任志強(qiáng)，黃聰龍

（1.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，廣東 廣州 510080；2.廣東鐵路有限公司肇慶工務(wù)段，廣東 肇慶 526000）

鐵路軌枕螺栓是鐵路軌道扣件的重要組成部分之一，由于長(zhǎng)期暴露在大氣中，經(jīng)受風(fēng)吹雨淋、霜凍雪埋等循環(huán)性氣候變化，容易氧化銹蝕。螺栓銹蝕輕則使螺栓銹死，影響軌距調(diào)整和軌道水平找正等養(yǎng)路作業(yè)；重則使螺栓根部腐蝕折斷，影響行車(chē)安全。因此，為了保證運(yùn)輸安全，應(yīng)根據(jù)軌枕螺栓銹蝕的變化規(guī)律，有計(jì)劃地對(duì)軌枕螺栓進(jìn)行防銹蝕處理[1]。隨著高速鐵路的發(fā)展，對(duì)線(xiàn)路的要求也不斷提高，因此在現(xiàn)代鐵路的建設(shè)和維修中，需大量地使用自動(dòng)化程度很高的機(jī)械設(shè)備，如鋪軌機(jī)、搗固機(jī)、清篩機(jī)、鋼軌打磨機(jī)、道床整形機(jī)等。但是在一些非主要維修作業(yè)中，還沒(méi)有可使用的養(yǎng)護(hù)機(jī)工具，如針對(duì)目前的軌枕螺栓防腐的2 種作業(yè)方式：①人工卸掉螺母，上油后再緊固處理達(dá)到防腐效果；②作業(yè)人員手提油桶，在各個(gè)螺栓上涂油防腐。這2 種人工作業(yè)方式工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，且浪費(fèi)了大量的工時(shí)費(fèi)用。為解決這一難題，急需研究一種小巧的自動(dòng)化機(jī)電設(shè)備應(yīng)用在軌枕螺栓的防腐作業(yè)中。本項(xiàng)目旨在研究一種總重輕、上下軌道便捷、能自動(dòng)行駛的智能小車(chē)，小車(chē)具備載運(yùn)噴涂油料和備用油料，智能感應(yīng)螺栓位置并對(duì)其位置精準(zhǔn)噴涂防腐油脂的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作業(yè)功能。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由3 部分組成，即牽引車(chē)、噴涂車(chē)和智能?chē)娡垦b置。

1.1 牽引車(chē)

車(chē)架采用20 mm×40 mm×1.2 mm 和20 mm×20 mm×1.2 mm這2種規(guī)格尺寸的輕質(zhì)材料焊接而成，可最大程度減輕小車(chē)質(zhì)量，同時(shí)采用精巧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使小車(chē)具備良好的鋼度和強(qiáng)度。

軌道輪踏面直徑為200 mm，材質(zhì)選用高分子聚乙烯，輪緣部位安裝有鐵質(zhì)輪緣，可減輕輪緣內(nèi)側(cè)與鋼軌的摩擦，提高軌道輪的使用壽命。

電動(dòng)后橋?yàn)樾≤?chē)的走行部分，包括電動(dòng)機(jī)、減速器和剎車(chē)系統(tǒng)。可以根據(jù)作業(yè)工況，實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，隨停隨走。

牽引車(chē)自身質(zhì)量65 kg，可載運(yùn)12 桶油料，每桶油料質(zhì)量為20 kg，用于補(bǔ)充作業(yè)用油。軌道螺栓長(zhǎng)效防腐油料是鐵路軌枕螺栓的專(zhuān)用防腐產(chǎn)品，具有良好的防腐性、防銹抗水沖淋性、熱附著性、低揮發(fā)性、抗鹽霧性及耐寒密封性，并兼有良好的潤(rùn)滑性和特定的抗微動(dòng)磨損性和耐酸、堿性。牽引車(chē)如圖1 所示。

圖1 牽引車(chē)

1.2 噴涂車(chē)

噴涂車(chē)車(chē)架材料與牽引車(chē)相同，自身質(zhì)量65 kg，可載運(yùn)8 桶油料，每桶油料質(zhì)量為20 kg，作為噴涂中所需要用的油料。噴涂車(chē)如圖2 所示。

