铁路轨枕螺栓智能喷油防腐小车的研究与应用＊

任志强，黄聪龙

（1.中国铁路广州局集团有限公司工务部，广东 广州 510080；2.广东铁路有限公司肇庆工务段，广东 肇庆 526000）

铁路轨枕螺栓是铁路轨道扣件的重要组成部分之一，由于长期暴露在大气中，经受风吹雨淋、霜冻雪埋等循环性气候变化，容易氧化锈蚀。螺栓锈蚀轻则使螺栓锈死，影响轨距调整和轨道水平找正等养路作业；重则使螺栓根部腐蚀折断，影响行车安全。因此，为了保证运输安全，应根据轨枕螺栓锈蚀的变化规律，有计划地对轨枕螺栓进行防锈蚀处理[1]。随着高速铁路的发展，对线路的要求也不断提高，因此在现代铁路的建设和维修中，需大量地使用自动化程度很高的机械设备，如铺轨机、捣固机、清筛机、钢轨打磨机、道床整形机等。但是在一些非主要维修作业中，还没有可使用的养护机工具，如针对目前的轨枕螺栓防腐的2 种作业方式：①人工卸掉螺母，上油后再紧固处理达到防腐效果；②作业人员手提油桶，在各个螺栓上涂油防腐。这2 种人工作业方式工作效率低、劳动强度大，且浪费了大量的工时费用。为解决这一难题，急需研究一种小巧的自动化机电设备应用在轨枕螺栓的防腐作业中。本项目旨在研究一种总重轻、上下轨道便捷、能自动行驶的智能小车，小车具备载运喷涂油料和备用油料，智能感应螺栓位置并对其位置精准喷涂防腐油脂的长时间持续作业功能。

1 系统组成

系统主要由3 部分组成，即牵引车、喷涂车和智能喷涂装置。

1.1 牵引车

车架采用20 mm×40 mm×1.2 mm 和20 mm×20 mm×1.2 mm这2种规格尺寸的轻质材料焊接而成，可最大程度减轻小车质量，同时采用精巧结构设计使小车具备良好的钢度和强度。

轨道轮踏面直径为200 mm，材质选用高分子聚乙烯，轮缘部位安装有铁质轮缘，可减轻轮缘内侧与钢轨的摩擦，提高轨道轮的使用寿命。

电动后桥为小车的走行部分，包括电动机、减速器和刹车系统。可以根据作业工况，实现无极调速，随停随走。

牵引车自身质量65 kg，可载运12 桶油料，每桶油料质量为20 kg，用于补充作业用油。轨道螺栓长效防腐油料是铁路轨枕螺栓的专用防腐产品，具有良好的防腐性、防锈抗水冲淋性、热附着性、低挥发性、抗盐雾性及耐寒密封性，并兼有良好的润滑性和特定的抗微动磨损性和耐酸、碱性。牵引车如图1 所示。

图1 牵引车

1.2 喷涂车

喷涂车车架材料与牵引车相同，自身质量65 kg，可载运8 桶油料，每桶油料质量为20 kg，作为喷涂中所需要用的油料。喷涂车如图2 所示。

图2 喷涂车

1.3 智能喷涂装置

本智能喷涂装置采用微电脑芯片控制技术，整个喷涂装置分为储料单元、输油单元、控制单元和供电电源4 大部分。储料单元的功能是存储涂覆作业所需的轨道螺栓长效防腐脂，输油单元的功能是通过直流电机驱动液压齿轮泵进行输油作业，控制单元的功能是对整个涂覆装置的作业过程进行控制，供电电源的功能是对涂覆装置进行供电。涂覆装置一般在户外使用，而且使用过程中均处于移动状态，在满足供电容量需求的情况下要保证供电装置的便携性和轻便性，因此采用锂电池作为涂覆装置的供电电源。本喷涂装置选用的传感器主要有检测轨枕螺栓的金属感应传感器、检测松开螺母距离的光电编码器和检测喷油压力的膜片式压力传感器[2]。智能喷涂装置现场作业如图3 所示。

图3 智能喷涂装置现场作业图

2 系统原理与功能

2.1 系统设计原理

本智能喷涂系统采用芯片控制技术，由电子眼、信号捕捉器、微电脑、传感器和液压输油系统组成。电子眼对石砟、水泥枕、钢轨、扣件和螺栓进行取像，由信号捕捉器快速识别螺栓，并传导给芯片处理，芯片处理结果通过传感器传导给液压输油系统，液压输油系统在指定时间内精确对准螺栓喷涂油脂。当喷涂油量达到所限定的数量后，限量器立刻关闭，停止供油。在下一个信号指令被捕捉到时又重复前面的动作，周而复始循环作业，达到持续长时间大距离喷油防腐作业的效果。

