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摘要：中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司科学技术研究所为实现铁道工务线路中小型机械化换枕而研制了线路维修多功能机械。针对该机械在吐鲁番站货场专用线现场试验时暴露出的问题，采用优化结构、提升材质、完善功能等方式对整机进行了升级改造，进一步提升了该机械的适用性，使其更加符合现场维修作业的需要。
Abstract： The Research Institute of Science and Technology of China Railway Urumqi Bureau Group Co. ， Ltd. has developed a multi-function machine for railway maintenance in order to realize the small and medium-sized mechanical replacement of railway track. In view of the problems exposed during the field test of the machine on the special line for the Turfan Station freight yard， the whole machine was upgraded by means of optimizing its structure， upgrading its material quality and perfecting its functions， so as to further enhance its applicability， to make it more in line with the needs of field maintenance operations.
关键词：铁道;线路维修;机械;应用;优化改进
Key words： railroad track;line maintenance;machinery;applications;optimization and improvement
中图分类号：U216.61 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0079-02
0 引言
中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司科学技术研究所（以下简称乌局科研所）为解决铁道工务线路人工换枕作业人数多、劳动强度大、作业效率低等问题而研发了线路维修多功能机械[1]（以下简称多功能机械）。多功能机械以日立ZX-130W型轮式挖掘机为原型，通过加装扒砟板、回转机构、夹枕装置、防倾覆装置、导向机构等部件[2]，将其改造成可实施铁道工务线路灰枕更换、道床整形等维修作业的工程机械（如图1所示）。该机械初步研制完成后，对加装部件进行了简单的动作试验，部件预设功能都得以实现。随后，该机械在吐鲁番站货场专用线进行了上下钢轨、弯道行驶及整套换枕作业试验。试验过程中，该机械暴露出损伤灰枕等问题。为此，乌局科研所技术人员积极研究问题的解决办法，对该机械的机构及功能进行优化、改进，使其工作性能进一步符合现场的实际应用。
1 试验过程中暴露出的问题
①夹枕装置夹头有时夹不紧灰枕，出现了灰枕松脱、滑落。②该机械加装的后导向轮油管在上下钢轨时，与钢轨发生过度挤压，出现了油管破损。③该机械加装的前导向轮轮轴（直径100mm）在整机横向移动上下钢轨时中出现了过载断裂。④扒砟板无抛（弃）土功能，无法将渣土抛（弃）至线路外侧。
2 问题的原因分析及改进方案
2.1 夹枕装置夹头有时夹不紧灰枕的原因分析
①多数铁道工务线路道床为石砟道床，清洁状态较好;而吐鲁番站货场专用线道床则为渣土道床，渣土结块且多。由于夹枕装置夹头表面的防滑槽深度过浅且宽度过窄，易被渣土等粘连物填平，从而导致夹头摩擦力减小。②夹头材质强度不足，在高频次使用条件下，夹头防滑槽易出现变形、磨损，出现防滑失效。
改进方案：通过提高接触面静摩擦系数以增大夹头表面与灰枕間的摩擦力。因橡胶类复合材料耐用度差，便对夹头表面防滑槽结构和材质进行了重新设计。增大夹头防滑槽的宽度和深度;对夹头进行淬火、回火热处理，以提高夹头的硬度并降低脆性;从而提升夹头的防滑性及耐磨性。
