哈大客運(yùn)專線CRTSⅠ型無砟軌道板自動(dòng)張拉技術(shù)研究

張先軍，杜厚智，王基全，石剛強(qiáng)

(哈大鐵路客運(yùn)專線有限公司，沈陽 110002)

預(yù)應(yīng)力施工中是CRTSⅠ型無砟軌道板預(yù)制過程中關(guān)鍵工序之一，在哈大客專軌道板預(yù)制生產(chǎn)初期，預(yù)應(yīng)力施工采用油泵驅(qū)動(dòng)千斤頂進(jìn)行張拉，操作人員通過肉眼觀察壓力表讀數(shù)控制張拉力，目測(cè)張拉伸長(zhǎng)值進(jìn)行雙控的傳統(tǒng)的施工工藝。這種張拉技術(shù)精度差、效率低下［1］，張拉的成敗在某種程度上取決于操作人員的操作。為了保證CRTSⅠ型無砟軌道板的施工精度，提高效率，哈大客專首次在國(guó)內(nèi)CRTSⅠ型板預(yù)應(yīng)力施工中采用了自動(dòng)張拉技術(shù)［2］，實(shí)現(xiàn)了對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼棒張拉過程的全程自動(dòng)控制。

1 工程概況及軌道板預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)概況

哈大鐵路客運(yùn)專線縱貫東北三省，線路正線全長(zhǎng)903.939 km，其中鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無砟軌道826.461雙線km，根據(jù)施工組織安排，全線共設(shè)置16個(gè)CRTSⅠ型無砟軌道板預(yù)制廠。

CRTSⅠ型無砟軌道板設(shè)計(jì)為雙向后張法部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力體系由護(hù)套包裹的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒、錨固螺母、錨墊板及螺旋筋4部分組成。其中預(yù)應(yīng)力鋼棒采用公稱直徑為13 mm的低松弛鋼棒，鋼棒端部螺紋采用滾軋成型，配套采用錨固螺母;預(yù)應(yīng)力筋無粘結(jié)方式采用護(hù)套包裹，護(hù)套材料采用壓縮成型的擠塑型高密度聚乙烯樹酯。

2 自動(dòng)張拉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及主要功能介紹

2.1 預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及設(shè)備配置

2.1.1 預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

自動(dòng)張拉系統(tǒng)設(shè)備主要由液壓系統(tǒng)、測(cè)力系統(tǒng)、位移測(cè)量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四部分組成。哈大客專多數(shù)制板廠自動(dòng)張拉設(shè)備基本都采用以下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):1個(gè)液壓站為4個(gè)千斤頂提供動(dòng)力，4個(gè)獨(dú)立的電控?fù)Q向閥組分別控制4個(gè)千斤頂，控制信號(hào)對(duì)閥組的控制，可實(shí)現(xiàn)千斤頂?shù)募訅?、卸壓及保?在千斤頂?shù)囊簤河吐分邪惭b有壓力傳感器，將千斤頂?shù)膲毫π盘?hào)傳送到控制器，千斤頂上安裝有位移傳感器，可將千斤頂?shù)奈灰菩盘?hào)傳送到控制器。控制器由可編程控制器(PLC)、觸摸顯示屏(HMI)和數(shù)字采集器組成。千斤頂?shù)奈灰菩盘?hào)及壓力信號(hào)通過控制器上的數(shù)字采集器傳送到PLC，操作者通過觸摸屏設(shè)定張拉方式、張拉力、持荷時(shí)間等參數(shù)，啟動(dòng)張拉設(shè)備，系統(tǒng)自動(dòng)完成張拉［3］。其結(jié)構(gòu)組成詳見圖1。某廠研發(fā)的YT-Ⅰ型軌道板自動(dòng)張拉系統(tǒng)見圖2。

圖1 自動(dòng)張拉系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

2.1.2 預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)(表1)

2.1.3 預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)的設(shè)備配置(表2)

圖2 YT-Ⅰ型軌道板自動(dòng)張拉系統(tǒng)

表1 張拉系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

表2 YT-I型自動(dòng)張拉系統(tǒng)設(shè)備配置(一拖四)

