电动拨轨装置研制与应用

胡雄伟 中国铁路上海局集团有限公司科研所

受外部环境、车辆荷载、基础结构沉降、材料老化等多方面因素影响，部分高速铁路无砟轨道已经逐渐暴漏出轨道板伤损、砂浆层离缝脱空、底座板斜裂等病害，有些轨道板可能因为伤损严重导致强度大大降低，造成轨道结构不稳定，甚至可能影响到高铁行车安全，必须进行更换处理。

然而，在对伤损轨道板进行更换作业时，由于钢轨-轨道板-底座板的无砟轨道结构形式以及轨道板的几何尺寸限制，需要将轨道板上方的钢轨分别向两侧移开才能为伤损轨道板的起吊更换提供作业空间。目前现场拨轨作业主要采用"锯轨+人工拨移"的作业方式，该方式存在操作过程复杂、控制精度差、作业效率低、施工成本高等缺点。

基于轨道板换板施工实际需求，结合钢轨自身力学性能特点，研究提出了不锯轨拨轨作业方法，并研制了一套电动拨轨装置。该不锯轨拨轨工艺主要是通过在伤损轨道板两侧解扣的钢轨底下垫入四套电动拨轨装置，将解扣的钢轨支撑到一定高度方便移出，再利用各组电动缸提供顶升力来实现钢轨的外拨和复位。拨轨过程中通过电控系统可实时监测并记录钢轨外拨、复位过程中的受力和位移等参数，并显示钢轨外拨、复位过程中位移-力的实时曲线，方便拨轨人员实时掌握钢轨拨移过程中的受力状态，准确控制钢轨拨移位置，确保拨轨施工过程安全可控。本文重点介绍电动拨轨装置的技术设计及应用情况。

1 电动拨轨装置结构设计

目前我国高速铁路常用轨道板主要有CRTSⅠ、CRTSⅡ、CRTSIII 型三类无砟轨道板，综合三种型号轨道板的结构尺寸和换板工艺要求，制定了电动拨轨装置的主要技术指标，见表1。

表1 电动拨轨装置性能参数

不锯轨更换轨道板施工，需进行较大范围的扣件松开，才可进行拨轨方式为轨道板交换提供充分空间，因此电动拨道装置涉及的范围较广，因此电动拨轨装置分为为三个功能部件：拨轨装置主框架、拨轨动力装置、辅助拨轨滑台，根据现场情况及松开扣件范围进行组合安装进行拨轨，具体设计方案如下：

电动拨轨装置整体设计实物照片如图1 所示。

图1 拨轨装置现场实物照片

1.1 拨轨装置主框架

拨轨装置主框架主要作用是为拨轨动力系统提供支撑、为钢轨滑移提供滑道和导向、锁紧固定钢轨以及垫支钢轨作用。其结构示意图如图2 所示。

拨轨主体框架设计为门式分体结构，采用分体结构可小量起道将主框架放入轨底进行组装。框架分两个档位，当电动缸在第一档位拨轨至405 mm 后进行止位，然后将电动缸复位并移至第二档位，插入支撑挡板提供支撑，可继续进行第二档拨轨至实际需要位置。

图2 拨轨装置主框架示意图

1.2 拨轨装置动力系统

该系统主要作用是通过伺服电动缸提供顶推钢轨的动力，并在顶推过程中实现拨轨力、钢轨位移等关键数据的采集和处理，从而保障拨轨过程的安全可控以及拨轨装置自身的安全。拨轨装置动力系统主要由伺服电机、伺服电动缸、可编程控制器、人机界面四部分组成，图3 为伺服系统示意图。

图3 伺服系统

拨轨时，操作人员通过人机操作界面与系统进行交互，操作界面可进行拨轨量的输入，并实时显示拨轨量和拨轨力等参数，便于操作人员对拨轨过程的控制。可编程控制器连接人机界面与伺服驱动，能按照施工人员通过人机界面下达的操作指令，精确控制伺服电动缸推动连接块和钢轨横向移动，实现钢轨拨轨量的精确控制。为实现更大的拨轨量，装置设计有二级推进机构，电动缸单次推进最大拨轨量为405 mm，两次顶升的最大拨轨量可达810 mm。

