高速铁路轨面清扫及缺陷检测车设计

摘要：针对传统人工方式在轨道除雪的单一性和局限性及现有除雪作业车的价格昂贵且效果不佳的现状，设计了一款针对钢轨表面不同的结冰积雪情况进行分步骤高效处理，并对处理的结果进行及时的检测，来确保行车安全的轨面处理及缺陷检测车。通过各模块之间的协调配合大大提高了清冰除雪的效率，减轻了工人的劳作强度，降低了清冰除雪过程中对钢轨的伤害，减少了轨道表面二次结冰的概率，降低了降雪天气下列车运行过程中的安全隐患，为建造高速高效的全方位轨道清冰除雪设备提供新的方案。

关键词：铁路运输；除雪；检测

0引言

近年来随着我国经济的高速发展，选择更安全、更便捷、更环保的出行方式，让人们对交通工具的质量提出了更高的要求，因此作为现代化交通运输工具产物的高速铁路，在众多客运方式中占据了重要地位。截止2020年底，我国铁路营业总里程达到14.6万km，覆盖大约99%的20万人口及以上城市。在我国北方的部分地区如东北、华北等，冬季存在较长的冰雪期，许多列车运行区段由于下雪或风吹雪等自然天气造成道床积雪和线路掩埋，且由于气温较低，积雪可长达数十天至数月不融。铁路线路是铁路运输业的基础设备，需要较高标准和精度保证列车实现高速安全运行。如果不及时清扫积雪，会造成列车降速、停运，甚至脱轨，道砟或道床缝隙内冰雪的膨胀会使线路变形导致钢轨不平或扭曲，对行车安全造成隐患[1]。因此需要工务部门随时准备除雪应急作业,随着我国高寒雪区铁路运营里程的延长，工务部门对轨面进行检测及清理的任务量日益加剧。目前国内除少数作业区段拥有尚未成熟的清理设备，大部分钢轨清理任务仍是人工完成。由于传统人工方式的单一性和局限性，依靠自动化机械设备作业迫在眉睫[2]。2016年我国研制出首台大型养护机械GCX-1000型轨道高速铁路钢轨轨面清扫车，GCX-1000型轨道高速铁路钢轨轨面清扫车车体配备滚刷式抛雪机除雪铲、吹雪风机等除雪装置，实现了复杂表面的除雪技术、应答器位置处的吹雪技术、低温冷启动关键技术，行进间可以清除线路内积雪，除雪的宽度达到2.6m左右，抛雪距超过15m，能够同时满足普速线路和高铁线路的除雪要求[3-4]。但由于此型号的除雪作业车的除雪铲构造较为简单，难以将钢轨旁边的积雪有效地聚拢，且该车型使用的滚刷式抛雪机抛出的距离虽可达15m，但从实际效果来看抛出雪的状态多为雪块与雪雾，因此在作业完成后道旁积雪极有可能被重复吹起[5]。此外，轨面上的积雪经过车轮压过后容易融化成水，积水在低温条件下极易结成冰，而钢轨轨面结冰会直接破坏轮轨间的黏着，影响行车安全甚至造成安全事故。基于GCX-1000型轨道高速铁路钢轨轨面清扫车的不足之处，设计了高速铁路钢轨轨面清扫及缺陷检测车，针对高速铁路钢轨表面不同的结冰积雪情况进行分步骤地高效处理，并且对处理的结果进行及时的检测来确保行车安全。

1结构设计与模块划分

1.1车体结构优化设计

对于铁道工程车辆，由于工作过程中会在道床两侧一定范围内作业，所以必须防范铁道工程车辆的外伸工作部分与铁道两旁的设备、铁道上方的接触网以及其他线路上运行的车辆产生碰撞。铁道车辆在转运过程中，外伸工作部分必须完全收回，与铁道工程车辆固定牢固，并采取一定的安全措施防止在铁道工程车辆的运行过程中外伸工作部分意外地伸展甚至脱落而引发事故。故我们对如图1所示的车身限界、图2所示的设备分布及其在工作过程中的尺寸进行优化设计，并针对其运动轨迹进行仿真和计算，确保在转运和施工作业过程中的安全。

1.2车前除雪装置设计

如图3所示，车前除雪机构可在积雪较厚的工况下（降雪，风吹雪）快速有效地将钢轨周围的积雪聚拢在车的前方，并将车前的积雪推送到图5所示的冰雪传输装置中，从而暴露出钢轨的表面，为下一步钢轨表面的除雪除冰工作做好准备。且在车底两侧配备有辅助吹风机，可将除雪铲缝隙里漏下的冰雪碎粒吹落钢轨，防止二次积雪结冰，进一步提高除雪的质量。辅助吹风机的安装位置如图4所示。

