工艺技术_新型高铁轨道板先张工艺成套装备设计论文

硕士学位论文 新 CRTSIII 型高铁轨道板先张工艺成套装备设计 作 者 姓 名 ： 宋 海 磊 学 科 、 专 业 ： 机 械 工 程 学 号 ：212011085201012 指 导 教 师 ： 吴 元 文 王 进 戈 完 成 日 期 ： 2013 年 4 月 Xihua University Master Degree Dissertation The Design of Auxiliary Equipment for the Production of the New Slab Ballastless Track of CRTSIII with Pretensioning Method Candidate : Song Hailei Major : Mechanical Engineering Student ID: 212011085201012 Supervisor: Prof. Wu Yuanwen Prof.Wang Jinge April, 2013 西华大学学位论文独创性声明西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。 尽我所知， 除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期 西华大学学位论文版权使用授权书西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。(保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期 西华大学硕士学位论文 I 摘 要 本文研究高铁轨道板采用先张工艺生产时所需要的配套机械设备，目的是为了设计 出实现高铁轨道板先张生产的配套机械设备，主要任务是先张工艺同步放张器的设计， 轨道板模具的设计和张拉工具的设计。这些设备的运用是为了杜绝轨道板的微裂纹，提 高强度进而提高安全性。 在研究的过程中，先到轨道板工厂考察生产流程，了解轨道板的要求。然后根据要 求对放张器、模具和张拉工具进行设计，对设计的零件进行三维建模和有限元分析。最 后又把生产出的放张器、 模具、 初张拉工具等设备在齐齐哈尔试验车间进行轨道板试制， 在试用中发现不足及时对产品进行优化设计。 通过研究改进，放张器能够实现缓慢同步放张，最终杜绝了轨道板的裂纹。并且我 们也将放张器申请发明专利。模具在使用中也满足先张工艺的要求，并获得现场工人的 普遍好评。 高铁轨道板先张工艺成套设备，通过设计计算、软件分析、现场使用，都取得圆满 成功。放张器可以实现同步放张，通过对试制的轨道板进行检测，结果表明轨道板的强 度有明显提高。这些设备为我国高铁轨道板先张工艺的自主生产提供保证，并且这些先 张工艺的轨道板必将应用在高铁轨道的铺设上。 关键词：高速铁路；CRTSIII 型轨道板；先张工艺；放张器；轨道板模具；初张拉 工具 新 CRTSIII 型高铁轨道板先张工艺成套装备设计 II Abstract The paper studies the mechanical equipment when product the high-speed rail track slab using the pre-tensioning method. The purpose is to design the mechanical equipment for the prestress pretensioning. The main task is to design the synchronization unloading mechanism, the track slab and the tensioned tool. The use of the devices is to eliminate the micro-cracks of the track slab and improve the strength of the track slab. In the course of the study, I firstly inspect the production process and the requirements of the track slab in the track slab factory. Secondly, I design the unloading mechanism, molds the tensioned tool, and analysis the all parts. Last of all, all the equipments are used in Qiqihaer pilot plant. And optimize the design of the lack found in the trail. The unloading mechanism can slow sync unloading and eliminate the micro-cracks .And I will application for