铺轨机布枕机构的创新设计与实践

纪占玲,李恒灿

(华北水利水电学院,郑州 450011)

建设铁路客运专线和高速铁路是国民经济和社会发展的需要,也是我国铁路现代化建设的要求。为提高铁路运输速度和舒适性,提高铁路新线开通速度,无缝线路铺轨机将被大量采用,研制具有自主知识产权的新型铺轨机十分迫切。项目组在广泛、充分调查研究和消化、吸收国外先进技术的基础上,综合国外多种铺轨机的优缺点,结合秦沈客运专线一次铺设跨区间无缝线路的经验和我国施工技术发展的新型成果,专门研制了一种新型铺轨机。铺轨机是用于铺设线路轨枕和长钢轨的大型自动化专用设备。而布枕机构是铺轨机的一个重要组成部分,也是铺轨机的最关键、最核心的作业机构。它的设计直接决定着整机的多项技术性能指标,甚至影响到整个设计的成败。在以往的施工过程中,存在着布枕时翻枕、个别构件设计薄弱使用中变形、构件所受机械冲击大、油缸行程大易损坏、结构复杂、动作多、控制难度高等诸多问题[1]。针对以上这些问题,对布枕机构进行了创新性设计,采用了旋转喂枕垂直送枕相结合的工作方式。

1 结构组成及其工作原理

布枕机构主要由1号轨枕传送链、旋转喂枕机构、垂直传送链、垂直传递机构、铺放机构等几个部分组成[2],如图1所示。1号轨枕传送链是轨枕传送装置,一末端与无动力滚道连接,将铺轨车上2号传送链运送过来的轨枕快速传送并停留在无动力滚道的端头,供旋转喂枕机构取枕,主要由驱动装置、输送链、马达、马达安装支架、1号链支架、从动链轮等组成,从动链轮设有张紧装置,滚子链板上安装有橡胶防护板起保护轨枕作用。旋转喂枕机构完成轨枕的喂给,在1号传送链的端部取枕,继续旋转,喂枕给垂直传送链,与垂直传送链有链条连接,两者共用驱动马达,通过链轮齿数之比确定其转速,主要由2个对称的曲柄齿轮箱组成。垂直传送链完成轨枕的向下传送,即：从旋转喂枕机构接过轨枕,将其向下垂直传送至垂直传递机构的传递臂,主要由垂直链支撑框架、液压马达、马达安装支架、接枕臂、驱动装置、张紧装置、挡枕装置、输送链等组成。垂直传递机构完成轨枕的承接,即：从垂直传送链的接枕臂接过轨枕,垂直向下传送一定距离,向后摆动脱枕给铺放机构的铺设臂,主要包括摆动架、移动架、摆动油缸、垂直落枕油缸、油缸耳座、传递臂等几个部件[3]。铺放机构完成轨枕的布放,即：从垂直传递机构的接枕臂接过轨枕垂直下落,然后迅速向后摆动,脱枕至道床,其结构上与垂直传递机构相似。

图1 布枕机构的结构组成

根据行程测量轮装置发出的脉冲信号,布枕机构控制装置自动协调各个装置动作,完成轨枕的喂给、向下传送和布放的循环作业,每一循环完成1根轨枕的布放[2],具体施工过程如下：运枕龙门吊携枕下放至3号传送链上,然后经2号传送链送至1号传送链上,3个传送链部件运转速度相同,且布置在同一水平面上,通过其相互重叠部分进行轨枕传送,使得轨枕传送过程一直保持水平匀速运动,且在同一水平面上进行,不存在机械冲击和惯性力。旋转喂枕机构在布枕过程中,一直保持匀速旋转,在1号传送链的端部,通过与传送链处于同一水平位置后,向上继续旋转取枕,再与恰好等待接枕的垂直传送链的接枕臂位于同一水平位置时,继续向下旋转脱枕,将轨枕水平放置到接枕臂上,继续旋转,开始取下一根轨枕。垂直传送链和旋转喂枕机构一样,在布枕过程中,一直保持匀速运转,从旋转喂枕机构接过轨枕,带动轨枕垂直下落一定高度,与已等待接枕的垂直传递机构的传递臂处于同一水平位置时,继续运转,从而将轨枕交至传递臂,继续运转,另一接枕臂去接下一根轨枕。传递臂接枕,待送枕的接枕臂让开空间后,垂直下落,与已等待接枕的铺放机构的铺设臂处于同一水平位置时,传递臂向后摆动,让开铺设臂下落空间,将轨枕传递到铺设臂上,再回至原位。铺设臂在传递臂让开后垂直下落到距离道床适当高度时停止,铺放机构的摆动架带动铺设臂迅速向后摆动,轨枕自然下落在道床上,再回至原位。所以,布枕的基本作业流程可以概括为：1号轨枕传送链→旋转喂枕机构→垂直传送链接枕臂→垂直传递机构传递臂→铺放机构铺设臂→道床,如图2所示。