1.3冰雪传输及抛洒装置设计

当图3中车前除雪装置将钢轨表面与轨道板上的大量的积雪聚拢入收集口内，收集口内置的多个图5所示的冰雪传输单元可依次传输收集到的冰雪，并在传输过程中对积雪进行初步压缩，将蓬松的雪花压实形成冰粒，传送到抛洒口附近，由抛洒口通过图6所示的冰雪抛洒装置中的高速气流将冰雪颗粒抛洒到钢轨之外的一定距离。抛洒出的冰粒由于具有比蓬松的雪花更大的密度和较小的表面积，故不易被风吹起而形成高速铁路钢轨表面的二次积雪结冰。

1.4检测模块与检测形式

钢轨表面清理工作完成后必须判断处理过的钢轨区段是否满足通行条件，检测钢轨表面处理的效果以及是否存在较大的表面缺陷。该钢轨轨面清扫及缺陷检测车上携带接触式和非接触式两种检测装置，为此区段是否能够恢复通车提供有力依据。接触式钢轨表面检测装置如图7所示，依据检测实验轮与钢轨表面的相对运动状态来测定钢轨表面状态，从而得出除冰除雪学的作业效果是否满足要求。非接触式视觉检测装置如图8所示，采用DalasPrianha4K高精度线阵摄像机将钢轨边界细化为像素级别的精细轮廓的尺度，检测影响钢轨表面质量的严重磨耗与肥边掉块等情况，快速获得准确有效的钢轨表面信息。辅助以大功率LED灯辅助照明系统，以获得统一稳定的成像质量。

1.5车底折叠机构设计

图7与图8所示的钢轨表面检测装置均悬挂在图9所示的车底折叠装置上，并通过定位装置精准地定位到钢轨的正上方。采用自顶向下的设计思路设计车底折叠机构，根据车身与钢轨底部的可利用空间以及车辆限界等因素确定此机构的运动范围。通过承载架、斜向摆动液压缸、斜向伸缩液压缸、调整液压缸、横向调整机构等调整机构来改变车底折叠机构各零件间的位置关系，以实现钢轨检测装置在钢轨表面的精确定位。

2创新及实用性

该轨面清扫及缺陷检测车集清冰除雪、轨道检测等多种设备为一体，能够针对高速铁路钢轨表面结冰积雪的不同情况进行分步有效的处理，并对处理结果进行检测分析，以确保列车在运行过程中的安全。如图10所示，该车型共涉及三大模块，分别是车前除雪模块、冰雪传送与抛洒模块及缺陷检测模块。车前除雪模块将钢轨周围的积雪快速有效地聚拢在车前方，通过冰雪传送与抛洒模块将车前堆积的冰雪抛洒至远离钢轨处，并利用吹扫方式处理轨道表面的残余冰雪碎粒，提高了除雪质量，防止二次积雪成冰，最后通过检测模块，利用接触与非接触检测装置共同对轨面处理效果给予反馈，并为除冰除雪作业后线路的安全通行条件的评估提供依据。各模块之间的协调配合，大大提高了清冰除雪的效率，减轻了工人的劳动强度，降低了清冰除雪过程中对钢轨的伤害，减少了轨道表面二次结冰的概率，降低了降雪天气下列车运行过程中的安全隐患，为建造高速高效的全方位轨道清冰除雪设备提供新的方案。

3结语

近年来气候变化多端，我国多个地区冬季频降暴雪，不仅给铁路交通的正常运行造成了极大不便，同时也给铁路工作人员的作业带来巨大困难。本文针对高速铁路钢轨轨面清扫及缺陷检测车设计进行了探索与尝试，主要依据高速铁路钢轨表面积雪结冰的实际工况，对高速铁路钢轨表面积雪结冰及其他杂物形成的原因进行了详细的分析，并以此为基础，以轨道车辆的限界以及方法为参考，分功能模块设计了一款高速铁路钢轨轨面清扫及缺陷检测车，有效提高了作业效率，降低了劳动强度，确保了行车安全，具有一定的实用价值。

[参考文献]

[1]龙懿，李文达，赵盈盈，等.多功能自动积雪清理车[J].内燃机与配件，2019（22）：240-242.

[2]陈泳松，郭丙锋.除雪车前置推铲浮动控制设计[J].装备制造技术，2019（9）：195-197，205.

[3]唐士茗.轨道除雪车工作小车动力学性能分析研究[J].科技视界，2019（21）：1-5，20.

[4]田秋艳.多功能机场除雪车的多模态转向系统[J].筑路机械与施工机械化，2020，37（7）：56-59.

[5]薛志敏.关于除雪车抛雪装置传动方式的应用研究[J].装备制造技术，2020（6）：207-208，214.

作者:宋天琦 邹小龙 廖美芸 单位:华东交通大学机电与车辆工程学院