1、限界保持方案设计3.1 限界保持机车车辆运行必须有一个安全的空间，因此，铁路对机车车辆和接近线路的建筑物、设备规定了不允许超越的轮廓尺寸，也就是限界。可以说，限界就是合理的空间。所谓机车车辆限界，就是机车车辆横断面的最大极限。具体来说，就是当机车车辆停留在平直铁道上，车体的纵向中心线和线路的纵向中心线重合时，其任何部分不得超出规定的极限轮廓线。所谓近限界，就是每一条线路必须保有的最小空间的横断面。即铁路站场和沿线各种建筑物、设备不得侵入的极限轮廓线。如果将机车车辆限界和建筑接近限界的中心线重叠在一起，就会看到其间有一环形空间，称之为裕留空间或安全空间。裕留空间是考虑到机车车辆在运行中的振动偏移
2、和线路偏移以及其它因素而设的。从机车车辆运行安全来看，裕留空间愈大愈好。下图（3-1）显示了铁路直线段建筑接近限界(v160 km/h)。图 3-1 直线建筑接近限界图信号机、水鹤的建筑接近限界(正线不适用)。站台建筑接近限界(正线不适用)。各种建筑物的基本接近限界。适用于电力机车牵引的线路的跨线桥、天桥及雨棚等建筑物。电力机车牵引的线路的跨线在困难条件下的最小高度。 旅客站台上柱类建筑物离站台边缘至少 1500mm，建筑物离站台边缘至少2000mm。旅客站台为低站台时其高度为 300mm，专为行驶旅客列车的线路上可建 1100mm 的高站台。货物站台的高度为 1100mm。在非电气化区段的车
3、站上，车辆调动频繁的站场内，天桥的高度不得少于 5800mm。货物高站台边缘(只适用于线路的一侧)在高出轨面距离 11004800mm 间，距线路中心线距离可按1850mm 设计。3.2 国外限界保持设备在美国、英国和德国的某些地方，采用拖拉机来清除线路上以及线路附近的植物，拖拉机上装设有片面推刀和各种盘形犁。为了清除灌木丛和小树，广泛采用了内燃锔，以及牵引式或自行式的联合装置。这种联合装置有三种，一种既能在铁路线上走行，也能在土路上走行。这些机械的切割机构采用了条式锯片或盘式锯片。他们能锯断直径达 2225cm的灌木或小树。当在线路上作业时，切断植物的作业区的宽度能达到 11m。美国 RMC
4、 公司成批地生产着两种类型的灌木切割机，用以清除线路上以及附近地段上的植物，其中有一种灌木切割机是在不繁忙的铁路区间上使用的。机器的动力装置和工作机构装在车架上，直径为 580mm 的走行车轮只能用在沿铁路走行。机器上装有密闭的驾驶室，内设有功率为 50 马力的柴油机、电力设备和液压设备、驾驶员座、作业操纵机构和传动装置。驾驶室配备有采暖以及通风设备。在机器底架的每一侧装了一个长为 7.5m 的可伸缩的臂杆。在作业时，改变臂杆的位置以及把它们引入区间走行的位置，都是由一些电动绞车来实现的。臂杆一端一底架铰接接头相连，而另一端则装着一个铣刀盘。由于可伸缩臂杆的铰接接头的灵活性，铣刀盘能够切割到路
5、堑和路堤边坡上的灌木丛。铣刀盘是一块直径为 2100mm 的转子圆板，在它上面铰接地装着四片刀刃。铣刀盘是单独用功率为 15 马力的液压马达来驱动的。液压马达装有过载保护阀。当碰到障碍物时，保护阀便把液压马达断开。铣刀盘的转速为 1800r/min。灌木切割机是自行的。它的运输速度为 38km/h，作业速度则可达到 6.4km/h。当它以中等的作业速度 2.5km/h 前进时，机器的生产率为一小时内可切割 16.2 公顷地面上的植物。这种类型的灌木切割机有两种型号，它们的外廓尺寸和重量如下（表 3-1）：表 3-1 灌木切割机型号HD-28 型 STD-26 型长 （ mm） 8800 820