圖2 噴涂車(chē)

1.3 智能?chē)娡垦b置

本智能?chē)娡垦b置采用微電腦芯片控制技術(shù)，整個(gè)噴涂裝置分為儲(chǔ)料單元、輸油單元、控制單元和供電電源4 大部分。儲(chǔ)料單元的功能是存儲(chǔ)涂覆作業(yè)所需的軌道螺栓長(zhǎng)效防腐脂，輸油單元的功能是通過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓齒輪泵進(jìn)行輸油作業(yè)，控制單元的功能是對(duì)整個(gè)涂覆裝置的作業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制，供電電源的功能是對(duì)涂覆裝置進(jìn)行供電。涂覆裝置一般在戶(hù)外使用，而且使用過(guò)程中均處于移動(dòng)狀態(tài)，在滿(mǎn)足供電容量需求的情況下要保證供電裝置的便攜性和輕便性，因此采用鋰電池作為涂覆裝置的供電電源。本噴涂裝置選用的傳感器主要有檢測(cè)軌枕螺栓的金屬感應(yīng)傳感器、檢測(cè)松開(kāi)螺母距離的光電編碼器和檢測(cè)噴油壓力的膜片式壓力傳感器[2]。智能?chē)娡垦b置現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)如圖3 所示。

圖3 智能?chē)娡垦b置現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)圖

2 系統(tǒng)原理與功能

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本智能?chē)娡肯到y(tǒng)采用芯片控制技術(shù)，由電子眼、信號(hào)捕捉器、微電腦、傳感器和液壓輸油系統(tǒng)組成。電子眼對(duì)石砟、水泥枕、鋼軌、扣件和螺栓進(jìn)行取像，由信號(hào)捕捉器快速識(shí)別螺栓，并傳導(dǎo)給芯片處理，芯片處理結(jié)果通過(guò)傳感器傳導(dǎo)給液壓輸油系統(tǒng)，液壓輸油系統(tǒng)在指定時(shí)間內(nèi)精確對(duì)準(zhǔn)螺栓噴涂油脂。當(dāng)噴涂油量達(dá)到所限定的數(shù)量后，限量器立刻關(guān)閉，停止供油。在下一個(gè)信號(hào)指令被捕捉到時(shí)又重復(fù)前面的動(dòng)作，周而復(fù)始循環(huán)作業(yè)，達(dá)到持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間大距離噴油防腐作業(yè)的效果。

該系統(tǒng)芯片控制技術(shù)模型，從一個(gè)理想的控制系統(tǒng)入手，在控制過(guò)程中盡量使被控量等于給定值。但是，由于系統(tǒng)各種元件及資源的限制，使得運(yùn)動(dòng)部件的加速度受到限制，其速度和位置難以瞬時(shí)掌握。瞬態(tài)過(guò)程往往反映了系統(tǒng)內(nèi)在性能的好壞，在對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮系統(tǒng)的3 個(gè)基本性能，即穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，具體如下：①穩(wěn)定性是系統(tǒng)受到外作用后，其瞬態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。如果系統(tǒng)受到外作用力后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，其被控量可以達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則稱(chēng)系統(tǒng)是穩(wěn)定的；若不穩(wěn)定，在給定信號(hào)作用下，出現(xiàn)被控量振蕩發(fā)散的情況，或在系統(tǒng)受擾動(dòng)作用后，出現(xiàn)被控量不能恢復(fù)平衡的情況。②快速性是通過(guò)瞬態(tài)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)表征的，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間越短，表明快速性越好，反之亦然?？焖傩员砻髁讼到y(tǒng)輸出對(duì)輸入響應(yīng)的快慢程度，系統(tǒng)響應(yīng)越快，說(shuō)明系統(tǒng)的輸出復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的能力越強(qiáng)。③準(zhǔn)確性是由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值來(lái)表征的，它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。若系統(tǒng)的最終誤差為零，則稱(chēng)為無(wú)差系統(tǒng)，否則稱(chēng)為有差系統(tǒng)[3]。