the invention patents for the unloading mechanism. Molds meet the requirements of the prestress pretensioning method. The equipment for the pre-tensioned process of the high-speed rail track slab is made by design, software analysis, on-site use. We have achieved a great success .The detected results show that the strength of the track slab. These devices provide assurance for independent production of the track slab with pre-tensioned method and the track slab will be used in the high-speed rail. Key Words： High-speed railway; The slab track of CRTSIII; The prestress pretensioning method; Unloading mechanism; Track slab mold; Tensioned tool 西华大学硕士学位论文 III 目 录 摘 要 . I Abstract II 引 言 1 1.1 课题立项背景 . 1 1.2 轨道交通及轨道板的发展及现状 . 1 1.3 新 CRTSIII 型板的要求及检测 4 1.4 课题研究的主要内容 . 5 2 新 CRTSIII 型板生产工艺介绍 7 2.1 先张工艺与后张公艺介绍 . 7 2.2 新 CRTSIII 型板先张工艺介绍 . 7 3 生产线及配套设备总体方案 12 3.1 新 CRTSIII 型板生产线的介绍 . 12 3.2 新 CRTSIII 型板成套装备总体方案 . 13 4 关键设备设计 15 4.1 模具设计 . 15 4.1.1 新模具的特点 15 4.1.2 模具底座的设计 18 4.1.3 主框架的设计 20 4.1.4 套管定位的设计 20 4.1.5 脱模机构的设计 21 4.2 放张器的设计 . 23 4.2.1 气液联动放张器的设计 23 4.2.2 油液放张器的设计 33 4.3 张拉工具的设计 . 35 4.3.1 结构设计 35 4.3.2 结构及驱动部分设计 36 5 三维仿真分析及试验后优化改进 38 5.1 建模仿真分析 . 38 5.1.1 模具建模及仿真 38 5.1.2 放张器建模及仿真 40 5.1.3 张拉工具建模及仿真 41 新 CRTSIII 型高铁轨道板先张工艺成套装备设计 IV 5.2 试验分析 . 43 5.2.1 模具试验 43 5.2.2 放张器试验 43 5.2.3 张拉工具试验 47 5.3 优化改进 . 47 5.3.1 模具优化改进 48 5.3.2 放张器优化改进 48 5.3.3 张拉工具优化改进 51 结 论 52 参 考 文 献 54 附录 A 附录内容名称 55 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果 57 致 谢 58 西华大学硕士学位论文 1 引 言 1.1 课题立项背景 在德国、法国的带领下，欧洲修通了主要城市间的高速铁路。日本也从新干线开始 修建了多条高铁干线。 中国宏观发展的同时各地区间交流也成为迫切需求，高铁的快速发展在此背景下产 生。京沪高铁连接了首都北京与金融中心上海，京津城铁连接了两个直辖市，武广高铁 连接了沿海与华中，郑西高铁缩短了中原与西部的旅行时间。 轮轨是高铁的主要研究对象，与机车和高速供电接触网组成高铁技术的三大方面。 在轨道的发展中经历了传统的有砟道床轨道发展到现在的无砟轨道技术。现在高速铁路 的无砟轨道有源自日本的单元式 CRTSI 型板（China Railway Track Slab，中国高铁无咋 轨道），源自德国博格的 CRTSII 型板和我国自主设计的 CRTSIII 型板。 但在实际使用中各种轨道板都存在不同的问题， CRTSI 型板后张法制板存在张拉钢 筋断裂的问题，CRTSII 型板先张拉，但存在需要磨削加工的问题，因此在铁道部的牵 头下，由中铁二十三局承接的科研项目高速铁路先张轨道板关键技术研究，来解决现存 的问题。 在先张轨道板关键技术研究的过程中，需要改进生产工艺，更换原来的生产设备， 根据新的工艺要求设计新的配套设备。配套设备的研发项目由中铁二十三局、宜宾普什 集团、西华大学本课题组共同联合的产学研项目。根据铁道部科研项目的要求设计先张 工艺的生产线及配套的相关设备。 1.2 轨道交通及轨道板的发展及现状 随着科技的进步及生产力的提高，轨道交通在过去的一百多年里发生了巨大的变化。 列车本身也在发生着变化，机车系统也由原来的蒸汽机车发展到现在的分布动力的动车 组，轨道也由原来的道砟轨道发展到现在的无砟轨道。