图2 布枕基本作业流程

2 创新设计

2.1 旋转喂枕

喂枕机构采用了旋转的方式,主要由2个对称的曲柄齿轮箱组成,每个曲柄齿轮箱由齿轮传动装置(主要包括驱动轴、从动轴、齿轮、轴承、轴承盖、箱体等等)、喂枕连杆、驱动连杆、张紧装置、挡枕板、链轮、链条、挡枕架、支架等部分组成,喂枕连杆上安装有垫板和橡胶块,可以减小冲击、吸收振动、保护轨枕。作业时,由齿轮装置驱动喂枕连杆一直匀速旋转,通过与1号轨枕传送链同一水平位置后继续旋转取枕,与垂直传送链同一水平位置后继续旋转进行喂枕,把轨枕的水平传送转变为竖直传送,改变了以往由举升机构和油缸拉动机构共同完成喂枕功能的机构形式[4]。在此部分机构中,由于传动形式主要采用了圆柱齿轮,整个结构紧凑、新颖,具有一般齿轮传动的多个优点,例如,能保证瞬时传动比恒定,运转平稳,传递运动准确可靠,传递的功率和速度范围较大,可实现较大的传动比,传动效率高,使用寿命长,噪声低,适应性强,控制简单,等等。

2.2 垂直传送轨枕

项目组研制的送枕机构采用了垂直向下传送的方式,将其动作明确分为轨枕的传送、承接、布放,分别由垂直传送链、垂直传递机构和铺放机构3个机构分3个阶段完成,改变了传统铺轨机送枕方式——斜传送方式。与斜传送方式相比,垂直向下传送的方式,由于是垂直布置,可以有效充分地利用铺轨车有限的布置空间,且轨枕在垂直向下传送的过程中,中心线始终保持在同一竖直线上,对机构的机械冲击相对较小,也有利于提高布枕的精度。另外,根据目前的配置和构造设计,控制铺轨车动力转向架轴重是一个重要目标,垂直向下传送方式的重心相对偏前,便于控制动力转向架轴重的大小[2],容易满足要求,也方便其他机构的设计。同时,由于传动形式采用了链传动,适合于长距离、低转速的运转传输,使轨枕可以下落到距离道床较近时铺放,轨枕在空间的转动角度小,对道床扰动小,利于克服翻枕缺陷[1],还使得垂直传递机构和铺放机构的各个工作油缸行程减小,冲击减小,使用寿命增长。铺放机构铺设臂迅速抽去,使轨枕自然下落到道床上,也可以有效地避免翻枕现象。

2.3 轨枕传送柔和

在轨枕的传送过程中,需要经历多个机构,在相邻的两个机构之间存在着轨枕的传送问题。此时,构件可能会受到机械冲击,产生噪声,给部件使用寿命及周围环境带来不利影响,轨枕也有可能受损[4]。冲击过大时,还可能需要对重要零件更换性能好的材料、改变设计型式或增大尺寸等等,或采取减小布枕速度的措施,如此一来,会影响到整个铺轨机的外形尺寸、总重、造价、布枕速度等多个方面,从而直接决定着研发产品是否能达到主要性能指标的要求[4]。因此,在轨枕传送的各个过程中,须考虑对机构的冲击和轨枕的保护问题,应使机构受到尽可能小的机械冲击,轨枕尽量避免受到严重损伤。布枕机构在施工方案设计时,使所有接枕机构提前或恰好在适当的位置等候,送枕机构到达此位置后,继续向后或向下运动脱枕,以此使所有机构之间传送轨枕均在同一水平面内进行。此种方式轨枕传送柔和,减小了布枕过程中的机械冲击,轨枕传送平稳,并受到了保护,结构件也不易损坏,尤其延长了油缸的使用寿命,同时也使得布枕速度容易提高,满足铺轨机高效率的要求。然后,接送两机构同时运行,或待送枕机构让出足够空间后,接枕机构再开始工作,以确保轨枕的传送过程在时间上和空间上都能够实现。