2.2 CRTSⅠ軌道板張拉技術(shù)指標(biāo)(表3)

表3 軌道板張拉技術(shù)指標(biāo)匯總［4］(以P4962型板為例)

3 自動(dòng)張拉系統(tǒng)的主要功能特點(diǎn)

3.1 引入壓力及位移傳感器、精度更高

傳統(tǒng)張拉設(shè)備是由油泵驅(qū)動(dòng)千斤頂進(jìn)行張拉作業(yè)，壓力表讀數(shù)控制張拉應(yīng)力。在軌道板預(yù)制初期，哈大客專采用的是一泵帶一頂?shù)膫鹘y(tǒng)張拉設(shè)備，在人工驅(qū)動(dòng)油泵進(jìn)行張拉作業(yè)時(shí)，張拉精度無法保證規(guī)范要求。

表4、表5是中交三航局三勝板廠傳統(tǒng)張拉設(shè)備和全自動(dòng)張拉設(shè)備的校驗(yàn)記錄。圖3、圖4為千斤頂壓力表配套校驗(yàn)圖。

表4 傳統(tǒng)張拉設(shè)備校核記錄

圖3 千斤頂壓力表配套校驗(yàn)

板場(chǎng)起先使用的傳統(tǒng)張拉設(shè)備中壓力表為0.4級(jí)，最小刻度為0.5 MPa，根據(jù)表4中提供的回歸方程可以計(jì)算出當(dāng)P=0.25 MPa時(shí)所對(duì)應(yīng)的F值:

哈大客專軌道板預(yù)制質(zhì)量控制手冊(cè)要求［4］CRTSⅠ型板張拉力誤差要求為±1 kN，在張拉作業(yè)中油泵驅(qū)動(dòng)千斤頂進(jìn)行張拉作業(yè)是人工操作，要想將誤差控制在1/4個(gè)刻度內(nèi)無形中增加了施工難度，且在施工過程中增加了不確定因素，使張拉精度得不到有效的保證。

表5 自動(dòng)張拉設(shè)備校核記錄

表5為長(zhǎng)春市計(jì)量局提供的數(shù)控張拉設(shè)備千斤頂壓力傳感器配套校驗(yàn)數(shù)據(jù)及校驗(yàn)表。

根據(jù)表5中提供的回歸方程可以計(jì)算出當(dāng)P=0.25 MPa時(shí)所對(duì)應(yīng)的F值:

圖4 千斤頂壓力傳感器配套校驗(yàn)

F=1×0.25+0.427 8=0.677 8 kN＜1 kN

通過表4和表5的比對(duì)以及數(shù)據(jù)可以看出:傳統(tǒng)張拉設(shè)備在張拉精度上無法與數(shù)控張拉設(shè)備相比。傳統(tǒng)張拉設(shè)備是由壓力表控制張拉應(yīng)力，人工操作油泵進(jìn)行張拉，在張拉過程中張拉精度得不到有效的控制;數(shù)控張拉設(shè)備與系統(tǒng)內(nèi)部軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，直接進(jìn)行張拉作業(yè)，在可編程軟件中可以直接輸入張拉應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)張拉，無需人工控制張拉力，有效地控制了在人工操作中產(chǎn)生的誤差［5］。所以，采用自動(dòng)張拉設(shè)備大大提高了張拉精度，滿足了規(guī)范要求。

3.2 張拉控制自動(dòng)化，工效提高

哈大客專采用的自動(dòng)張拉張拉設(shè)備主要通過壓力傳感器直接控制張拉應(yīng)力，位移傳感器安裝在千斤頂上直接記錄數(shù)據(jù)，代替人工測(cè)量伸長(zhǎng)值，避免人工測(cè)量的誤差且保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性。在人機(jī)交互式的操作界面中可在觸摸屏幕上方便設(shè)置張拉目標(biāo)值、位移量、持荷時(shí)間、張拉方式等各種張拉參數(shù)，設(shè)置完成后可以進(jìn)行加密處理，避免人為修改。操作界面簡(jiǎn)單易懂，方便操作。

