鐵路軌枕螺栓智能噴油防腐小車的研究與應(yīng)用＊

任志強(qiáng)，黃聰龍

（1.中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，廣東 廣州 510080；2.廣東鐵路有限公司肇慶工務(wù)段，廣東 肇慶 526000）

鐵路軌枕螺栓是鐵路軌道扣件的重要組成部分之一，由于長期暴露在大氣中，經(jīng)受風(fēng)吹雨淋、霜凍雪埋等循環(huán)性氣候變化，容易氧化銹蝕。螺栓銹蝕輕則使螺栓銹死，影響軌距調(diào)整和軌道水平找正等養(yǎng)路作業(yè)；重則使螺栓根部腐蝕折斷，影響行車安全。因此，為了保證運(yùn)輸安全，應(yīng)根據(jù)軌枕螺栓銹蝕的變化規(guī)律，有計劃地對軌枕螺栓進(jìn)行防銹蝕處理[1]。隨著高速鐵路的發(fā)展，對線路的要求也不斷提高，因此在現(xiàn)代鐵路的建設(shè)和維修中，需大量地使用自動化程度很高的機(jī)械設(shè)備，如鋪軌機(jī)、搗固機(jī)、清篩機(jī)、鋼軌打磨機(jī)、道床整形機(jī)等。但是在一些非主要維修作業(yè)中，還沒有可使用的養(yǎng)護(hù)機(jī)工具，如針對目前的軌枕螺栓防腐的2 種作業(yè)方式：①人工卸掉螺母，上油后再緊固處理達(dá)到防腐效果；②作業(yè)人員手提油桶，在各個螺栓上涂油防腐。這2 種人工作業(yè)方式工作效率低、勞動強(qiáng)度大，且浪費(fèi)了大量的工時費(fèi)用。為解決這一難題，急需研究一種小巧的自動化機(jī)電設(shè)備應(yīng)用在軌枕螺栓的防腐作業(yè)中。本項(xiàng)目旨在研究一種總重輕、上下軌道便捷、能自動行駛的智能小車，小車具備載運(yùn)噴涂油料和備用油料，智能感應(yīng)螺栓位置并對其位置精準(zhǔn)噴涂防腐油脂的長時間持續(xù)作業(yè)功能。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由3 部分組成，即牽引車、噴涂車和智能噴涂裝置。

1.1 牽引車

車架采用20 mm×40 mm×1.2 mm 和20 mm×20 mm×1.2 mm這2種規(guī)格尺寸的輕質(zhì)材料焊接而成，可最大程度減輕小車質(zhì)量，同時采用精巧結(jié)構(gòu)設(shè)計使小車具備良好的鋼度和強(qiáng)度。

軌道輪踏面直徑為200 mm，材質(zhì)選用高分子聚乙烯，輪緣部位安裝有鐵質(zhì)輪緣，可減輕輪緣內(nèi)側(cè)與鋼軌的摩擦，提高軌道輪的使用壽命。

電動后橋?yàn)樾≤嚨淖咝胁糠郑妱訖C(jī)、減速器和剎車系統(tǒng)。可以根據(jù)作業(yè)工況，實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，隨停隨走。

牽引車自身質(zhì)量65 kg，可載運(yùn)12 桶油料，每桶油料質(zhì)量為20 kg，用于補(bǔ)充作業(yè)用油。軌道螺栓長效防腐油料是鐵路軌枕螺栓的專用防腐產(chǎn)品，具有良好的防腐性、防銹抗水沖淋性、熱附著性、低揮發(fā)性、抗鹽霧性及耐寒密封性，并兼有良好的潤滑性和特定的抗微動磨損性和耐酸、堿性。牽引車如圖1 所示。

圖1 牽引車

1.2 噴涂車

噴涂車車架材料與牽引車相同，自身質(zhì)量65 kg，可載運(yùn)8 桶油料，每桶油料質(zhì)量為20 kg，作為噴涂中所需要用的油料。噴涂車如圖2 所示。

圖2 噴涂車

1.3 智能噴涂裝置

本智能噴涂裝置采用微電腦芯片控制技術(shù)，整個噴涂裝置分為儲料單元、輸油單元、控制單元和供電電源4 大部分。儲料單元的功能是存儲涂覆作業(yè)所需的軌道螺栓長效防腐脂，輸油單元的功能是通過直流電機(jī)驅(qū)動液壓齒輪泵進(jìn)行輸油作業(yè)，控制單元的功能是對整個涂覆裝置的作業(yè)過程進(jìn)行控制，供電電源的功能是對涂覆裝置進(jìn)行供電。涂覆裝置一般在戶外使用，而且使用過程中均處于移動狀態(tài)，在滿足供電容量需求的情況下要保證供電裝置的便攜性和輕便性，因此采用鋰電池作為涂覆裝置的供電電源。本噴涂裝置選用的傳感器主要有檢測軌枕螺栓的金屬感應(yīng)傳感器、檢測松開螺母距離的光電編碼器和檢測噴油壓力的膜片式壓力傳感器[2]。智能噴涂裝置現(xiàn)場作業(yè)如圖3 所示。

圖3 智能噴涂裝置現(xiàn)場作業(yè)圖

2 系統(tǒng)原理與功能

2.1 系統(tǒng)設(shè)計原理

本智能噴涂系統(tǒng)采用芯片控制技術(shù)，由電子眼、信號捕捉器、微電腦、傳感器和液壓輸油系統(tǒng)組成。電子眼對石砟、水泥枕、鋼軌、扣件和螺栓進(jìn)行取像，由信號捕捉器快速識別螺栓，并傳導(dǎo)給芯片處理，芯片處理結(jié)果通過傳感器傳導(dǎo)給液壓輸油系統(tǒng)，液壓輸油系統(tǒng)在指定時間內(nèi)精確對準(zhǔn)螺栓噴涂油脂。當(dāng)噴涂油量達(dá)到所限定的數(shù)量后，限量器立刻關(guān)閉，停止供油。在下一個信號指令被捕捉到時又重復(fù)前面的動作，周而復(fù)始循環(huán)作業(yè)，達(dá)到持續(xù)長時間大距離噴油防腐作業(yè)的效果。