无论经历了多大的变化，作为轨 道交通的轨道及轮轨是永恒不变的主题。 轮轨作为铁路交通的基础，是列车的载体，轨道一经铺设需要长期使用，期间需要 对钢轨、扣件及连接件进行维护。同时轨道要有足够的安全性，低震动、低噪声，低维 护或免维护、同时要达到尽可能的经济实用性。 列车为了达到舒适要求，就需要对钢轨进行调整。正常情况下，两根钢轨是要铺设 在同一水平面上的，轮子由于重力长期与钢轨接触，由于钢轨的最顶部受力不均匀，磨 新 CRTSIII 型高铁轨道板先张工艺成套装备设计 2 损程度也不一样，会磨合成向轨道中心线倾斜的某一角度，一旦达到此角度后，后续的 磨合损耗将大大缓和，基本维持在这一固定角度水平上。 轨道发展经历了道砟道床轨道、无砟轨道等几个阶段，每个阶段都有自身的特点， 轨枕的使用也随之发展。道砟道床是最为原始的轨道形式，枕木、道砟及底砟构成道砟 道床，排列好的枕木与钢轨一起组成了轨框。轨框里面用道砟填满，道砟与轨道的轨框 结合作用使得机车的载荷均匀的传递到路基。道砟道床的优点是取材容易（例如木料， 石子），施工相对简单快速，费用低廉，轨道的维修方便，调整变形容易，同时道砟还 具有减少震动，吸收噪音的功能。 道砟道床发展也存在较多的制约因素， 例如列车行车速度的提高、 列车载荷的增加， 班次的增加等因素更是大大提高了轨道结构的老化速度，维修次数成倍增加，养护费用 显著提高。 养护对人力的依赖较多， 是粗重又耗费体力的工作， 况且还得不分昼夜工作， 所以经常出现人力短缺，工资支付急剧上涨。天然资源也是其制约因素，如制作枕木的 木料，制作道砟的石子，正在慢慢匮乏。另外整砟及维护作业容易出现石子飞溅，灰尘 飞扬的情况，对周围环境的污染较为严重。 随着技术的发展和以上因素的制约，无砟轨道应运而生。无砟轨道无需整砟基本不 需要养护，突破了道砟轨道养护作业大量依靠人力的制约。城市轨道交通大多为地下或 者高架，传统道砟道床整砟作业对环境污染较重，无砟轨道更适合城市轨道交通。大幅 度的缩减维护时间，营运时间大大增加。 无砟轨道板又有不同的形式，有 CRTSI 型板、CRTSII 型板、CRTSIII 型板以及现 在试验阶段的新 CRTSIII 型板。虽然都是现在铺设轨道用的轨道板，但这些类型的轨道 板都又有各自的特点。 图 1.1 CRTSI 型板 Fig.2.1 Slab Track of CRTSI 西华大学硕士学位论文 3 CRTSI 型板起始于日本的板式轨道，采用单元板式，利用座基的凸形挡台进行纵向 定位，防止轨道板出现纵向的位移造成较大误差。CRTSI 型板的最大的特点是对轨道板 的精度要求较低，直接安装，然后在安装后进行集中地轨道调整。所有精度取决于安装 精度，板与路基之间的误差，最后都是通过浇筑沥青来消除，最大的特点就是在调整阶 段需要投入大量人力耗费大量工时，进度较慢效率较低，但是相对来说费用较低。现在 的哈大客专和齐哈客专就是运用的 CRTSI 型板铺设的高速铁路轨道。 CRTSII 型板是改进型博格式无砟轨道系统，来源于德国轨道板技术博格板式无砟 轨道，利用纵向相连接的钢筋把各块轨道板纵连起来。与 CRTSI 型板相比，CRTSII 型 板是带有承轨台的轨道板。CRTSII 型板是通过磨床打磨使轨道板直接精调到位，直接 铺设钢轨后可以不用调整就能满足运营要求。这种方法是通过机械化施工和数字化管理 来最大限度的减少人力的投入。虽然不用在铺设后进行轨道调整，但承轨台精度要求较 高，需要在专用轨道板磨床上进行打磨，生产效率受打磨速度的限制。京沪、石武、京 石客运专线都用的是 CRTSII 型轨道板，京沪线主要是试验阶段，石武全线进行应用铺 设。但是 CRTSII 型轨道板本身存在缺陷，况且是生产工艺、生产设备原封不动引进德 国技术，由于工艺、设备、技术的限制造成额外费用较高，施工成本相当高。 图 1.2 CRTSII 型板 Fig.1.2 Slab Track of CRTSII CRTSIII 型板是我国自主研发的一种新型轨道板，它汲取了德国和日本两种无渣轨 道板的优点，剔除缺点和不足，然后重新设计制作。较为简单的理解就是在 CRTSI 板 的基础上借鉴德国博格板的承轨台及先张工艺，长度尺寸有 P5600、P4925 和 P4856 还 有根据线路转弯半径设计的曲线板等几种。 CRTSIII 型板制作改变了 CRTSI 型板的后张 工艺。CRTSIII 型原型板最先在成灌专线试验成功，并且获得铁道部的高度认可。现在 的武汉城市圈城际轨道使用的是 CRTSIII 型板，国产技术已经超过 90%，成本的耗费相 对较低，同时生产效率得到大幅度的提高。 新 CRTSIII 型高铁轨道板先张工艺成套装备设计 4 CRTSIII 型板铺设在钢筋混凝土底座，且对每块板进行位置限制的结构形式。 CRTSIII 型轨道板由钢轨、相应扣件，混凝土底座等相关部分组成。 图 1.3 CRTSIII 型板 Fig.1.3 Slab Track of CRTSIII 就制作工艺来说，CRTSI 型板、原来的 CRTSIII 型原型板是后张工艺，CRTSII 型 板是先张工艺，新 CRTSIII 型板也采用先张工艺。