SQS-300K型铁路桥隧清筛机的应用及改进

刘 秀 张智荣 姚宇涵

(1.国能包神铁路集团有限责任公司运输管理部 内蒙古包头 014010；2.中国铁建高新装备股份有限公司铁路养护装备研究设计院 云南昆明 650215)

1 引言

国能包神铁路集团有限责任公司(以下简称包神铁路集团)营业里程872 km，占国家能源集团铁路总里程的36.8%。包神铁路集团管辖神朔铁路268 km、包神铁路192 km、甘泉铁路333 km和塔韩铁路79 km。管内铁路相继穿越3省区6市17个区县，年运输能力达4.2亿t，年装车量3亿t，占国家能源集团总装车量的70%以上。

管内共有桥梁615座、隧道70座、涵洞1971座，其中特大桥43座，管内正线桥隧比为16.85%。铁路投入运营至今，隧道、桥梁内线路受撒落煤粉污染，部分排水不畅线路道床板结严重，需进行道床清筛作业。然而在桥梁上和隧道中由于受施工作业面宽度限制，使得传统清筛机无法直接用于桥隧线路上进行作业。

目前国内铁路清筛作业主要依靠边坡清筛机、中/大型清筛车及道岔清筛机等设备[1]。以QS-450及QS-650清筛机为例，其最小清筛作业宽度分别为3 900 mm和4 300 mm，作业效率分别为450 m3/h及650 m3/h[2]。然而，桥梁及隧道清筛作业最小宽度仅为3 100 mm，难以满足桥梁隧道清筛作业需求，依旧以人工清筛为主。人工清筛所需施工人员较多，施工人员组成复杂，具有较大的管理难度，存在人身及设备安全隐患。此外，人工清筛作业还存在道砟清理不全、清洁程度不均匀和严重板结地段作业困难等问题[3]。为解决桥梁上和隧道内线路机械化清筛施工空白，中国铁建高新装备股份有限公司研制了SQS-300K型桥隧清筛机，可实现桥隧机械化清筛作业[4-5]。

SQS-300K型桥隧专用清筛机构成如图1所示。其主要功能包括:道砟开挖、旧砟筛分、新砟储存并回填、清筛施工后轨道水平监测及调整、挖掘装置、前后起拨道、走行系统和发动机废气净化等。

SQS-300K型桥隧专用清筛机目前成功应用于铁路桥梁有砟线路的机械化清筛。施工期间无需拆卸道床上部的钢轨和轨枕；使用过程中，挖掘链在轨枕下方挖掘污碴，同时将清筛完成后的道砟重新填回道床；然后经过筛分的污物可通过输送带被抛到线路一侧或编组中的物料车储料仓内，清筛后的道床质量得到了很大提高。然而在实际清筛作业过程中依旧存在一些问题。

2 清筛作业中遇到的主要问题

(1)目前国内单线桥梁和隧道作业面宽度为3 100～3 900 mm。依据调查结果，作业面宽度小于3 200 mm的隧道线路占国内线路的55.72%，单线铁路桥梁作业宽度为3 900 mm的线路仅占国内线路的15.4%，传统的清筛机挖掘结构不适用于此种作业条件[6]。需综合考虑桥隧整体技术参数特点对挖掘结构进行重新设计及布置，须满足最小挖掘宽度3 100 mm[7]。

(2)SQS-300K型桥隧专用清筛机，在严重板结线路进行清筛作业过程中，挖掘扒链容易卡死。通过清筛作业现场勘测发现，板结后的道床会对扒链形成一个向上的推力，使挖掘扒链向上倾斜，挖掘链条上端的扒齿会拍打轨枕底部，致使挖掘刀板底梁通不过轨枕，最终导致挖掘链条卡死[8]。

(3)SQS-300K型桥隧专用清筛机在隧道内进行清筛作业，道砟容易产生粉尘，由于隧道内空间狭小，空气流动性差，对现场作业人员健康造成不良影响。此外，过量粉尘容易遮挡作业视线，存在一定的安全隐患。

