既有铁路线桥梁 “即换即通车”——世界首台“换运架”一体机“太行号”研发纪实
科技日报记者 矫阳
6月20日,朔黄铁路黄骅南站,晨光熹微。
(相关资料图)
一列“两车夹一机”的特殊编组工装,由机车牵引,沿着铁路线前行,同时置换着线路上的混凝土桥T梁。全长87米、自带4条“收折”支腿、宛如钢铁长龙的工装,完成“换、运、架”全部作业一气呵成,整体换梁效率较传统工法提升3倍以上。
这是世界首台换、运、架一体机“太行号”,由中铁第五勘察设计院集团有限公司(简称“铁五院”)和国能集团朔黄铁路公司联合研制。
对既有线老旧、病害箱梁的换梁作业,以往主要使用的台架横移换梁、龙门吊换梁等方式,均受限于特定的适用场景,需长时间断线、改线进行施工。“太行号”完成全部作业,仅用了4小时“天窗期”,在世界范围内首次实现既有铁路线“即换即通车”。
从2019年开始,在中国铁建《运营条件下铁路简支T梁更换装备研制及示范应用》重大科研专项支撑下,技术团队历经4年,终于研制出“太行号”。
15.5万公里既有铁路线,40%桥梁使用30年以上
截至2022年底,全国铁路营业里程已达到15.5 万公里。
我国既有运营铁路线最早要追溯到清朝末年,很多普速铁路运营周期已超半个世纪。40%的铁路桥梁使用年限达到30年以上,桥梁更换需求十分迫切。
“未来10年至20年内,围绕我国既有铁路桥梁更新与快速迭代,未雨绸缪做好营业线的高质量维养,是实现‘交通强国’战略的重要市场一环。”铁五院总工程师谌启发说。
为应对未来既有铁路线改造和抢修,自2019年开始,铁五院研发团队承担了中国铁建《运营条件下铁路简支T梁更换装备研制及示范应用》重大科研专项。
研发快速更换铁路桥梁装备的构想,最早诞生于2012年。
那时,新中国成立之初“老三线”——成昆、成渝、湘黔陆续出现老旧、病害等问题。
“这些既有铁路都地处崇山峻岭,按已有方法更换桥梁,作业牵动面广,影响运营,而且安全保障任务艰巨。”“太行号”总设计师梁志新说。
“传统换梁施工方法,需要长时间断线、改线,给铁路运营造成很大影响;同时,面对目前普遍存在的高墩、复杂地形,现有换梁设备及技术均无法满足。”梁志新说。
尽快研发出全新工程装备,提升既有铁路桥梁“换、运、架”技术,刻不容缓。
首创“收折式”设计,让换梁机具备姿态转换功能
产生研发换梁机构想之初,技术人员就一直在思索,如何寻觅一种更好、更快、更高效、更安全的换梁技术。
“关键难题是如何缩短‘时间’。铁路施工天窗期一次只有4小时,而现有铁路换梁技术根本无法在4小时内完成。”梁志新说。
没有技术参照与案例依据,研发团队的思路一直囿于如何改进以往架桥机架桥的工艺。
既然架桥是一片片梁架,换梁也应该是一片片梁换。
但模拟中发现,一片片换梁效率太低,时间长、工序多、受限条件增大,而且运营线上的安全性更难保障……
没有好的经验和点子,研发团队不断总结已完成的其他科研项目和铺架技术。“每完成其他项目的空闲时间,各专业都会重新讨论,在实践中摸索总结,探索新的换梁思路。”
单片换梁行不通,整孔换梁行不行?
2019年,在一次技术讨论会中,“昆仑号”项目总设计师梁志新提出了这个设想。“昆仑号”是世界首台千吨级高铁桥梁运架一体机。
研发团队在研发“昆仑号”过程中,积累了更多的实践经验,也有了敢于突破、敢于尝试的底气。
随后,研发团队大胆提出方案设想,决定使用整孔换梁方式来简化工序,打破时间限制,完成4小时天窗期内快速换梁的预期。
然而,新问题也同时到来。整孔换梁过大,未来的换梁机在稳定和升降上都有严格的限定。“四个转轴的步调必须严格保持一致,确保换梁机稳定,同时,因为要躲避铁路线路上的接触网,换梁机还要考虑升降和界限……”在梁志新看来,这些难度加起来,超过单片换梁难度的10倍。
方案探讨足足持续了两个月。期间,桥梁、机械、结构、电力等各个专业人员,不断对关键技术、稳定测算和模型分解等研究,光是大方案就推翻过三次。
“建立”与“推翻”,不断反复。最终,一个成功的切入点被找到——采用“两车夹一机”编组运行方式,在世界范围内首创了“收折式”设计理念,让换梁机具备“整机换、运”的姿态转换功能。
这个方案解决了换梁装备的各个难题,达到在铁路运行过程中整体不超限界。“既能在既有铁路线上行驶运输,又不需对运输沿线接触网等附属设备进行迁改。”梁志新说。
至此,“太行号”具备了一体化施工能力,实验证明,可以适用于各种复杂工况,换梁工序及施工人员大幅减少,较传统工法换梁效率提升近3倍,实现“即换即通车”。
一套线上运输、施工的应急响应方案同时完成
随着研发团队对技术思路的确定,另一个难题也随之诞生。
在既有铁路线上施工,不仅是一个单独的换梁机研发问题,同时还是一整套施工组织与管理问题。
一套线上运输、施工的应急响应方案需要同时完成。
“大规模铁路换梁,绝非仅是简单的断线施工,涉及的是整个物资和人员运输。一旦过程中出现差池,将造成难以估量的损失。”“太行号”课题组负责人万鹏说。
作为重载铁路有换梁需求,既往换梁技术难以满足正线施工需求,研发团队需要对样机进行系统试验测试,确保上线施工后“万无一失”。针对“太行号”研发及投用,铁五院与国家能源集团朔黄铁路公司达成这样的共识。
为确保“太行号”成功实现“天窗期”内整孔换梁作业,朔黄铁路公司提供专门试验场地,用于“太行号”的整体换梁试验。“双方合作,从生产组织、运营管理、安全管理等方面同步创新管理模式,针对装备首次‘上线作业’采取了多项有效措施,最终形成了换梁机全套换梁作业技术与安全管理体系。”万鹏认为,全套换梁作业技术与安全管理体系,为我国既有铁路维修养护实现机械化、智能化形成一套可复制、可推广的工程化应用经验。
“研发出‘太行号’只是第一步,为既有铁路换梁施工提供全产业链的成套服务,是‘太行号’的最终目标。”铁五院机械公司总经理孙世豪说。
面对未来既有线上的换梁难题,团队成员仍在持续攻坚。
目前,研发团队已投入到对“太行号”的升级研发、设计之中。“我们要让‘太行号’满足24米、32米全工况、多种梁型的换架需要,继续为我国铁路既有线快速安全维养与高质量迭代发展,提供补链延链的产业布局和可靠的工装保障。”说到“太行号”的大规模投用,万鹏信心十足。
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