該系統(tǒng)芯片控制技術(shù)模型，從一個理想的控制系統(tǒng)入手，在控制過程中盡量使被控量等于給定值。但是，由于系統(tǒng)各種元件及資源的限制，使得運(yùn)動部件的加速度受到限制，其速度和位置難以瞬時掌握。瞬態(tài)過程往往反映了系統(tǒng)內(nèi)在性能的好壞，在對該控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時主要考慮系統(tǒng)的3 個基本性能，即穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，具體如下：①穩(wěn)定性是系統(tǒng)受到外作用后，其瞬態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。如果系統(tǒng)受到外作用力后，經(jīng)過一段時間，其被控量可以達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的；若不穩(wěn)定，在給定信號作用下，出現(xiàn)被控量振蕩發(fā)散的情況，或在系統(tǒng)受擾動作用后，出現(xiàn)被控量不能恢復(fù)平衡的情況。②快速性是通過瞬態(tài)過程時間長短來表征的，過渡過程時間越短，表明快速性越好，反之亦然。快速性表明了系統(tǒng)輸出對輸入響應(yīng)的快慢程度，系統(tǒng)響應(yīng)越快，說明系統(tǒng)的輸出復(fù)現(xiàn)輸入信號的能力越強(qiáng)。③準(zhǔn)確性是由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值來表征的，它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。若系統(tǒng)的最終誤差為零，則稱為無差系統(tǒng)，否則稱為有差系統(tǒng)[3]。

該系統(tǒng)在設(shè)計與調(diào)試過程中，若過分強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，則可能會造成系統(tǒng)響應(yīng)遲緩和控制精度較低的后果；反之，若過分強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，則又會使系統(tǒng)的振蕩加劇，甚至引起不穩(wěn)定。根據(jù)工作任務(wù)的不同，分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)，使其對3 方面的性能有所側(cè)重，并兼顧其他，以全面滿足要求。整套系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

智能小車動力系統(tǒng)無鑰匙啟動，在同一條軌道上可同時向左、右2 個方向運(yùn)行，作業(yè)速度為3 km/h（無級調(diào)速）。在軌道上能實(shí)現(xiàn)無人駕駛，自動運(yùn)行、自動對焦噴涂、油脂噴涂均勻。區(qū)別于以往單根鋼軌單側(cè)螺栓涂油試用設(shè)備，本小車可對左右兩側(cè)鋼軌內(nèi)外側(cè)螺栓同時完成涂油，免除來回重復(fù)運(yùn)行，效率是前者的4 倍。

小車分前、后車2 節(jié)組合式，前節(jié)擔(dān)任牽引動力兼顧拖載油料；后節(jié)有自主動力，具備噴涂功能，同時拖載自用油料。前、后節(jié)車分體現(xiàn)場組合式設(shè)計，方便設(shè)備上、下道，降低作業(yè)風(fēng)險，保障作業(yè)人員安全。

智能小車可承載3 h 作業(yè)用油，中途無需在線路外補(bǔ)充油料，達(dá)到便捷、連續(xù)作業(yè)的機(jī)械化施工效果。一體化的油脂在螺栓帽上靜置1 周時間，油脂會自動順螺紋滲透到螺栓根部，實(shí)現(xiàn)螺帽和螺母扣件的防腐功能。

該設(shè)備牽引車還可騰空備用油位置，用來載運(yùn)人員、小型施工工具和重型搗固機(jī)、發(fā)電機(jī)等，免去工人搬運(yùn)；同時節(jié)省時間，提高天窗點(diǎn)作業(yè)效率。

該設(shè)備牽引車還可運(yùn)載物料，如袋裝石砟、短鋼軌、除草農(nóng)藥等，運(yùn)載水泥枕和板可達(dá)1 t。

3 結(jié)束語

軌枕螺栓智能噴油防腐小車采用電能作為行走動力，清潔無污染。該車具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、安全省力、自主走行、自動精準(zhǔn)噴涂防腐油脂等特點(diǎn)，用自動機(jī)械代替了人工，大大提高了作業(yè)效率，同時也提高了施工安全系數(shù)。該小車已在中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司肇慶工務(wù)段的陽西和湛江西高鐵線路車間應(yīng)用，作業(yè)效果良好，滿足了螺栓防腐工作性能指標(biāo)，獲得工務(wù)段管理人員和車間技術(shù)人員的一致好評。軌枕螺栓智能噴油防腐小車每小時作業(yè)里程3 km，一次充電后，工作電池加上備用電池可連續(xù)作業(yè)8 h，共計作業(yè)約20 km。人工點(diǎn)油防腐作業(yè)每小時才幾十米，智能小車作業(yè)效率是人工作業(yè)的50 倍左右。1 臺智能小車可替代線路工人約45 名，按照目前的用工成本，每名線路工人每月月薪約7 000 元，45人每月共計花費(fèi)315 000 元。而智能小車每月耗材及維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用約800 元，每臺智能小車僅需配備2 名線路工人操作，合計每月花費(fèi)14 800 元。這樣每臺智能小車每月可節(jié)省人力成本約30 萬元，每年可節(jié)省約360 萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。