2.4 控制简单准确

布枕机构作为铺轨机的核心部件,对其控制有着非常高的要求,必须与整车行走、龙门吊的运行形成有机的整体。同时,布枕机构是一复杂的部件,其组成机构众多,每个机构又有多个零部件,在作业时,这些零部件需要严格按照一定顺序及时间要求依次动作,来完成整个布枕的过程,布枕控制时序如图3所示。行程测量轮装置可以准确测量铺轨行走的距离,根据布枕间距的要求,将测量轮的周长作成1个布枕间距的长度,测量轮每旋转1,通过与测量轮同轴的光电编码器将1个脉冲信号传送给轨枕传送机构、轨枕布放机构和枕间距调整机构等,再由PLC通过电磁换向阀电磁铁以时序图为基础来控制龙门吊的运行速度、传送链的输送速度、垂直输送链液压马达的转速及各机构的油缸动作,使这些机构运行速度一致,保证布枕间距的精度,完成1个工作循环。

图3 布枕控制时序

布枕机构的控制根据时序要求准确、顺序完成,其主要目标不是控制所有机构运动过程同步,而是机构工作时间起点和终点的顺序控制[2]。布枕机构油缸动作的实现是通过接近开关限制各个执行油缸的起始和终了位置[2],如：传递臂摆动油缸、传动臂垂直落枕油缸、铺设臂垂直落枕油缸和铺设臂摆动油缸等,从而实现布枕的控制,各油缸的位移-时间曲线如图4所示。由于采用行程测量轮装置发出的脉冲信号直接控制各个机构的动作,因此,简单可靠,控制方便,动作准确,布枕精度高[1]。

图4 传递臂和铺设臂垂直落枕、摆动位移-时间曲线

在布枕机构中,垂直传送链依靠2台液压马达同步驱动,而旋转喂枕机构的驱动是通过链条将其输入轴与垂直传送链的驱动轴连接来实现,两者以垂直传送链驱动轴上的链轮作为关联,其转速按照链轮齿数所形成的特定比例来确定,使得旋转喂枕机构每送来1根轨枕,垂直传送链恰好就有1个接枕臂在适当位置等待接枕。由于两机构之间动作的协调利用机械传动来保证,因此,结构形式简单,安全可靠,动作准确,控制数量减少,难度降低[1]。

3 实践效果

项目组研制的铺轨机在2006年顺利通过了铁道部科技司组织的专家评审,得到了与会专家的一致好评,并投入工业生产。2008年底,该铺轨机已开始在达(州)成(都)铁路工程建设中铺设无缝线路,创造了日铺轨4.8 km的纪录,2009年6月初,达成铁路顺利通过工程初验委员会的验收,比老达成线提速2倍以上。产品经施工单位使用表明：性能可靠,生产效率高,经济和社会效益显著。其组成中必不可少的作业机构——布枕机构,采用了旋转喂枕垂直送枕的工作方式,合理地分解了轨枕的传送动作,使轨枕接送柔和、平稳,减轻了对布枕机构的机械冲击,有效地避免了轨枕倾翻现象,控制简单准确。整个结构合理、紧凑,设计新颖,经过使用,证明系统是实用可行的,实现了连续布枕,具有较宽的工作频率范围,能够较好地与运枕龙门吊和铺轨机的行驶速度配置,具有自动化程度高、劳动强度低、作业效率高、布枕精度高和可靠性高等优点,满足高速铁路无缝线路长轨条主要性能指标的要求。2009年底,河南省教育厅组织了有关专家对河南省自然基金项目(项目编号0411054500)进行了鉴定,鉴定委员会一致认为,该机构达到了国际同类研究的先进水平,此项目并获河南省教育厅一等奖。

[1] 吕 超.DPG500铺轨机组布枕机构优化与设计[J].铁道标准设计,2008(8)：30-32.

[2] 纪占玲.铺轨机布枕机构虚拟样机技术研究[D].郑州：华北水利水电学院,2005.

[3] 纪占玲,韩林山,严大考等.铺轨机垂直传递机构的仿真分析[J].机械工程师,2006(6)：122-124.

[4] 纪占玲,严大考,上官林建.DPG500型铺轨机旋转喂枕机构虚拟样机动态仿真分析[J]. 华北水利水电学院学报,2005(2)：40-42.