6、0宽 （ mm）运 输 走 行 时 3300 3300作 业 走 行 时 17400 16200高 （ mm） 3500重 量 （ t） 19.9 19.33.3 限 界 保 持 方 案 设 计3.31 工况分析限界保持的作业对象，是铁路沿线两侧伸入铁路建筑接近限界之内的树枝。植物生长的季节为春天和夏季，因此这段时间也是本次所设计的机构的工作时间。设计的切割的树枝的最大直径为 60mm。超过这个直径的树枝，由一个小型的工作平台搭载工作人员，利用相关选定的切割工具，进行人工操作。同时还包括在建筑限界范围之内整棵的树木，也是需要由工作人员手动操作进行切割。结合树木的生长情况，和树木的树枝一般分布情
7、况，切割的重点区域为树木的中部，因为树枝在树干上的分布为底部和顶部较为稀疏，而在树木的中部，树枝的生长比较茂密，并且向外伸出的长度也比较长，这个区域也就是限界保持主要的切割范围。设计的限界保持机构在工作时，遇到的几种极限工况为：1）连续型切割空间：此种情况是在铁路线路沿线，树枝充斥着整个线路侧面，在整个侧面的空间都需要切割，即属于连续型的切割空间，它需要切割刀具配合车辆的行驶做相应的适当调整，用来保证整片的区域都可以切割完全，完成工作并且保证工作的质量。很显然，这属于一种较为特殊的情形，根据树木的生长和树枝的分布情况，显然这种情况是比较少出现的，但在设计进行时考虑的范围。2）离散型的切割空间：
8、此种情况是一种比较常见的情况，在线路沿线的两侧，树木不是非常的密集，伸入到限界保持界限内的树枝没有出现连续成片的情况，不需要刀具做非常剧烈的运动来保证切割的完整性。这种情况是属于一般的工作状态。3）非典型的工作状态：在这种工作状态，在限界保持的界限内，出现一段切割空白区间，即在一段距离内，没有出现树枝生长到界限之内的情况，不需要刀具来切割，刀具处于空转状态，结合现在铁路建设的实际情况，考虑到建设安全和不影响沿路居民的生活，现在的铁路建设在长的区段内普遍采用高架桥的方式，在这种情况下，铁路线路处于悬空的状态，刀具空转，即是非典型的工作状态。由以上的分析，在限界保持机构工作期间，长期处于的工作状态
9、为离散型的工作状态。另外两种状态比较少见。3.3.2 限界保持方案一设计按照设计的速度要求，多用途作业车的工作速度为 010km/h，取作业车切割线路两侧灌木树枝时的行驶速度为 5km/h，即约为 1.39m/s。根据线路保持中的建筑限界的标准，旅客站台上柱类建筑物离站台边缘至少 1500mm，建筑物离站台边缘至少 2000mm 的要求，在实际切割过程中，由于树枝具有柔性，那么设计的切割范围要稍微大于建筑限界的最低标准数值，这里取 7401000mm。工作对象为树枝，其生长的季节为春、夏季，所以限界保持装置的工作时间也在这两个季节。整个装置安装在工作平台的两侧，要便于安装和拆卸。工作时切割树枝
10、的刀具处于高速旋转状态，所以对刀具的处理涉及到安全方面的考虑，在本次设计中主要考虑在刀具的非工作一侧安装一个防护罩，做为安全方面的考虑。刀具工作时会产生相当高分贝的噪声，出于环保的考虑，可以考虑采取适当的措施来降低噪声的污染。基于以上数据的假设和相关突出事实的考虑，设计方案如下：工作装置安装在工作平台的两侧，由固定杆支撑并与工作平台底板连接，固定杆与外伸的连接杆件铰接，外伸的连接杆要实现伸缩的功能，并连接切割刀盘，刀盘部分涉及到刀具的选择，刀具的转速、功率等问题，参考相关标准。机车拖挂的工作平台距轨面的高度约为 1.5m，机车的高度距轨面约为4.5m，即切割范围的高度为 4.5m，切割机构安装
