一种铁路道床用除沙装置

何国华，高春雷，周佳亮

(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

兰新客运专线又称兰新铁路第二双线，所处环境非常特殊，不仅有高寒、高原极端天气，而且沿线经过三十里风区、百里风区、大板城风区和烟墩风区4大风区，所处风区线路超过400km。为解决风沙问题，兰新客运专线采用了挡风墙、防风明洞等各种防风沙设施[1]，大大减少了风沙对行车安全的影响。但是，风沙区轨道板上表面仍然存在积沙问题。积沙主要形成于每年春季和夏季[2]，每次大风或沙尘暴过去后都会在轨道板上表面堆积厚度达3～5mm的沙尘。轨道板上表面积沙主要出现在安装挡风墙或路堑地段(见图1)。如果轨道板上表面沉积沙子，动车组快速通过时会将集沙和灰尘卷起，不仅对动车外围的设备产生破坏，而且会进入车箱或密封不够严密的箱体，形成粉尘污染。带入高速运行的车轮与钢轨表面间的沙子严重影响轮轨接触状态，加速车轮和钢轨磨损，减少使用寿命，严重时影响运行安全[3]。

图1 挡风墙外积沙

为解决铁路沙害，研制高效的铁路除沙装置对我国西部风沙地区铁路安全运营具有重要意义。针对兰新客运专线轨道板结构特点和积沙现状[4]，中国铁道科学研究院设计了一种铁路道床除沙装置。

1 总方案

图2 除沙装置主体部分

兰新客运专线轨道板上表面积沙主要集中在2根钢轨中间区域。研究对象主要针对该区域的积沙，同时兼顾钢轨外侧区域轨道板上表面的积沙以及轨枕上表面和扣件区域的积沙[5-6]。根据轨道结构特点，采用吹、扫、吸的综合作业模式，有效去除轨道板上表面的积沙。除沙装置由吸沙小车、密封罩、吸扫装置、吹沙装置、避障系统等组成。由于两钢轨中间区域不规则分布应答器，作业时需要避让，故采用避障系统引导吸扫装置避让。在吸沙小车前端安装激光传感器测量应答器位置，吸扫装置接近时，吸扫装置提起，离开时吸扫装置放下。应答器处采用较厚毛刷挡风，在控制不正常时不会对其形成破坏性损伤。吹沙装置和吸扫装置可以随吸沙小车进行上下升降，也可以通过气缸独立进行上下升降。毛刷可拆换，并可通过手动调整装置进行上下升降。除沙装置组装到车架上以后，主要工作原理：将轨道板上表面积沙吸起来，通过吹沙装置将轨道板上表面钢轨下侧(凸肩处)积沙吹到2根钢轨内侧，再由吸扫装置吸入到车架上的容器内，沙子被分离出来后沉降到容器底部，再由螺旋输送机输送出去[7]，之后由带式输送机转运到物料车内。

2 吸沙小车设计

吸沙小车前后采用单牵引杆(前后各1根)推拉牵引，采用4个液压缸进行上下整体升降，采用挂链插销结构锁定，密封罩采用2个油缸提升。模型如图3所示。吸沙小车车架采用ANSYS软件进行动力学仿真，根据仿真结果校核承载力和变形情况。

图3 吸沙小车模型

3 吸扫装置设计

吸扫装置分为中间吸扫装置和两侧吸扫装置，如图4所示。吸扫装置设置4根吸沙波纹管，2根在钢轨内侧，2根在外侧。吸扫装置底部为毛刷，毛刷底边与轨道板上表面接触，吸扫装置中间设置清扫毛刷，并且毛刷要根据轨道板形式进行仿形设计。中间吸扫装置负责2股钢轨中间区域的吸沙工作，两侧吸扫装置负责钢轨外侧区域的吸沙工作。为增强清扫效果，采用2套吸扫装置。吸扫装置可进行上下升降和左右调整。清扫毛刷可拆换，也可进行上下升降。

图4 吸扫装置

为保证吸沙效果，采用整体式密封罩将吸扫装置大部分密封。伞形吸风罩所需吸风量计算公式为

Q=KCHv

(1)

其中：Q为吸风罩所需吸风量，m3/h；K为取决于伞形吸风罩几何尺寸的系数，K=1.4；C为沙源的周长，m；H为吸风罩口距积沙的距离，m；v为罩口气流的平均流速，m/s。