該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程中，若過(guò)分強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，則可能會(huì)造成系統(tǒng)響應(yīng)遲緩和控制精度較低的后果；反之，若過(guò)分強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，則又會(huì)使系統(tǒng)的振蕩加劇，甚至引起不穩(wěn)定。根據(jù)工作任務(wù)的不同，分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，使其對(duì)3 方面的性能有所側(cè)重，并兼顧其他，以全面滿(mǎn)足要求。整套系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

智能小車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)無(wú)鑰匙啟動(dòng)，在同一條軌道上可同時(shí)向左、右2 個(gè)方向運(yùn)行，作業(yè)速度為3 km/h（無(wú)級(jí)調(diào)速）。在軌道上能實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛，自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)對(duì)焦噴涂、油脂噴涂均勻。區(qū)別于以往單根鋼軌單側(cè)螺栓涂油試用設(shè)備，本小車(chē)可對(duì)左右兩側(cè)鋼軌內(nèi)外側(cè)螺栓同時(shí)完成涂油，免除來(lái)回重復(fù)運(yùn)行，效率是前者的4 倍。

小車(chē)分前、后車(chē)2 節(jié)組合式，前節(jié)擔(dān)任牽引動(dòng)力兼顧拖載油料；后節(jié)有自主動(dòng)力，具備噴涂功能，同時(shí)拖載自用油料。前、后節(jié)車(chē)分體現(xiàn)場(chǎng)組合式設(shè)計(jì)，方便設(shè)備上、下道，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，保障作業(yè)人員安全。

智能小車(chē)可承載3 h 作業(yè)用油，中途無(wú)需在線(xiàn)路外補(bǔ)充油料，達(dá)到便捷、連續(xù)作業(yè)的機(jī)械化施工效果。一體化的油脂在螺栓帽上靜置1 周時(shí)間，油脂會(huì)自動(dòng)順螺紋滲透到螺栓根部，實(shí)現(xiàn)螺帽和螺母扣件的防腐功能。

該設(shè)備牽引車(chē)還可騰空備用油位置，用來(lái)載運(yùn)人員、小型施工工具和重型搗固機(jī)、發(fā)電機(jī)等，免去工人搬運(yùn)；同時(shí)節(jié)省時(shí)間，提高天窗點(diǎn)作業(yè)效率。

該設(shè)備牽引車(chē)還可運(yùn)載物料，如袋裝石砟、短鋼軌、除草農(nóng)藥等，運(yùn)載水泥枕和板可達(dá)1 t。

3 結(jié)束語(yǔ)

軌枕螺栓智能?chē)娪头栏≤?chē)采用電能作為行走動(dòng)力，清潔無(wú)污染。該車(chē)具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、安全省力、自主走行、自動(dòng)精準(zhǔn)噴涂防腐油脂等特點(diǎn)，用自動(dòng)機(jī)械代替了人工，大大提高了作業(yè)效率，同時(shí)也提高了施工安全系數(shù)。該小車(chē)已在中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司肇慶工務(wù)段的陽(yáng)西和湛江西高鐵線(xiàn)路車(chē)間應(yīng)用，作業(yè)效果良好，滿(mǎn)足了螺栓防腐工作性能指標(biāo)，獲得工務(wù)段管理人員和車(chē)間技術(shù)人員的一致好評(píng)。軌枕螺栓智能?chē)娪头栏≤?chē)每小時(shí)作業(yè)里程3 km，一次充電后，工作電池加上備用電池可連續(xù)作業(yè)8 h，共計(jì)作業(yè)約20 km。人工點(diǎn)油防腐作業(yè)每小時(shí)才幾十米，智能小車(chē)作業(yè)效率是人工作業(yè)的50 倍左右。1 臺(tái)智能小車(chē)可替代線(xiàn)路工人約45 名，按照目前的用工成本，每名線(xiàn)路工人每月月薪約7 000 元，45人每月共計(jì)花費(fèi)315 000 元。而智能小車(chē)每月耗材及維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用約800 元，每臺(tái)智能小車(chē)僅需配備2 名線(xiàn)路工人操作，合計(jì)每月花費(fèi)14 800 元。這樣每臺(tái)智能小車(chē)每月可節(jié)省人力成本約30 萬(wàn)元，每年可節(jié)省約360 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。