[2]。生產(chǎn)線上輸送的廢舊鋼軌經(jīng)超聲波探傷檢測(cè)后，滿足修復(fù)要求的廢舊鋼軌到達(dá)頂升平移機(jī)構(gòu)時(shí)，觸發(fā)光電開關(guān)，PLC 接收到光電開關(guān)的反饋信號(hào)，同步控制頂升氣缸、頂升平移電機(jī)、傳動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)頂升、過(guò)跨平移、輸送自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程安全可靠、高效（圖3）。因此，頂升平移機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)控制，它是跟生產(chǎn)線的其他設(shè)備聯(lián)合PLC 進(jìn)行控制的[3]。

圖3 頂升平移機(jī)構(gòu)控制原理示意圖

2 自動(dòng)化裝置的工藝方法設(shè)計(jì)

頂升平移機(jī)構(gòu)工藝的設(shè)計(jì)思路：在廢舊鋼軌上線完成檢測(cè)后，將廢舊鋼軌通過(guò)輸送線送至分揀區(qū)域，滿足修復(fù)要求的合格廢舊鋼軌在修復(fù)區(qū)域經(jīng)過(guò)頂升、過(guò)跨平移、頂升步驟完成分揀，在分揀區(qū)域中，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別不合格的廢舊鋼軌，并在切割區(qū)域完成處理進(jìn)入下道工序，經(jīng)檢測(cè)合格的廢舊鋼軌通過(guò)輸送線送至下道工序，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)廢舊鋼軌高效、安全分揀（圖4）。具體的流程如下：

圖4 頂升平移機(jī)構(gòu)工藝流程

（1）將已經(jīng)完成采集數(shù)據(jù)鋼軌通過(guò)軋輥輸送線輸送至分揀區(qū)域，檢驗(yàn)合格的鋼軌通過(guò)位置傳感器反饋給集中控制單元，集中控制單元控制光電開關(guān)使單側(cè)氣缸同步頂升至鋼軌下接觸面，光電開關(guān)將信號(hào)反饋給控制單元，控制頂升平移電機(jī)帶動(dòng)頂升平移板鏈傳動(dòng)軸，使單側(cè)頂升板鏈同步平移。

（2）當(dāng)鋼軌通過(guò)頂升板鏈平移至平移板鏈上后，帶動(dòng)鋼軌向另一側(cè)平移，移至該側(cè)頂升平移板鏈接觸后，光電開關(guān)將信號(hào)反饋至控制單元，控制單元控制該側(cè)頂升平移板鏈氣缸同步頂升至鋼軌下接觸面，光電開關(guān)將信號(hào)反饋控制單元，控制頂升平移電機(jī)帶動(dòng)頂升平移板鏈傳動(dòng)軸，使該側(cè)頂升板鏈同步平移。

（3）頂升平移板鏈同步將鋼軌移至軋輥線上后，光電開關(guān)將信號(hào)反饋至控制單元，控制單元控制傳動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)合格廢舊鋼軌通過(guò)軋輥輸送線送至下道工序。

3 自動(dòng)化裝置的部件設(shè)計(jì)

頂升平移機(jī)構(gòu)是鋼軌檢測(cè)修復(fù)輥道線的核心部件，安裝實(shí)物如圖5 所示。以廢舊鋼軌分揀功能的頂升平移機(jī)構(gòu)為例，該裝置設(shè)計(jì)的核心是平移電機(jī)選型、頂升氣缸選型，具體如下。

圖5 頂升平移機(jī)構(gòu)裝置實(shí)物

3.1 平移電機(jī)選型

根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍要求，廢舊鋼軌檢測(cè)修復(fù)生產(chǎn)線平移板鏈傳輸速度取值0.05 m/s，廢舊鋼軌按照規(guī)格最大75 kg/m，長(zhǎng)25 m，主滾輪直徑160 mm。電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)有轉(zhuǎn)矩、功率、輸出轉(zhuǎn)速，根據(jù)生產(chǎn)線的要求和特征，計(jì)算上述參數(shù)，從而確定電動(dòng)機(jī)型號(hào)。

式中，n工作為鏈輪轉(zhuǎn)速，r/min；V為平移板鏈傳輸速度，m/s；D為主滾輪直徑，mm；n為應(yīng)選用電動(dòng)機(jī)滿載轉(zhuǎn)速的計(jì)算值，r/min；P實(shí)實(shí)際電動(dòng)機(jī)功率，kW；i總為總傳動(dòng)比，取25。

根據(jù)技術(shù)方案中相關(guān)參數(shù)，通過(guò)公式可得鏈輪轉(zhuǎn)速n工作=（1000 × 600V）/（πD）=（1000 × 6000.05）/（3.14 × 160）= 60 r/min，n= 60 × 25 = 1500 r/min。

根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率、輸出轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果，根據(jù)GB/T12497-2006 選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)。

3.2 頂升氣缸選型

頂升機(jī)構(gòu)的頂升過(guò)程主要由單組5 個(gè)頂升氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，氣源壓力0.4 MPa，根據(jù)生產(chǎn)線實(shí)際要求和特征，確定氣缸型號(hào)。

（1）輸出力計(jì)算。公式如下：

4 結(jié)語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的頂升平移自動(dòng)化裝置從技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用實(shí)踐等方面出發(fā)，系統(tǒng)性解決了廢舊鋼軌分級(jí)、降級(jí)使用、處置粗放、在線檢測(cè)等資源利用效率較低的難題，對(duì)提高生產(chǎn)效率、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、減少安全隱患等方面也有較好的促進(jìn)作用，為整個(gè)廢舊鋼軌檢測(cè)修復(fù)生產(chǎn)線的應(yīng)用做了一些基礎(chǔ)工作，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。