規(guī)范要求預(yù)應(yīng)力施工應(yīng)采取雙控，以油壓表讀數(shù)為主，以預(yù)應(yīng)力伸長(zhǎng)值做為校核［6］。自動(dòng)張拉設(shè)備在張拉力或者伸長(zhǎng)量超出系統(tǒng)設(shè)置的允許范圍時(shí)會(huì)自動(dòng)停止張拉，使張拉精度得到有效的控制，從而實(shí)現(xiàn)了雙控。同時(shí)，系統(tǒng)能夠設(shè)置自動(dòng)補(bǔ)壓和持荷時(shí)間，當(dāng)壓力低于設(shè)定值時(shí)油泵會(huì)自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)壓。預(yù)應(yīng)力雙端張拉控制界面如圖5所示。

圖5 自動(dòng)張拉系統(tǒng)設(shè)置界面

自動(dòng)張拉張拉系統(tǒng)多采用可移動(dòng)式一泵四頂或八頂同步結(jié)構(gòu)，同一液壓站驅(qū)動(dòng)的千斤頂能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)同步、平衡張拉、張拉力自動(dòng)跟隨功能目的［7］。同時(shí)，系統(tǒng)還配套標(biāo)準(zhǔn)的張拉力標(biāo)定裝置，可在張拉過程中對(duì)張拉系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定和檢測(cè)，確保了張拉質(zhì)量［8］。

自動(dòng)張拉設(shè)備的設(shè)置維護(hù)主要由技術(shù)人員負(fù)責(zé)，工人僅負(fù)責(zé)千斤頂?shù)难b卸和錨固螺母的緊固工作，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)效率，避免了人為操作的誤差。

另外，為了便于張拉后對(duì)軌道板張拉完成情況的檢查，避免因?yàn)楣と似v等原因?qū)е律倮?、漏拉現(xiàn)象，哈大客專開發(fā)了多種張拉自動(dòng)形成壓痕裝置，其中多數(shù)板廠采用在千斤頂上加焊1～2粒小彈珠，這樣，在張拉過程中就可直接形成張拉壓痕，對(duì)軌道板張拉起到了很好的控制作用。圖6為在千斤頂支撐墊板表面設(shè)置鋼珠自動(dòng)形成張拉痕跡裝置。

圖6 自動(dòng)形成張拉痕跡裝置

3.3 數(shù)據(jù)采集、處理信息化

傳統(tǒng)張拉設(shè)備數(shù)據(jù)記錄為人工測(cè)量和記錄，原始數(shù)據(jù)的真實(shí)性無法保證。數(shù)控張拉設(shè)備通過位移傳感器直接記錄數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)直接記錄張拉原始數(shù)據(jù)，并自動(dòng)生成報(bào)表，張拉完成后可立即從控制系統(tǒng)中直接調(diào)出，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)和及時(shí)性。同時(shí)控制系統(tǒng)預(yù)留的數(shù)據(jù)接口，利用U盤可將張拉原始記錄轉(zhuǎn)移至電腦中存儲(chǔ)，亦可以通過外接打印機(jī)直接現(xiàn)場(chǎng)打印，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集及處理的標(biāo)準(zhǔn)化和信息化功能目的。圖7為張拉系統(tǒng)自動(dòng)生成的張拉報(bào)表。

圖7 自動(dòng)張拉系統(tǒng)張拉報(bào)表

4 自動(dòng)張拉系統(tǒng)的張拉方法及工作模式

以下以某廠生產(chǎn)的YT-I型軌道板自動(dòng)張拉設(shè)備說明自動(dòng)張拉系統(tǒng)的工作模式及張拉順序。

4.1 張拉方法及順序

預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)左右對(duì)稱同時(shí)張拉，張拉順序應(yīng)先橫向、后縱向，先中間、后兩端，橫向應(yīng)隔根逐次張拉;縱向宜兩端同時(shí)張拉，控制兩端預(yù)應(yīng)力筋螺紋外露量基本一致，并保證其兩端伸長(zhǎng)量基本一致。