11、在工作平台两侧，工作状态外伸的距离要保证建筑接近限界，即工作状态的切割机构外伸的距离为 740-1000mm，也就是切割半径。通过上面的分析，对切割机构的切割范围和工作对象有了一定的认识的基础上，整个机构的工作范围简图如下图示：图 3-2 切割范围分析图结合上图和对整个机构的分析，整个切割机构的示意图如下图所示：整个切割机构与工作平台连接，分别安装在工作平台的左右两侧，由油缸 1 来实现机构的上下运动，增加切割的范围，由油缸 2 来实现机构的左右伸缩，使得机构得以避让线路沿线的输电设施，如电线杆等，同时在车辆进入隧道时，也需要油缸 2 收缩从而避免事故的发生。机构的初步设想如下图示：图 3-3
12、 机构分析简图从图（3-3）中不难看出，在这种机构中，外悬杆在工作中，是不稳定的，外悬杆与可伸缩支杆出的铰接不能固定外悬杆，是不能实现刀具的切割运动的。因此必须对这个机构做重新的考虑。考虑到可以将可伸缩支杆换成固定的支杆，在外悬杆与固定支杆之间，增加一个油缸，这个油缸可以实现刀具的上下运动，同时也可以使得外悬杆与固定支杆可以形成一个稳定的结构。其结构简图如下：图 3-4 立式圆形刀具机构简图方案一的另一种表达形式，即将圆形刀具改换为条形刀具。机构的简图如下所示：图 3-5 立式条形刀具机构简图3.3.3 限界保持方案二设计通过参考铁路边坡清理的机械，它的清理装置采用一种工作机构倒挂的形式，结合
13、本次设计的实际情况，整个限界保持机构只是在一定的时间段需要，那么就要求整个装置可以和方便的拆装，这种倒挂式的结构，整体的支撑架安装在车体的工作平台上，是不利于安装或拆卸的，整个机构相对工作量而言，质量也显得过大。结构的简图如下：图 3-6 倒挂式圆形刀具切割机构简图同样，它的切割刀具也可以采用条形的锯齿，装置的结构简图如下：图 3-7 倒挂式条形刀具切割机构简图上述的两种方案设计，只是针对机构部分做主要的阐述和说明，在切割部分，关于刀具的选择问题，在下一节还具体的讨论。主要涉及的是刀具数目的确定的问题。3.4 方 案 的 可 达 性 论 述任何一种机构的设计，首要考虑的应该是该机构所需要完成的
14、工作的几种极限工作状态，即所谓的极限工况。在本机构的设计中，上一节中叙述的连续型工作状态，即为本设计机构所要面对的极限工况。在极限工况下，一个很显然的问题就是：所设计的机构，能否很好的完成极限工况下要求的作业。这点也是在本次设计中，所遇到的必须解决的问题之一。工作机构安装在工作平台上，工作平台在机车的牵引下运动，同时切割刀具也存在一定空间范围内的运动，这就使得刀具有了两个方向上的运动，也就是刀具的运动轨迹要产生叠加，不再是单一的运动路线，这种情况下，是很难保证切割工作的完整性的。考虑到这点，解决的方法有下面两种：1）工作装置与工作平台之间存在相对运动，即工作装置可以在工作平台上来回运动，在配合
15、油缸作用下的刀具运动，就可以保证切割范围的完整性了；2）采用直径大的切割刀具，刀具的直径大到不需要刀具做调整就可以满足极限工况下的工作要求。也就是说，在本次设计中，若要采用第二种方案，就需要用到直径达到 4.5m 的切割刀具，很显然，单用一个刀具是不现实的，这也是多刀盘联动方案提出的原因之一，涉及到效率和其他因素的影响，这种方案是不被采纳的。采用工作机构相对工作平台做相对运动的方案，会在机构的控制方面提出更高的困难，对机构的要求也更高，对一个不要求高效工作的装置，采用复杂的机构形式，是不经济的。综上所述，结合老师的指导，最终选用一个折中的方案，即选用一个适当直径的刀盘，再配合推动油缸的作用，来
16、实现切割范围的完整。3.5 限 界 保 持 方 案 比 选据悉， 2008 年 8 月开通试运营的京津城际铁路，从北京南站乘火车到达天津站只需 30min。京津城际项目是奥运会的配套服务工程之一，同时也是全国第一条设计时速达 350km 的高标准客运专线，这条铁路客运专线连接首都北京和天津两大直辖市。京津城际铁路北京段这座跨越二、三、四环的铁路桥也称“北京环线特大桥”，全长 15.6km。“特大桥” 从北京南站出发，沿既有京山铁路南侧，跨景泰桥、南二环、天坛东路，从玉蜓桥桥下穿越；而后再跨方庄路、东南二环，沿弘善小区南侧，在十里河桥西跨越三环；最后再跨大羊坊沟，在十八里店北桥东侧跨四环后结束，