2.2 多功能机械在上下钢轨时出现挤压后导向轮油管的原因分析
钢轨上表面高于轨枕表面约180mm，该机械通常采用扒砟板前后两端交替撑地进行横向侧移来实现整机的上下钢轨。由于后导向轮油管是经多功能机械行走体后部背板下方接入双向液压锁的，当扒砟板撑地将多功能机械前轮支起且后导向轮油管路恰好处于钢轨上方时，随着前轮支起的高度上升，后部背板的高度将随之下降。当后轮所处道床路基较为松软时，多功能机械后部下降程度将更大，就会发生钢轨挤压油管的问题。
改进方案：受行走体后部背板内侧油缸及其他连接构件的位置限制，后导向轮油管路径只能从后部背板下方引出。为最大限度地提升油管高度，在后部背板无挡碍处向上开槽，且槽口宽度要小于钢轨轨面宽度。将油管从槽口穿过，并用销连接对其高度进行限位，防止油管下坠低于背板下部端面。
2.3 加装的前导向轮轮轴断裂的原因分析 ①由于缺乏导向轮视频监控设备，多功能机械的驾驶员在驾驶室内无法观察到前、后导向轮的实际位置。在导向轮未完全收回的情况下，驾驶员便操作整机横向侧移进行上下钢轨作业，从而导致左前导向轮轮轴因承载超限而发生了断裂。②前导向轮轮轴强度不够。设计初期只考虑了多功能机械依靠内侧4个橡胶轮（外侧4个橡胶轮悬空）承载并驱动整机在钢轨上行驶，4个导向轮只承担导向功能。但在现场上下钢轨试验过程中，受整机撑起高度的影响（前导向轮离地最大间隙为280mm，后导向轮离地最大间隙为330mm），前导向轮更容易与钢轨发生挤压接触。以单个前导向轮为研究对象，需分析其在极端承载状态下（两前导向轮和两内侧橡胶轮共同承载整机质量）轮轴危险截面所承载的载荷及其作用力臂（如图2所示），按照当量弯矩轴径计算公式[3]计算轴的强度是否满足极限承载要求。
危险截面临界轴径d需满足：
式中，Me为当量弯矩：
[σ-1]为对称循环的许用应力，取54N/mm2（45号钢）;ɑ为弯矩折算系数，取ɑ=1（对称变化）;
M为计算截面弯矩：
M=F×L （N.m） （3）
F为1个前导向轮承载载荷，取1/4G（按2个前导向轮与内侧2个橡胶轮承重相同计算）;
G为多功能机械重量：
G=mg （N）（4）
多功能机械质量m约为15000kg;g取10N/kg;L为弯矩力臂长度，取L=300mm;T为截面的转矩，取T=0（轴未转动）。
经公式（2）、式（3）、式（4）计算得出Me=11250N.m;将算出的Me带入公式（1）中，得出前导向轮轴径d≥127.72mm才能满足极限状态下的承载要求。而前导向轮实际轴径为100mm，小于危险截面的最小轴径127.72mm，故在弯矩力臂为300mm时，前导向轮轮轴强度无法满足极限承载要求。
改进方案：①增设视频监控设备。驾驶员借助视频监控设备可在司机室内实时查看导向轮及防倾覆装置的位置状态，辅助驾驶员进行合理化操作，避免导向轮超限承载的发生，提高整机作业的安全性。②对前导向轮轴结构进行优化设计。通过加装连接套，将单轴承载变为双轴联合承载（如图3所示），从而提升轴孔处危险截面的承载能力;加装的连接套还可将弯矩力臂外移，将力臂长度由300mm缩减至120mm。③提升轮轴的材质性能。轮轴材质用调质42CrMo替代原45号钢（调质42CrMo对称循环的许用应力[σ-1]为100N/mm2）。同理，运用轴径计算公式（1）、式（2）、式（3）、式（4）再次对前导向轮危险截面轴径强度进行校核。计算得出危险截面轴径d≥76.64mm，安全系数取1.2后，d≥91.97mm，而实际轴径100mm≥91.97mm，故前导向轮轮轴直径足以满足承载要求。
2.4 扒砟板无抛（弃）土功能原因分析
初始设计阶段，扒砟板的功能只设定为推、扒道砟。此次试验的吐鲁番站货场专用线为渣土道床，换枕后要铺设新道砟。受扒砟板扒砟面及推砟面都是垂直平面的限制，换枕作业过程中会将渣土推、扒到新道砟中，造成新石砟道床污染。
改进方案：对原扒砟板结构进行升级改造。在原扒砟板的扒砟面开方孔（如图4所示），以扒砟板推砟面的加强筋板为侧板，加焊钢板（如图5所示），形成具有盛装渣土的腔體，借助多功能机械上部机体的旋转，可将渣土抛（弃）至线路外侧。
3 结束语
线路维修多功能机械经过上述结构及功能的优化改进后，更加符合了现场客观条件下换枕作业的需要。后续，该机械还将在多种线路路况下进行换枕试验，以检验整机的安全性、适应性、稳定性及可靠性。通过不断的试验，持续性改进，不断完善其使用性能，努力将其打造成一款成熟的产品。
参考文献：
[1]乌鲁木齐铁路局科学技术研究所.铁道工务线路维修多功能装置[P].中国：201721261731.7，2018-9-4.