理论分析和实际试验中先张工艺制作 的轨道板的效果好于后张法，所以铁道部提出改进制作工艺，将原来的 CRTSIII 型板改 为先张工艺的新 CRTSIII 型板。新 CRTSIII 型板的先张工艺也区别于 CRTSII 型板的先 张工艺，但 CRTSIII 型板改为先张工艺后最大的问题就是如何实现同步放张，工艺的创 新，必然需要实现工艺的设备的创新。 1.3 新 CRTSIII 型板的要求及检测 新型 CRTSIII 板与既有的自主研发 CRTSIII 板的不同在于：轨道板厚度由原来的 190mm （严寒地区为 200mm） 增加为现在的全部厚度 210mm； 预应力筋端部锚穴孔纵、 横向均为直径 30mm深 55mm的圆孔。 这种结构优化了轨道板结构中预应力体系，采用双向张拉双层钢筋先张预应力结构， 不仅提高了轨道板的整体强度，同时又克服和改变了由于钢厂或 PC 钢棒生产中因材质 缺陷及加工制造工艺瑕疵造成的成品轨道板内的钢棒“延时断裂”的问题。预应力钢筋 在端部设置锚固板， 不仅减小预应力的传递长度， 而且又可以长久保持预应力值不损失， 提高轨道板的耐久性。 采用现在预应力钢筋与结构钢筋共同互补受力的混凝土结构，有利于降低构件的纵 横向预压应力，从而避免沿钢筋走向出现纵向裂纹，提高轨道板的整体强度，提高轨道 板抗冲击抗疲劳的耐久性能，而且克服了单一结构存在的诸多不利因素；对轨道板中构 造钢筋丝位进行优化调整，构造钢筋直径由原来的 12mm调整为 8mm。 西华大学硕士学位论文 5 预应力钢筋端部采用内藏式，钢筋头不外露，防止外来水的长期浸蚀以及空气中其 他有害介质的侵害， 提高了轨道板的耐久性能。 轨道板内的锚固板沿径向凸出于先张纵、 横向预应力钢筋，锚固板呈圆柱状，外端面与圆柱面之间设置有圆弧倒角 R，锚固板与 纵、横向预应力钢筋通过螺纹连接后再与板体卡式连接形成锚固结构，这种工艺，彻底 解决了预应力钢筋端部的局部回缩。 锚固板与纵、 横向预应力钢筋一样均封装于板体内。 纵横向预应力钢筋端部锚穴孔均为 30 圆孔。 锚穴孔发生了很大的改变，锚穴孔的直径和深度远小于现有后张板中锚穴孔的尺寸。 增加锚穴孔周围混凝土厚度， 构件不易开裂， 有效控制锚穴孔周边混凝土浅薄性微裂纹， 延长轨道板使用寿命。轨道板的力学性能改变，由于锚固板具有哑铃效应以及纵、横向 预应力钢筋与混凝土之间有更充分、更密实地握裹而获得握裹力，因此轨道板的力学性 能能够更好。 新 CRTSIII 在成产出来之后要进行质量检测，保证能够达到使用的精度，达到轨道 板要求的强度。质量检测包括平面度检测和承轨台检测，强度检测和疲劳检测。 承轨台的检测相对来说简单，只需要轻便设备即可，可以在任何场合检测。承轨台 部分主要检测大钳口、小钳口、轨底坡。如下图是检测承轨台的示意： 图 1.4 检测 Fig.1.4 Detection 但是轨道板的强度及疲劳检测相对来说需要就复杂得多，需要在专用实验室使用专 用设备进行试验，根据试验结果分析是否达到要求。 1.4 课题研究的主要内容 本论文主要是针对先张工艺设计生产线和配套设备，用以满足批量生产满足精度要 求和强度要求的先张工艺的新 CRTSIII 型轨道板。 新 CRTSIII 型高铁轨道板先张工艺成套装备设计 6 最初先了解生产厂房的情况，根据场地安排设备及生产线。设备设计验算后，用三 维软件仿真分析，最后现场试验后进行优化设计。 在设计生产线及配套设备时，除了考虑使配套设备满足使用功能，还要考虑如何提 高生产效率，如何提高可操作性并尽量减少人力的投入，如何在提高强度可靠性的同时 做到减少成本，包括设备的成本及人力成本。 西华大学硕士学位论文 7 2 新 CRTSIII 型板生产工艺介绍 新CRTSIII型板采用先张工艺， 需要解决在放张时众多张拉钢筋如何实现同步放张， 这是能否实现先张工艺关键技术攻关的重点。 2.1 先张工艺与后张公艺介绍 轨道板的制作工艺分为先张法与后张法，两者的重要区别是钢筋在设定的预拉力下 拉紧后在浇筑，预应力钢筋与混凝土固结在一起是先张法，后张法是指在混凝土预制固 化成型后，在其纵横双向或单向采用预拉钢筋和锚固件对预制板施加压力防止其开裂的 一种工艺。 (1)先张法 先张工艺即先张拉钢筋后浇注混凝土。先按要求将钢筋张拉，浇筑后待混凝土达到 设计强度 80%以上切断钢筋或放开两端张拉力，适用于工厂化批量生产。 新 CRTSIII 对工艺稍有改动，在张拉钢筋端部还增加锚固板，钢筋弹性回弹可以消 除，应力损失较少。 (2)后张法 后张法施工主要是： 先直接浇混凝土， 待混凝土凝结达到设计要求强度的 80%以上， 然后张拉钢筋(钢筋束)。 先张法与后张法的对比如下： 表 2.1 工艺对比表 Tab.2.1 Process Comparison 工艺 抗裂性 抗翘曲性 微裂纹 用钢量 总成本 先张工艺 较好 较好 可避免 较少 较低 后张公艺 一般 一般 较多 较多 较高 通过以上对比可以知道先张工艺的轨道板质量要优于后张法，先张法的材料用量较 少，所用成本相对较低。 