17、京津城际铁路正悄然进行跨越二、三、四环铁路桥的施工。由于采用新工艺“挂篮悬挂式“浇筑”，地面交通丝毫未受影响，以至于许多市民都没发觉一座全国最大的跨公路铁路桥正在头顶悄然成形。据施工方中铁六局项目负责人介绍，为节省土地，京津城际铁路全线 89%路段都采用高架桥，其余路段为普通路基，穿过北京环路部分将全部为高架桥。备受关注的沪汉蓉铁路大通道合肥南环线项目建设，是从肥东引入，横贯合肥南部，然后跨合九线从合肥西南方向引出，到肥西长安集车站。合肥南环线将连接通过合肥市的合宁、合武两条高速铁路，总长约 36.2km 的合肥南环线，其中将有 21 公里左右的线路以高架桥的形式出现，占南环线全长的 70%左
18、右。不仅如此，在现今的铁路建设中，高架桥被越来越广泛的采用。究其原因，1）高架桥可以节省大量的土地，这样就可以保护我国土地最低的红线18亿亩。2）高架桥可以提高车行的速度，更有可能体现“高速”二字。3）高架桥可以避免不少交通事故，减少人畜因交通原因而死亡，表现人与自然和谐相处。图 3-8 铁路线路上的高架桥由此可见，在以后的铁路线路中，会出现大量的高架桥路段，铁路线路处于地表之上，那限界保持的工作将会极大的减少。于是，结合这种实际情况再加上老师的指导，我们对限界保持有一个很明确的定位，就是不需要高效的设备来实现这种功能，这一点，对设计的要求又有了许多的要求，对设计的形成也有很好的指导作用。鉴于
19、上述的事实，原定的用多刀盘联动的方式来作业的设计方案就首先被淘汰了。多刀盘联动，即是由几个刀盘一起旋转工作，这样可以大大的提高工作效率，可以实现刀具随机车运动，而不需要做大的调整就可以保证完整的切割空间。很显然，由于高架桥在铁路建设中的大量引入，这种方案不能被采用。立式的机构，形如方案一中的两种结构形式。在这种结构中，由于需要切割的范围较为大，即外伸的杆工作是伸出的距离约为 0.74m，而在铁路沿线，会有大量的电线杆等电力设施，并且还会经过许多隧道，那么，外伸的杆就必须可以缩短到一个安全的界限内，通过查阅机车车辆标准和铁路建筑限界标准，这个安全界限的值约为 0.74m。立式的结构，主要靠 2
20、个油缸的伸缩，来实现切割机构向车体靠近，或回转到车体范围内，但立式结果回缩的距离大于 0.74m。在这里可以考虑在固定支杆的底部安装一个中央回转接头，用来实现工作机构的回转。回转机构的结构形式，可以参考挖掘机回转底盘。工作机构倒挂的形式，如方案二。这种结构可以很好的实现机构向车体靠拢，使得整个工作装置得以在安全的界限内。但由于机构外伸的杆安装在车体的工作平台上，而工作平台距轨面的距离只有 1.5m 左右，切割的高度需要 4.5m，要满足这样的切割空间，就要增加外伸杆的长度，这样回增加了实际切割的范围，而这个范围是远大于建筑限界的接近范围的。再者，整个限界保持机构只是在一定的时间段需要，那么就要求整个装置可以和方便的拆装，这种倒挂式的结构，整体的支撑架安装在车体的工作平台上，是不利于安装或拆卸的。综合上面对各种方案的分析，在老师的指导下，我们选用第一种机构方案，采用一个圆形的刀具作为切割刀具，固定底座的与回转伸缩机构连接，实现整个工作装置的回转或伸缩。但在建模初步完成后，发现单靠辅助油缸的伸缩是不能完成车体高度4.5m 的切割高度的，于是，通过计算分析，将固定的支杆改为一个可以靠油缸来实现上下运动的机构。实际的模型将在后面的章节中给出。