(4)SQS-300K型桥隧专用清筛机挖掘上升导槽入口容易受道砟磨损，普通耐磨钢板受磨损严重，挖掘作业每500 m左右需进行一次更换，保养工作量较大。

(5)清筛车组在隧道内进行作业时，需多种车辆进行配合作业，多台车辆的发动机将产生大量有毒气体。SQS-300K型桥隧清筛车作业走行速度较慢(0～2 km/h)，且隧道内空气流通性差，有毒气体容易在作业现场形成堆积。

3 技术改进措施

(1)为满足最小挖掘宽度3 100 mm的要求，将清筛机倾斜式挖掘装置改为垂直式挖掘装置，作业效率为300 m3/h，最小作业曲线半径为200 m。相比于倾斜式挖掘装置，垂直式挖掘装置可以将导轮和角导槽放置在枕木下方，扒板方向平行于连接销轴，可以大幅度减小所需挖掘宽度，可以实现Ⅱ型轨枕最小开挖宽度为3 100 mm、Ⅲ型轨枕最小开挖宽度为3 200 mm要求。此外，垂直式挖掘装置可以使回填输送带距离挖掘装置更近，作业结束时未回填的枕木孔仅有四孔。落砟斗及洁砟带可以储存道砟，作业结束时使用落砟斗及洁砟带上的道砟即可将所有枕木孔回填完，减少所需的人工回填枕木孔数量，并且垂直挖掘装置挖掘深度低，所需石砟厚度更小，道床枕木下部石砟厚度不小于180 mm时可正常作业；当石砟层厚度小于180 mm时，可通过起拨道装置正常作业。另外垂直式挖掘装置采用一体式框架结构，振动小。在桥梁清筛作业时，能够降低对桥梁的结构性损伤。依据SQS-300K型桥隧清筛车现场作业实际监测，整机挖掘作业对桥梁影响小，竖向振动范围在0.80～1.12 mm间，横向振动范围在0.52～0.69 mm间。

(2)桥梁及隧道内排水沟清理困难，极易形成板结路段。基于当前作业条件，对以往挖掘扒链进行优化升级，增加了破底齿。通过对SQS-300K型桥隧专用清筛机现场清筛勘测结果分析，以往挖掘装置的主要原理是通过安装在扒砟板上的多对扒齿组进行扒砟，每对扒齿组均有三个扒齿构成，其中每一个扒齿与相邻另一个扒齿的中轴线均以一定角度进行安装，扒齿挖掘端部为锥形头，锥形头端部凸出扒板底平面，如图2a所示。遇到板结路段时，位于最下端及最上的扒齿不与轴线平行，板结道床仅受到来自位于中间单个扒齿的破碎力，最下端与上端的扒齿不参与对板结道床的破碎，使挖掘扒链向上倾斜，最终导致挖掘链条卡死。为此，在原有的挖掘扒链基础上新增了多组破底齿，新加入的破底齿依旧由三个扒齿构成，但每一个扒齿与相邻另一个扒齿的中轴线平行安装，保证在遇板结路段时，对板结后的道床形成足够的挖掘破碎能力，如图2b所示。但是破底齿的加入减低了扒砟量，因此新增的破底齿数量需根据现场线路板结程度进行确定。

(3)通过清筛作业现场扬尘情况来看，扬尘主要来源于自挖掘装置、输送带系统附近。因此在输送带入料方向、输送带出料方向及挖掘装置两侧设置了喷水口，并采用雾化喷头可实现既增加喷洒面积又可降低所需水量[9](喷水量控制在0.2 m3/h)。具体改造措施如下:通过将物料运输车进行改造升级，增加30 t水箱于物料车储料箱下端。将物料运输车水箱中水源通过管道引至SQS-300K型桥隧专用清筛机的水雾喷头处。为了最大化减少作业过程中的粉尘，清筛作业前就需启动喷雾系统，作业完成后喷雾系统需延时关闭[10]。改造后的SQS-300K型桥隧专用清筛机作业时，既不起扬尘，道床也无泥泞的现象，降尘效果显著。现场清筛喷雾系统工作如图3所示。