2.2 新 CRTSIII 型板先张工艺介绍 先张法新 CRTSIII 型轨道板生产工艺如下： 新 CRTSIII 型高铁轨道板先张工艺成套装备设计 8 图 2.1 生产工艺流程 Fig.2.1 Production Process 工序过程控制及方法，新 CRTSIII 型轨道板的施工工艺多处与 CRTSIII 型轨道板工 艺相同，此处只对不同工艺进行说明。按新 CRTSIII 型轨道板设计图纸的要求，构造筋 采用定尺下料。 钢筋笼编制完成后，第一步，分别将纵、横向预应力钢筋的一端安装好锚固板；第 二步，沿钢筋笼横向对应位置从一侧穿入一层横向预应力钢筋在钢筋笼中；第三步，沿 钢筋笼纵向对应位置从一侧穿入两层纵向预应力钢筋在钢筋笼中；第四步，沿第二步对 应位置从一侧再穿入一层横向预应力钢筋在钢筋笼中；第五步，分别在穿好的纵、横向 西华大学硕士学位论文 9 预应力钢筋的另一端安装好锚固板（锚固板上设有内螺纹孔，在纵、横向预应力钢筋端 部均设有外螺纹段，纵、横向预应力钢筋均与锚固板螺纹连接）。 “2 4 单元矩阵结 构”模型内相邻两个模型之间的纵、横向预应力钢筋端部分别用连接杆同轴固定连接； 位于模型矩阵外侧的纵、横向预应力钢筋端部分别用连接杆与张拉系统同轴固定连接。 首先对纵、横向预应力钢筋逐一进行初张拉。预应力筋的初张拉值为设计张拉应力 的 20%。采用专用初张拉千斤顶逐一进行单根钢筋初张拉，实时数显初张拉的拉力值。 等待张拉完成后逐一检查预应力筋是否有卡阻，如果存在卡阻，需要放松后重新调整， 然后再重新张拉。 然后对横、纵方向的预应力钢筋进行整体同步张拉。 图 2.2 张拉分布 Fig.2.2 Distribution of Tension 张拉通过张拉系统完成，且先张拉横向，后张拉纵向预应力钢筋。该张拉系统包括 框架梁、张拉横梁、连接杆、张拉千斤顶等。位于模型矩阵外侧的连接杆均与框架梁、 张拉横梁固定连接。 张拉时采用 2 台千斤顶带动张拉横梁沿横向或纵向移动，分别完成横、纵向预应力 钢筋的同步张拉，并同步自动显示、记录预应力钢筋张拉力。 浇筑混凝土（同原 CRTSIII 型轨道板的生产）。 新 CRTSIII 型高铁轨道板先张工艺成套装备设计 10 蒸汽养护：养护以“2 4 单元结构”为整体，在养护坑顶部设置推拉式顶盖，顶盖 封闭后进行蒸汽养护（其余同原 CRTSIII 型轨道板的生产）。 图 2.3 蒸汽养护 Fig.2.3 Stream Maintenance 对混凝土应力块进行强度检测，当混凝土应力块的强度达到设计强度的 80%以后， 放张。放张工序包括：第一步：同步放张，然后解锁横向模型之间的连接杆；第二步： 同步放张，然后解锁纵向模型之间的连接杆。拆除预应力钢筋两端的连接杆，张拉系统 及放张系统等。 脱模吊装，先将模具的端模、侧模松开，用龙门吊吊出轨道板（与原来的 CRTSIII 型轨道板的工序相同）。 图 2.4 脱模吊装 Fig.2.4 Demould and Hoisting 西华大学硕士学位论文 11 封锚：锚穴孔是由张拉杆头在混凝土内部形成的凹坑，应该先清理锚穴孔内部，填 压砂浆后对其进行振捣。 图 2.5 封锚 Fig.2.5 Anchor Seal 水养：水养是将生产出的轨道板放入水中池中（同原 CRTSIII 轨道板的生产）。 图 2.6 水养 Fig.2.6 Water Curing 新 CRTSIII 型高铁轨道板先张工艺成套装备设计 12 3 生产线及配套设备总体方案 3.1 新 CRTSIII 型板生产线的介绍 新 CRTSIII 型轨道板的制作采用先张工艺，就是在轨道板的浇筑前对钢筋的进行张 拉。生产车间要有事先做好至少“2 4 单元矩阵结构”的基坑，厂房装有足够跨度的龙 门吊，吊装模具及轨道板用。初张拉时在基坑外对已经调整好的钢筋进行张拉，初张拉 是对单根钢筋进行。然后进行同步整体张拉，使用油压千斤顶，数控同步张拉。 混凝土的浇筑采用龙门吊吊装料斗进行浇筑，还要对钢筋混凝土进行振捣。然后对 轨道板进行蒸汽养护，对构件试块测试强度达到 80%后蒸汽养护结束，大概需要十二小 时。强度达到要求后，开启放张器进行放张，放张时一定要达到同步，还要注意安全。 放张完成后将轨道板模具的端模、侧模锁紧螺母拧开，松开模具脱模。最后用龙门吊将 轨道板吊入水池进行水养。 由以上的工序完成了轨道板的生产，总体生产车间的布置是从一端进料，先放置在 一个区域。紧挨着是一个坑池，轨道板模具放在坑池内，轨道板在坑池内生产。接着便 是水养池，生产好的轨道板吊入水池进行水养。水养完成的轨道板集中放置在一个轨道 板放置区域。 图 3.1 生产线简图 Fig.3.1 Diagram of Production Line 注 1）进料堆放区 2）基坑 3）龙门吊导轨 4）水养池 5）成型板堆放区 西华大学硕士学位论文 13 先张工艺的改进使得张拉设备也与之前的设备有很大的不同，所以要重新设计张拉 设备。新工艺要求先对单根钢筋初张拉，在对多跟钢筋整体同步张拉，这样做就是为了 防止出现单根钢筋长度误差或钢筋材质原因造成的同步张拉时不同钢筋上受到的力大 小不同而产生较大的误差。 先张工艺要求张拉时要先进行单根钢筋的初张拉，张拉力达到钢筋最终张拉力的 20%，因为钢筋数量较多，单根张拉的时候要设计的初张拉工具尽量的简单轻便，便于 工人的现场各根钢筋的移动操作。