图4 拨轨装置操作界面

图4 为人机界面显示的拨轨作业前的系统准备画面，主要作用是使伺服系统上电并使伺服电动缸到达零位，通过上述操作从而实现拨轨量的精确采集。

图5 为拨轨作业过程中所显示的界面，拨轨可按两种不同的速度进行，低速拨轨为2 mm/s，高速拨轨为20 mm/s，拨轨力显示精度为0.01 N，拨轨行程显示精度为0.05 mm。

图5 操作界面

1.3 辅助拨轨滑台

辅助拨轨滑台主要是起支撑钢轨滑移作用，根据理论计算以及现场试验，单股钢轨每间隔12 m-14 m 布置一个滑道，根据实际松开扣件范围可适当增加或减少滑台数量。滑台是由截面规格为100 mm×100 mm、120 mm×100 mm，壁厚为3 mm 的矩形管加工组成，材料为45#钢。其中100 mm×100 mm共计 8 根（4 根备用），120 mm×100 mm 共计 8 根，120 mm×100 mm 拼焊 L 型滑台 4 根。

2 拨轨装置关键工况下受力分析

在曲线段或者温度变化较大区段，钢轨的张力较大，拨轨装置进行拨轨时不仅要承受支撑钢轨的重力和纵向张力，还要承受顶推钢轨传递给拨轨装置主框架的反力，尤其是拨轨作业完成进入轨道板更换施工之后，为了确保整个换板施工安全顺利进行，需要对钢轨进行锁紧固定，此时拨开后的钢轨张力、重力等合力由拨轨装置承担。基于以上需要对拨轨装置进行强度校核，确保在关键工况条件下，拨轨装置强度仍具备较大安全余量。

根据现场调研和试验，在曲线地段拨轨作业时，若实际轨温低于线路锁定轨温，则进行钢轨外拨的拨轨力较大；若实际轨温高于线路锁定轨温，则进行钢轨复位的回复力较大，因此，需选取极端情况下进行电动拨轨装置的关键结构部件的受力进行核算。正常情况下实际轨温低于锁定轨温20℃或高于锁定轨温5℃时即不再进行拨轨方式下的施工作业，为了更大范围的掌握结构的安全余量，本设计选取在小半径、大超高曲线情况下，分别对施工实际轨温高于锁定轨温20℃或低于锁定轨温20℃的两种极端情况进行关键部位核算，具体计算参数如表2 所示。

表2 强度校核参数表

2.1 拨轨装置主框架

拨轨装置主要承力部件是主框架，因此拨轨装置在极端工况下进行工作时主框架能否满足强度安全要求，需要进行检算。主框架受力检算如图6、图7 所示。

图6 15 kN 拨轨力时主框架应力云图

图7 12 kN 回复力时主框架应力云图

拨轨装置主框架在极限工况下综合最大应力为556 MPa，小于其屈服强度，施工轨温高于或低于锁定轨温20℃的极端工况下一般不建议施工，极限工况下可能会对钢轨产生一定损伤。

2.2 电动缸法兰

图8 15kN 拨轨力时法兰应力云图

图9 12kN 回复力时法兰应力云图

在极端工况下进行工作时，电动缸法兰能否满足强度安全要求，需要进行检算。图8、图9 为拨轨力15 kN、回复力12 kN 工况下的应力云图。

电动缸法兰在极限工况下综合最大应力为437 MPa，小于其屈服强度，施工轨温高于或低于锁定轨温20℃的极端工况下一般不建议施工，极端工况下可能会对钢轨产生一定伤损。

3 应用情况

电动拨轨装置采用电动缸提供钢轨外拨、复位的动力，利用电控系统控制电动缸的行程、速率，拨轨过程中人机界面显示钢轨外拨的位移-力的曲线，便于作业人员实时掌握钢轨在外拨、复位过程中的受力情况，在位移-力发生突变时进行紧急处置，以保障拨轨作业安全（见图10）。

对拨轨装置关键结构部件在极端工况下进行了结构强度核算，其强度能够满足在不同工况下的拨轨及复位需求。

电动缸拨轨装置在线路上进行了检测试用，同时还测试了拨轨过程中钢轨应力情况，拨轨过程中电动拨轨装置、钢轨应力情况各项指标能够达到要求并在安全范围以内。