[2]王晓伟，张青，等.液压挖掘机构造与维修手册[M].北京：化学工业出版社，2018：46-73.
[3]蔡春源.新编机械设计手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1993：611-625.
Abstract： The Research Institute of Science and Technology of China Railway Urumqi Bureau Group Co. ， Ltd. has developed a multi-function machine for railway maintenance in order to realize the small and medium-sized mechanical replacement of railway track. In view of the problems exposed during the field test of the machine on the special line for the Turfan Station freight yard， the whole machine was upgraded by means of optimizing its structure， upgrading its material quality and perfecting its functions， so as to further enhance its applicability， to make it more in line with the needs of field maintenance operations.
关键词：铁道;线路维修;机械;应用;优化改进
Key words： railroad track;line maintenance;machinery;applications;optimization and improvement
中图分类号：U216.61 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0079-02
0 引言
中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司科学技术研究所（以下简称乌局科研所）为解决铁道工务线路人工换枕作业人数多、劳动强度大、作业效率低等问题而研发了线路维修多功能机械[1]（以下简称多功能机械）。多功能机械以日立ZX-130W型轮式挖掘机为原型，通过加装扒砟板、回转机构、夹枕装置、防倾覆装置、导向机构等部件[2]，将其改造成可实施铁道工务线路灰枕更换、道床整形等维修作业的工程机械（如图1所示）。该机械初步研制完成后，对加装部件进行了简单的动作试验，部件预设功能都得以实现。随后，该机械在吐鲁番站货场专用线进行了上下钢轨、弯道行驶及整套换枕作业试验。试验过程中，该机械暴露出损伤灰枕等问题。为此，乌局科研所技术人员积极研究问题的解决办法，对该机械的机构及功能进行优化、改进，使其工作性能进一步符合现场的实际应用。
1 试验过程中暴露出的问题
①夹枕装置夹头有时夹不紧灰枕，出现了灰枕松脱、滑落。②该机械加装的后导向轮油管在上下钢轨时，与钢轨发生过度挤压，出现了油管破损。③该机械加装的前导向轮轮轴（直径100mm）在整机横向移动上下钢轨时中出现了过载断裂。④扒砟板无抛（弃）土功能，无法将渣土抛（弃）至线路外侧。
2 问题的原因分析及改进方案
2.1 夹枕装置夹头有时夹不紧灰枕的原因分析
①多数铁道工务线路道床为石砟道床，清洁状态较好;而吐鲁番站货场专用线道床则为渣土道床，渣土结块且多。由于夹枕装置夹头表面的防滑槽深度过浅且宽度过窄，易被渣土等粘连物填平，从而导致夹头摩擦力减小。②夹头材质强度不足，在高频次使用条件下，夹头防滑槽易出现变形、磨损，出现防滑失效。
改进方案：通过提高接触面静摩擦系数以增大夹头表面与灰枕間的摩擦力。因橡胶类复合材料耐用度差，便对夹头表面防滑槽结构和材质进行了重新设计。增大夹头防滑槽的宽度和深度;对夹头进行淬火、回火热处理，以提高夹头的硬度并降低脆性;从而提升夹头的防滑性及耐磨性。
2.2 多功能机械在上下钢轨时出现挤压后导向轮油管的原因分析
钢轨上表面高于轨枕表面约180mm，该机械通常采用扒砟板前后两端交替撑地进行横向侧移来实现整机的上下钢轨。由于后导向轮油管是经多功能机械行走体后部背板下方接入双向液压锁的，当扒砟板撑地将多功能机械前轮支起且后导向轮油管路恰好处于钢轨上方时，随着前轮支起的高度上升，后部背板的高度将随之下降。当后轮所处道床路基较为松软时，多功能机械后部下降程度将更大，就会发生钢轨挤压油管的问题。