该系统芯片控制技术模型，从一个理想的控制系统入手，在控制过程中尽量使被控量等于给定值。但是，由于系统各种元件及资源的限制，使得运动部件的加速度受到限制，其速度和位置难以瞬时掌握。瞬态过程往往反映了系统内在性能的好坏，在对该控制系统进行设计时主要考虑系统的3 个基本性能，即稳定性、快速性和准确性，具体如下：①稳定性是系统受到外作用后，其瞬态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。如果系统受到外作用力后，经过一段时间，其被控量可以达到某一稳定状态，则称系统是稳定的；若不稳定，在给定信号作用下，出现被控量振荡发散的情况，或在系统受扰动作用后，出现被控量不能恢复平衡的情况。②快速性是通过瞬态过程时间长短来表征的，过渡过程时间越短，表明快速性越好，反之亦然。快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度，系统响应越快，说明系统的输出复现输入信号的能力越强。③准确性是由输入给定值与输出响应的终值之间的差值来表征的，它反映了系统的稳态精度。若系统的最终误差为零，则称为无差系统，否则称为有差系统[3]。

该系统在设计与调试过程中，若过分强调系统的稳定性，则可能会造成系统响应迟缓和控制精度较低的后果；反之，若过分强调系统响应的快速性，则又会使系统的振荡加剧，甚至引起不稳定。根据工作任务的不同，分析和设计自动控制系统，使其对3 方面的性能有所侧重，并兼顾其他，以全面满足要求。整套系统的主要技术参数如表1 所示。

表1 系统主要技术参数

2.2 系统实现功能

智能小车动力系统无钥匙启动，在同一条轨道上可同时向左、右2 个方向运行，作业速度为3 km/h（无级调速）。在轨道上能实现无人驾驶，自动运行、自动对焦喷涂、油脂喷涂均匀。区别于以往单根钢轨单侧螺栓涂油试用设备，本小车可对左右两侧钢轨内外侧螺栓同时完成涂油，免除来回重复运行，效率是前者的4 倍。

小车分前、后车2 节组合式，前节担任牵引动力兼顾拖载油料；后节有自主动力，具备喷涂功能，同时拖载自用油料。前、后节车分体现场组合式设计，方便设备上、下道，降低作业风险，保障作业人员安全。

智能小车可承载3 h 作业用油，中途无需在线路外补充油料，达到便捷、连续作业的机械化施工效果。一体化的油脂在螺栓帽上静置1 周时间，油脂会自动顺螺纹渗透到螺栓根部，实现螺帽和螺母扣件的防腐功能。

该设备牵引车还可腾空备用油位置，用来载运人员、小型施工工具和重型捣固机、发电机等，免去工人搬运；同时节省时间，提高天窗点作业效率。

该设备牵引车还可运载物料，如袋装石砟、短钢轨、除草农药等，运载水泥枕和板可达1 t。

3 结束语

轨枕螺栓智能喷油防腐小车采用电能作为行走动力，清洁无污染。该车具有结构紧凑、性能稳定、安全省力、自主走行、自动精准喷涂防腐油脂等特点，用自动机械代替了人工，大大提高了作业效率，同时也提高了施工安全系数。该小车已在中国铁路广州局集团有限公司肇庆工务段的阳西和湛江西高铁线路车间应用，作业效果良好，满足了螺栓防腐工作性能指标，获得工务段管理人员和车间技术人员的一致好评。轨枕螺栓智能喷油防腐小车每小时作业里程3 km，一次充电后，工作电池加上备用电池可连续作业8 h，共计作业约20 km。人工点油防腐作业每小时才几十米，智能小车作业效率是人工作业的50 倍左右。1 台智能小车可替代线路工人约45 名，按照目前的用工成本，每名线路工人每月月薪约7 000 元，45人每月共计花费315 000 元。而智能小车每月耗材及维护保养费用约800 元，每台智能小车仅需配备2 名线路工人操作，合计每月花费14 800 元。这样每台智能小车每月可节省人力成本约30 万元，每年可节省约360 万元，经济效益十分可观。