4.2 張拉工作模式

YT-Ⅰ型軌道板自動(dòng)張拉設(shè)備通過采用液壓力和張拉力的關(guān)聯(lián)方法，解決了摩阻等環(huán)節(jié)對(duì)張拉數(shù)據(jù)的影響，保證了張拉的同步與平衡［9］，其基本單元為一拖四結(jié)構(gòu)，即1臺(tái)液壓站配套1臺(tái)控制器、4個(gè)千斤頂結(jié)構(gòu)，可2對(duì)頂同步張拉，也可按4頂單獨(dú)張拉使用，組合便利，使用方便。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況進(jìn)行研究，確定最優(yōu)張拉模式為同時(shí)張拉2塊軌道板。相對(duì)于同時(shí)張拉4塊軌道板來說，同時(shí)張拉2塊軌道板可以節(jié)約人力，便于操作;相對(duì)于單板多頂次張拉來說，同時(shí)張拉2塊軌道板便于操作，施工方便，確保軌道板張拉質(zhì)量，提高施工工效。因此實(shí)際施工過程中一般采用同時(shí)張拉2塊軌道板的張拉模式。

5 工程效果及經(jīng)濟(jì)效益分析

傳統(tǒng)張拉設(shè)備與YT-I型軌道板自動(dòng)張拉系統(tǒng)工程效果及經(jīng)濟(jì)效益分析比較［10］見表6(以P4962板為例)。

表6 傳統(tǒng)張拉設(shè)備與自動(dòng)張拉系統(tǒng)工程效果及經(jīng)濟(jì)效益分析比較

6 結(jié)論

哈大客專CRTSⅠ型無砟軌道板自動(dòng)張拉系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):(1)張拉精度高。通過采用高精度壓力傳感器和位移傳感器進(jìn)行壓力和位移的實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量，提高了張拉精度。(2)在保證張拉精度的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力張拉中張拉應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力筋伸長(zhǎng)值的雙重控制。(3)在可編程軟件中能設(shè)置了補(bǔ)壓和持荷功能，能強(qiáng)制執(zhí)行持荷倒計(jì)時(shí)，有效控制人為誤差。(4)通過壓力傳感器和位移傳感器直接記錄數(shù)據(jù)，避免人工測(cè)量的誤差且保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性;(5)張拉自動(dòng)形成壓痕裝置，避免因?yàn)楣と艘蚱v或偷懶等原因?qū)е碌纳倮?、漏拉現(xiàn)象。

總之，預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力張拉過程的智能化、自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化，信息化，具有張拉精度高、差錯(cuò)率小、操作簡(jiǎn)便，工效高及綜合費(fèi)用較低的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］蔡培儉.CRTS-Ⅰ型軌道板張拉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.山西建筑，2010，36(15):292-293.

［2］劉乃生，高智偉.CRTSⅠ型軌道板自動(dòng)張拉技術(shù)研究［J］.中國(guó)鐵路，2010(2):59-61.

［3］馬進(jìn)軍，余會(huì)春.無砟軌道板張拉工藝的自動(dòng)控制［J］.鐵道建筑技術(shù)，2010(S):193-194.

［4］哈大鐵路客運(yùn)專線有限公司.哈大客專CRTSⅠ型無砟軌道板質(zhì)量控制手冊(cè)［S］.沈陽:哈大鐵路客運(yùn)專線有限公司，2009.

［5］李金胡毅 吳鵬.CRTSⅡ型軌道板預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)［J］.鐵道建筑，2008(S):48-51.

［6］鐵道部科技司.科技基［2008］74號(hào) 客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道混凝土軌道板暫行技術(shù)條件［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2008.

［7］張俊宏.CRTSⅠ型軌道板自動(dòng)化張拉系統(tǒng)研究［J］.今日科苑，2009(8):27-29.

［8］李雪松.嚴(yán)寒地區(qū)CRTSⅠ板式無砟軌道板制造工藝［J］.山西建筑，2009，35(32):151-152.

［9］胡華軍.CRTSⅠ型板式無砟軌道之軌道板預(yù)制［J］.鐵道建筑技術(shù)，2008(S):278-282.

［10］哈大鐵路客運(yùn)專線有限公司.哈大客專綜合施工技術(shù)研究報(bào)告-CRTSⅠ型無砟軌道板預(yù)制綜合施工技術(shù)研究階段性科研報(bào)告［Z］.沈陽:哈大鐵路客運(yùn)專線有限公司，2011.