(4)原有上升导槽入口容易受到道砟磨损，并受到较大的冲击力。一是传统耐磨钢材耐磨性能差，实际作业过程中，每作业500 m就需更换一次耐磨钢板，如图4a所示；二是通过表面热处理提高钢材耐磨性能(如渗氮、渗碳、淬火或堆焊耐磨材料)，在受到较大冲击力的情况下，表面耐磨层与母材容易发生脱落，且表面热处理工艺成本较高，导致整机使用成本增加。因此，SQS-300K型桥隧专用清筛机选用了45SiMnCrMo耐磨铸钢作为上升导槽的耐磨板。在实际使用过程中，它能够抵抗道砟的冲击及切削，并且加入合金元素的量少且成本较低，降低了整车的使用成本[11]。更换了耐磨铸钢后，经过观察，耐磨铸钢磨损量很小且延长了设备使用寿命，如图4b所示。

(5)针对隧道内作业编组车辆产生有毒气体的问题，一方面，清筛施工作业设备在不影响作业效率的情况下，应尽可能将发动机排放减少并加装后处理装置，并且作业编组在进入隧道前应先启机预热。

另一方面加装风机组，在隧道内创造2 m/s的风速。为保证风机组通风效果，通过ANSYS CFD模块进行仿真。依据机车限界简化编组中的各车型，将整个编组置于135 m直线隧道中，并对此区域流场进行计算，计算模型如图5所示[12]。从速度云图可知，3个工作区域的人员工作位置，空气流速均大于2 m/s，可见通风装置可以起到良好的通风效果。两线间射流空气速度衰减比近壁面快，对应3个工作位置可直观对比编组设备两侧空气流动速度，近壁面空气流速均在4 m/s以上，而两线间流速很快降至2 m/s。

依据上述计算结果，在SQS-300K型桥隧专用清筛机增加风机组，放置于清筛机车顶，并在平板车上安装轴流风机，给清筛区域创造良好的通风条件，确保清筛各点位作业人员安全的作业环境。

4 应用情况

改进后的SQS-300K型桥隧专用清筛机于2021年1月正式使用，先后在太原局大秦线、襄渝线、成都局成昆线和国能朔黄铁路公司进行了作业(见图6)。2022年1月对SQS-300K型桥隧清筛车进行解体检查，通过检查发现整车关键零部件性能良好，能够满足清筛作业需求。通过为期一年清筛作业，清筛机总作业时间为233 h、运行里程达10 326 km，能够适应桥隧环境的清筛作业，能够满足3 100 mm的最小挖掘宽度和180 mm的枕下最低挖掘深度，清筛效率达到300 m3/h。

5 结论

(1)SQS-300K型桥隧专用清筛机通过改用垂直式挖掘装置，实现了对3 100 mm(Ⅱ型枕)、3 200 mm(Ⅲ型枕)作业宽度挖掘。通过缩短回填输送带与挖掘装置的距离，减少作业完成场后人工辅助的时间，极大程度提高了天窗利用率。

(2)对传统挖掘链增加破底齿，增加了对板结道床破碎及挖掘能力，实现对板结路段的快速清筛，减少天窗点内人工对板结路段清挖时间。

(3)针对施工过程中产生的扬尘，于整车工作装置附近均设置了雾化喷头，在满足作业时间要求的前提下，最大化地增加了喷撒面积，实现清筛、挖掘作业无扬尘目标。

(4)为减少隧道施工过程中的有害气体，在作业编组平板车上增设4台轴流风机，使隧道内产生2 m/s的“穿堂风”，可减少有毒气体的残留。

(5)SQS-300K型桥隧专用清筛机还设计了具有自动控制功能的主、辅轨道升降装置，可用于线路开挖前后的起拔道。