张拉力较大，并且要求设备要小巧，所以选定液压推 顶的方案最为简单，可以满足以上两个要求。采用油泵对油缸供油推动连接杆带动预张 拉钢筋，通过液压系统的油压转换为对钢筋的拉力，达到压力后通过内部的链条传动带 动螺母套将已经张拉出来的螺母旋紧，完成初张拉的工序。对每根钢筋进行初张拉之后 用螺套连接固定在坑壁外的钢梁上用两个千斤顶对钢梁整体张拉，此时所有钢筋上受到 的张拉力相等，钢筋的伸长量自然相等。 模具在以前轨道板生产中也已经使用，但是随着先张工艺的改进，原来使用的模具 自然暴露出了很多不适宜的问题。针对工艺的改进以及所出现的问题，对模具做出具有 针对性的改进。 初张拉工具是新设计的工具，液压作为张拉动力，可以使结构相对简单，在符合要 求的前提下做到体积尽可能小。 生产线的总体来说，龙门吊用来起吊模具、轨道板的较重的设备。混凝土料斗放在 厂房门口指定的位置，也是方便龙门吊吊装的位置。张拉设备放在基坑外指定的位置， 需要张拉时小幅度调整即可，这样节省时间提高效率。放张设备就放在基坑内模具下面 的空间内，每次使用都很方便。 3.2 新 CRTSIII 型板成套装备总体方案 新 CRTSIII 型轨道板先张工艺配套设备的设计既要考虑满足轨道板工艺、功能要求 还要考虑效率和操作简便性。根据课题要求及铁道部实验和中铁二十三局的工艺流程， 配套设备有新 CRTSIII 型板模具的改进，张拉设备的设计，放张器的设计。 模具的设计在原有版型的模具的基础上，根据铁道部科研项目“先张法预应力体系 无砟轨道结构系统试验研究”的新要求进行重新设计。模具的刚性要提高，优化结构减 轻重量，将原来模具工字钢框架，在不降低强度的情况下改为丁字焊接框架。面板的平 面变形量要小于 3mm，能够省去磨床打磨的工艺，保证了模具底模面板在受到较重钢 筋混凝土的压力下变形量在 3mm以内， 即可保证两排承轨槽能够在设计的同一平面内， 可以减少打磨工艺，不过设计与制造的难度将增加很多；针对生产过程中出现的套管松 新 CRTSIII 型高铁轨道板先张工艺成套装备设计 14 动现象，增加套管定位改进，在原来的生产过程中，套管的固定方法简单，是靠套管和 套轴之间的过盈配合的摩擦力来固定的，但是在水泥的浇筑过程中需要进行高频率长时 间的振捣，振捣过程中可能造成套管的松动，引起渗水造成锈蚀，影响使用寿命。 放张器是先张法新 CRTSIII 型板的新工艺，需要根据科研项目的要求设计、试验、 改进。 项目要求是直径尽可能的小， 需要在狭小空间使用， 工人在生产过程中多次移动， 重量要轻，尽可能减少工人的劳动强度，放张时操作要尽量简便，以免在放张时出现操 作事故。方案一气液联动放张器采用液压与气压联合控制，液压缸部分承受钢筋的预拉 力，放张时由同一高压起源连接所有放张器的气压接头，通入不低于 0.8MPa 的压缩空 气，高压起源将控制部分顶开，进而同步放张。方案二油液放张器专用螺母及螺纹盖承 受钢筋的拉力放，放张时油泵供油活塞及螺母移动，拧松螺纹盖使其放张。 初张拉工具也重新设计，以满足先张工艺中的单根钢筋张拉工序要求。初张拉工具 要做到操作简单，方便移动，可以调节以适应不同初拉力的张拉使用。 西华大学硕士学位论文 15 4 关键设备设计 4.1 模具设计 4.1.1 新模具的特点 新 CRTSIII 型板改为先张工艺之后，就需要对模具进行调整，因为新 CRTSIII 型板 与 CRTSII 型板相比省略磨床对承轨槽部分的打磨，因此整个 CRTSIII 型板的精度取决 于模具的制造精度，承轨槽及构件面板的平面度误差必须保证在设计的范围内，所以需 要对模具结构进行优化，减小变形。 另外，先张工艺中放张时模具需要承受较大的冲击，需要在于基坑接触部分增加缓 冲装置。以前生产中出现过导套管松动，混凝土泥浆进入导套的内孔及螺纹中，引起道 钉无法拧入，导致整块轨道板作废造成经济损失。针对以前生产过程中出现的套管容易 松动及端模、侧模在脱模时移动受到限制的问题，做出相应的改进，增加套管定位及锁 紧机构来固定套管，增加导轨机构提高侧模、端模的可移动性。 图 4.1 模具装配图 Fig.4.1 Assembly Drawing 现在使用的大部分模具虽然具体结构各有特点，但主体框架是采用焊接拼装的方法。 端模、侧模是采用面板、横板焊接后加焊肋板。焊接过程中要保证焊透，防止焊接过程 新 CRTSIII 型高铁轨道板先张工艺成套装备设计 16 中产生过大的焊接变形。肋板起辅助加强作用，以防面板、横板在受到较大的力后产生 不必要的变形，影响板的精度。 现在使用的模具侧模、端模与底模是通过支杠、支点与底模连接的，脱模时端模、 侧模支杠绕支点转动向外移动一定距离。承轨台的套管与底模面板承轨槽的连接是靠套 管底部圆柱与承轨槽圆孔的过盈配合摩擦力实现的。面板底部支撑的主框架是靠工字钢 焊接成#形框架结构。模具底部是与坑池的混凝土固定连接的，受到完全约束，不仅在 竖直方向不可移动，在水平方向上也不可以移动。 