按照《除尘工程设计手册》[8]，罩口气流平均流速取1 m/s，计算可得出吸风罩所需吸风量。

4 吹沙装置设计

吹沙装置由多组吹嘴组成。每组有3个吹嘴。多组吹嘴同时工作如图5所示。

图5 多组吹嘴同时工作

空气由吹嘴喷出，喷吹气流原理如图6所示。图中：v0为吹嘴口气流速度，m/s；M为吹嘴口位置；X0为吹嘴口距起始段距离，m；S0为起始段长度，m。

图6 喷吹气流原理

在吹沙过程中，主要利用的是气流的基本段，吹嘴端部断面气流平均速度vx计算公式为

(2)

其中：a为吹嘴紊流系数，a=0.08；x为距吹嘴口的距离，m；R0为吹嘴口的半径，m。

吹嘴气流的流量Qv计算公式为

(3)

其中：S为喷嘴口截面面积，m2；P0为压缩空气的压强，Pa；T0为喷嘴口温度，℃。

计算可得单个吹嘴横截面吹力为10 N。按照轨道板平均积沙厚20 mm，堆积密度约1.19 g/cm3，则单个吹嘴对应的积沙质量为0.5 kg，所对应的积沙阻力为0.5 N。因为吹力10 N大于积沙阻力0.5 N，故吹嘴结构满足吹沙要求。

5 避障系统设计

5.1 避障系统设计方案

轨道上的应答器对车架底部的吸扫装置构成障碍，并且车体具有双向作业的功能，采用2套检测系统分别布置在车头和车尾。由于吸扫装置走行作业速度快，应答器尺寸小，为能在作业中检测到应答器，选择测量频率高的激光传感器。在检测系统检测到应答器后，计算机系统记录车的走行里程，在碰到吸扫装置前输出一路数字信号，控制吸扫装置提升避障[9]。避障系统各部件安装示意如图7。

1-安装支架; 2-激光传感器; 3-吸扫装置; 4-计算机系统图7 避障系统安装示意

5.2 工作原理

测量障碍物采用激光传感器，工作原理见图8。激光传感器安装于前后车头下方，激光光束平面与水平面的夹角为α，这样每次扫描都会有多个点的返回值，Lth为扫描到道床上的点与激光传感器之间距离的理论值，Lr为实际测量值，则测量出的障碍高度d=(Lth-Lr)sinα，若d大于设定的障碍高度，则可以判定前面遇到高出枕底的障碍物了。

图8 激光传感器工作原理

避障系统的检测部分除了激光传感器测量障碍物以外，还要结合里程传感器的里程信息，根据安装除沙装置车辆的行驶速度来判断障碍物距离车头的距离。如果发现前方有障碍物，且该障碍物在安全距离之内时，在自动避障模式下将输出信号，自动提升吸扫装置避障，并有文字提示及实时报警。如果是在手动避障模式下将有文字提示及声音报警。

5.3 避障系统组成

避障系统采用激光传感器作为测量设备，以计算机作为控制核心，通过显示屏显示避障信息，并输出数据到控制系统，自动提升吸扫装置避障[10]。在车头、车尾各安装1个激光传感器，可实现双向作业时的避障功能。

计算机工作原理见图9。软件根据作业方向，选择车前进端的激光传感器工作，根据激光传感器测量结果来判断是否检测到应答器。由于密封罩和传感器的安装位置已知，软件可根据激光测量的距离值判断密封罩与应答器的相对位置，当应答器快碰到密封罩时，软件将发出提升信号到输入输出模块，提升作业机构避开应答器。

图9 计算机工作原理

6 装车试验

除沙装置经过出厂测试后，装备于铁路道床除沙车上，见图10。通过静态试验和作业测试，除沙装置能够较好地去除轨道板上表面积沙。

图10 除沙装置安装于铁路道床除沙车上

7 结论

本文针对兰新客运专线轨道板结构特点和积沙现状，开展了轨道板用除沙装置关键技术的研究，提出除沙装置总体技术方案。结合轨道板上表面除沙要求，设计并研制了一套新型的除沙装置，提出吹、扫、吸的综合作业模式，实现轨道板上表面和扣件区域的除沙。采用密封罩进行主体仿形设计，底部采用毛刷密封；采用多组吹嘴，将钢轨外侧区域的积沙吹到2股钢轨中间区域；在钢轨中间和两侧区域设置2套吸扫装置；在吸沙口下方设置清扫毛刷，将轨道板上表面积沙刷起，并通过吸扫装置吸走；针对应答器的分布特点，采用激光检测技术，设计并研制了一套新型的避障系统，对具有碰撞风险的应答器进行检测、识别，并将该数据上传至作业控制系统，从而控制作业机构及时采取避让措施。

经过静态试验和作业测试，除沙装置能够较好地去除轨道板上表面积沙，为解决沙害提供了一种途径，有较好的应用前景。