改进方案：受行走体后部背板内侧油缸及其他连接构件的位置限制，后导向轮油管路径只能从后部背板下方引出。为最大限度地提升油管高度，在后部背板无挡碍处向上开槽，且槽口宽度要小于钢轨轨面宽度。将油管从槽口穿过，并用销连接对其高度进行限位，防止油管下坠低于背板下部端面。
2.3 加装的前导向轮轮轴断裂的原因分析 ①由于缺乏导向轮视频监控设备，多功能机械的驾驶员在驾驶室内无法观察到前、后导向轮的实际位置。在导向轮未完全收回的情况下，驾驶员便操作整机横向侧移进行上下钢轨作业，从而导致左前导向轮轮轴因承载超限而发生了断裂。②前导向轮轮轴强度不够。设计初期只考虑了多功能机械依靠内侧4个橡胶轮（外侧4个橡胶轮悬空）承载并驱动整机在钢轨上行驶，4个导向轮只承担导向功能。但在现场上下钢轨试验过程中，受整机撑起高度的影响（前导向轮离地最大间隙为280mm，后导向轮离地最大间隙为330mm），前导向轮更容易与钢轨发生挤压接触。以单个前导向轮为研究对象，需分析其在极端承载状态下（两前导向轮和两内侧橡胶轮共同承载整机质量）轮轴危险截面所承载的载荷及其作用力臂（如图2所示），按照当量弯矩轴径计算公式[3]计算轴的强度是否满足极限承载要求。
危险截面临界轴径d需满足：
式中，Me为当量弯矩：
[σ-1]为对称循环的许用应力，取54N/mm2（45号钢）;ɑ为弯矩折算系数，取ɑ=1（对称变化）;
M为计算截面弯矩：
M=F×L （N.m） （3）
F为1个前导向轮承载载荷，取1/4G（按2个前导向轮与内侧2个橡胶轮承重相同计算）;
G为多功能机械重量：
G=mg （N）（4）
多功能机械质量m约为15000kg;g取10N/kg;L为弯矩力臂长度，取L=300mm;T为截面的转矩，取T=0（轴未转动）。
经公式（2）、式（3）、式（4）计算得出Me=11250N.m;将算出的Me带入公式（1）中，得出前导向轮轴径d≥127.72mm才能满足极限状态下的承载要求。而前导向轮实际轴径为100mm，小于危险截面的最小轴径127.72mm，故在弯矩力臂为300mm时，前导向轮轮轴强度无法满足极限承载要求。
改进方案：①增设视频监控设备。驾驶员借助视频监控设备可在司机室内实时查看导向轮及防倾覆装置的位置状态，辅助驾驶员进行合理化操作，避免导向轮超限承载的发生，提高整机作业的安全性。②对前导向轮轴结构进行优化设计。通过加装连接套，将单轴承载变为双轴联合承载（如图3所示），从而提升轴孔处危险截面的承载能力;加装的连接套还可将弯矩力臂外移，将力臂长度由300mm缩减至120mm。③提升轮轴的材质性能。轮轴材质用调质42CrMo替代原45号钢（调质42CrMo对称循环的许用应力[σ-1]为100N/mm2）。同理，运用轴径计算公式（1）、式（2）、式（3）、式（4）再次对前导向轮危险截面轴径强度进行校核。计算得出危险截面轴径d≥76.64mm，安全系数取1.2后，d≥91.97mm，而实际轴径100mm≥91.97mm，故前导向轮轮轴直径足以满足承载要求。
2.4 扒砟板无抛（弃）土功能原因分析
初始设计阶段，扒砟板的功能只设定为推、扒道砟。此次试验的吐鲁番站货场专用线为渣土道床，换枕后要铺设新道砟。受扒砟板扒砟面及推砟面都是垂直平面的限制，换枕作业过程中会将渣土推、扒到新道砟中，造成新石砟道床污染。
改进方案：对原扒砟板结构进行升级改造。在原扒砟板的扒砟面开方孔（如图4所示），以扒砟板推砟面的加强筋板为侧板，加焊钢板（如图5所示），形成具有盛装渣土的腔體，借助多功能机械上部机体的旋转，可将渣土抛（弃）至线路外侧。
3 结束语
线路维修多功能机械经过上述结构及功能的优化改进后，更加符合了现场客观条件下换枕作业的需要。后续，该机械还将在多种线路路况下进行换枕试验，以检验整机的安全性、适应性、稳定性及可靠性。通过不断的试验，持续性改进，不断完善其使用性能，努力将其打造成一款成熟的产品。
参考文献：
[1]乌鲁木齐铁路局科学技术研究所.铁道工务线路维修多功能装置[P].中国：201721261731.7，2018-9-4.
[2]王晓伟，张青，等.液压挖掘机构造与维修手册[M].北京：化学工业出版社，2018：46-73.
[3]蔡春源.新编机械设计手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1993：611-625.