图 4.2 模具二维图 Fig.4.2 Planar Graph 注 1）镶角 2）端模 3）底模面板 4）导轨 5）侧模 6）振动器安装架 7）套管定位机构 8）橡胶弹簧 新模具在原有模具的基础上做出相应的改进， 依照侧模包端模的方案， 只是在端模、 侧模的钢筋排布上有所变化以适应新板型的改进，能够更加适应先张工艺，模具最大的 改进在于底模面板上承轨槽部分，还有就是增加套管定位机构和锁模机构，把原来的模 西华大学硕士学位论文 17 具与基坑的螺栓固定连接改为现在的通过橡胶弹簧垫块的连接，保证在受到外力后有一 定的水平方向的位移，减少拉力直接作用在模具上，减少模具的使用寿命。 图 4.3 侧模 Fig.4.3 Lateral Mode 模具的改进设计是在原有模具框架基础上进行的，相对来说难度较小。最主要的是 焊接及加工部分，焊接既要保证焊接质量，不得出现焊接瑕疵，还要保证焊接不能出现 较大的焊接误差，保证足够的加工精度。焊后加工时，加工面较长，需要选定一定的加 工基准，保证加工时候不会出现较大的累积误差；铣削保证足够的平面度，还要保证粗 糙度的加工要求。最难焊接的部分是主框架部分，多块钢板的焊接，容易出现较大的焊 接误差，需要小心处理。装配好的模具如图所示： 图 4.4 实物图 Fig.4.4 Real Graph 新 CRTSIII 型高铁轨道板先张工艺成套装备设计 18 同时，这里的改进设计也是在一定的试验及设计计算的基础上进行的，例如导轨的 间隙太大则会造成端模、侧模移动时会晃动较厉害，间隙较小则装配时难度较大，合适 的间隙也是在几次试验之后最终确定的。虽然改进设计难度较小，但是焊接面较长侧模 焊接能够达到 5800mm，所以在加工环节需要严格保证质量。 图 4.5 侧模焊接图 Fig.4.5 Welding Graph of Lateral mode 注 1）上面板 2）焊后加工线 3）焊接处 4）下面板 5）下横板 6）中横板 7）上横板 如上图所示，侧模焊接示意图，先对小面板（4）和中横板（6）进行焊接，焊接过 程保证焊接质量，未焊透的地方重新焊接，焊后要进行去毛刺、打磨，保证焊接面的平 整。接着是底横板（5）与小面板（4）坡口焊接，同样是保证焊接质量，还要进行焊后 处理。然后是大面板（1）与小面板(4)进行焊接，此部分的焊接不能有焊接瑕疵。最后 就是上横板（7）与小面板(4)的焊接。 焊后加工有一系列的工序，但是每一步都要保证必要的精度。其中焊接肋板，加工 锚固孔等要严格按照尺寸的要求进行。焊后还要加工面板，满足轨道板的粗糙度。 4.1.2 模具底座的设计 原来的轨道板制作工艺中，轨道板模具底部工字钢框架螺栓是固定浇筑在基坑的混 凝土中，轨道板模具受到完全的约束，在各个方向上都不可移动。 先张工艺在放张时轨道板及模具受到很大的冲击力及钢筋收缩位移，由于模具底部 完全固定约束的，所以冲击集中在模具底部工字钢与螺栓连接处，在多次使用之后会造 成相应的塑性变形，影响正常使用。 西华大学硕士学位论文 19 图 4.7 连接架 Fig.4.7 Link Press Span 新工艺为了避免上述的问题出现，就设法在轨道板模具底部工字钢与基坑之间增加 能够减震及吸收冲击的装置。但是很难用螺旋弹簧或板弹簧简单装置来吸收模具受到的 水平方向的冲击，如果真要用这两种弹簧制作成既能吸收水平方向冲击又能承受模具及 轨道板混凝土重量的装置，那么这个装置将非常的庞大，成本也会很高，所以选择新型 的橡胶弹簧。如下图所示： 图 4.8 橡胶弹簧垫 Fig.4.8 Rubber Pad 为了既能达到吸收水平方向冲击又能达到体积小、成本低的要求，就需要使用新型 的橡胶弹簧。橡胶弹簧可由普通橡胶制成，属于高弹性体。由于橡胶弹簧有较小的弹性 模量，所以在承受到载荷后能够有较大的变形，较少震动和吸收冲击的能力性对较好。 橡胶弹簧没有固定的轴向，可以承受任何方向的载荷，可以向任何方向变形。 由于橡胶材料本身的特点， 耐油侵蚀及耐高温的性能较差。 橡胶弹簧减震效果明显， 而且成本相对较低，在严寒时仍可正常使用。 新 CRTSIII 型高铁轨道板先张工艺成套装备设计 20 4.1.3 主框架的设计 承轨槽部分原来由于承轨槽的变形较大，精度难以达到要求，就只有先做出类似弧 线后再用专用的磨床打磨出相应的弧线，达到轨道板设计弧线的要求 CRTSII 型轨道板 是典型的例子。新型模具设计的承轨槽需要控制变形量，达到轨道板的要求，减少磨床 加工环节，不仅可以提高效率，而且减少人力的投入，缩减预算费用，所以为了减小变 形量，需要对新模具的主框架进行改进设计，如下图： 图 4.9 底模 Fig.4.9 Bottom Die 原来的底模具主框架是由两横两纵的工字钢焊接成#形结构，现在将工字钢改为钢 板倒 T 型焊接，且横向的框架钢板增加到八根，每两个承轨台之间都设置主框架焊接， 减小底模面板的变形量，以保证两排承轨台在允许的误差平面内。焊接最主要的是要保 证焊接的误差，不能出现较大的偏差。主框架焊接好以后再与底模面板统一焊接，然后 在进行焊后加工，这样能保证焊接的顺利进行。 4.1.4 套管定位的设计 承轨台上有套管植入，植入的套管是为了固定钢轨的道钉。由于原来的钢模具套管 是靠过盈配合两零件的接触面摩擦力固定的，混凝土在浇注的过程中需要振捣，容易引 起套管的松动，所以在新型的钢模具上就需要对套管连接部分进行改进，必须增加套管 定位与锁紧机构。套管定位是在套管下方密封圈之下的原来摩擦定位部分两边铣削出两 个平行的平面，承轨槽部分铣削同样的平面，使套管固定不可转动。另外，在面板下面 增加导杆将带有相同平面开口的套件插入套管底部的铣削出平面部分，使其不可以在竖 直方向上移动。这样，通过铣削出平面使套管不可以转动，导杆及套件使套管不可以在 西华大学硕士学位论文 21 竖直方向上移动，套管就是完全约束的，当振动器对混凝土进行振捣时，套管也不会出 现松动现象，不会出现水泥浆渗漏的现象了。 套管定位机构如图所示： 图 4.10 套管定位 Fig.4.10 Casing Positioning Mechanism 注 1）活动块 2）活动销 3）套管 4）固定套 5）长轴 6）固定块 7）滑动键 8）转接块 9）螺纹杆 如上图所示，固定套（4）是为了固定套管（3），使套管的定位销孔的轴线与长轴 （5）的轴线平行。动块（6）随长轴（5）移动时带动固定销（2）一起移动，固定销插 入套管的定位销孔对套管进行固定。这样套管得到完全约束，既不能转动，也不能上下 移动，在振捣时候也不会松动。放张后，用大扳手拧动螺纹转杆（9）通过转动块（8） 带动长轴（5）的移动，固定销（2）移出套管的定位销孔，对套管的约束解除，套管可 以自由移动。 4.1.5 脱模机构的设计 脱模时，侧模具和端模具都可以在底模移动导轨上移动的，在混凝土构件成型且经 检验强度合格后，就要把端模具和侧模的固定螺纹松开沿导轨向外移动一定的距离以保 新 CRTSIII 型高铁轨道板先张工艺成套装备设计 22 证龙门吊可以不受障碍的把轨道板吊出来。再次使用钢模具前需要先把侧模及端模用螺 栓固定在底模上，无精确定位有一定的误差。 侧模及导轨装配如图所示： 图 4.11 侧模导轨 Fig.4.11 Lateral Mode Guide 原来的钢模具脱模是端模绕支点在一定范围内移动，使用不太方便，移动范围更是 受到一定的限制。鉴于以上的缺点，对新型钢模具做出部分修改，改为在端模、侧模加 移动导轨让其在底模的导轨槽内移动， 移动槽内增加滚轮、 滚轴所以移动起来更加省力， 移动范围也大大增加，对构件的起吊作业限制较小。 导轨机构如图所示： 图 4.12 导轨机构 Fig.4.12 Guide Structure 西华大学硕士学位论文 23 移动范围是由导轨的长度决定的，端模的移动范围在 162mm，侧模的移动范围在 261mm，如果需要较大的移动范围，可以更换较长的导轨，导轨端部有限位块。 图 4.13 导轨图 Fig.4.13 Graph of Guide 注 1）端模 2）滑动轴套 3）连接销 4）导轨 5）底模周边板 6）限位块 如上图所示，端模（1）通过连接销（3）与导轨（4）连接，导轨（4）与活动轴套 接触，在活动轴套上滑动。滑动轴套（2）及底模周边板（5）都是固定在底模上。脱模 时，端模（1）与导轨（4）在活动轴套（2）上移动。 4.2 放张器的设计 4.2.1 气液联动放张器的设计 该方案利用气液联动能够自动放张。利用到的原理有：液压油的不可压缩性，利用 液压缸来承受轴向钢筋的预拉力的拉力；连通的密闭容器内气体压强处处相等，能够保 证在通气时，靠气动力同步顶开放张器的单向阀；液压缸的卸荷回油，采用内循环油路 流入回油腔内，使其体积在最大程度上减小。 总体方案设计采气压腔与液压腔的双腔设计，液压腔内的液压油可以通过单向阀流 回到卸荷腔，气动力撤除后靠弹簧式液压油流回压力腔。缸体与活塞采用高强度的材料 制作，保证足够的强度能够承受 8 吨的轴向拉力。放张时用空压机通过气管向气腔注高 新 CRTSIII 型高铁轨道板先张工艺成套装备设计 24 压气体，使其活塞移动通过顶针推动打开单向阀，使高压液压腔的油液流出自动卸荷， 因同时向多个放张器通气能够保证同时放张。 图 4.14 结构图 Fig.4.14 Structure Diagram 注 1）活塞 2）单向阀 3）复位弹簧 4）活塞杆 零件的设计卸荷器用在较小的空间下，即直径不能超过 54mm，所以缸筒及活塞杆 在满足强度要求及安全系数的情况下，尺寸要尽可能的小。因为尺寸要小，所以在选取 材料的时候就要选取强度较高的材料。 表 4-1 材料参数 Tab.4.1 Material Parameter 根据材料计算活塞杆的直径： F d 4 411000 800004 . mm941611. (4-1) 根据计算结果可以知道，在活塞杆直径不小于其计算数值时就可以满足设计的强度 要求，为了保证足够的强度富余量，将活塞杆的直径增大为 15mm。 材料 b MPa s MPa s % 38CrMoAl 980 850 15 西华大学硕士学位论文 25 连接型式由额定压力、使用环境及用途决定。在放张器的这一方案里，油缸的额定 压力相当高，使用在不需要拆卸且工况恶劣的环境下，所以准备选用不常用的连接结构 即缸盖与缸筒做成一个整体。 缸筒材料要保证既要有足够的强度又要有足够的冲击韧性。大多缸筒毛坯采用热轧 无缝钢管或退火冷拔，放张器缸筒为了保证足够的强度采用棒料锻造然后在加工成缸筒。 缸筒必须满足受到高压不产生永久变形， 受到侧向力不产生弯曲， 内表面要足够的耐磨， 以保证密封性的要求。 缸筒的外径要尽可能的小，要保