板式無(wú)砟軌道三軸同向精調(diào)爪及配套輔助裝置

王 金，傅重陽(yáng)，蘇雅拉圖，武永珍，萬(wàn)云乾，薛澤民

（1.中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001；2.中鐵三局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 晉中 030600）

隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的板式無(wú)砟軌道成套技術(shù)已成為當(dāng)務(wù)之急。2009 年在成都至都江堰城際客運(yùn)專線，開展了具有完全中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的板式無(wú)砟軌道成套技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)創(chuàng)新工作，并取得了成功，于2010 年12 月正式定型為CRTS Ⅲ型軌道板。在“新基建”的背景下，利用信息化手段、工裝設(shè)備研發(fā)、工藝技術(shù)革新服務(wù)于鐵路建設(shè)，為工程建設(shè)提質(zhì)增效，是鐵路智能建造的大趨勢(shì)。按照“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人、信息化替人”的思路，2022 年度中鐵三局集團(tuán)有限公司在行業(yè)內(nèi)首次提出了基于末端反饋的板式無(wú)砟軌道智能精調(diào)思路，開展板式無(wú)砟軌道智能精調(diào)設(shè)備的研究與應(yīng)用，主要包括基于末端反饋的軌道板精調(diào)系統(tǒng)及配套傳感器固定裝置，三軸同向低扭力新型精調(diào)爪，精調(diào)爪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及配套助力裝置、四驅(qū)四轉(zhuǎn)同步走行系統(tǒng)及輔助設(shè)備。

1 板式無(wú)砟軌道精調(diào)爪及調(diào)整技術(shù)現(xiàn)狀

目前，CRTS Ⅲ型軌道板施工精調(diào)設(shè)備是“精調(diào)爪+扭力扳手”，每塊軌道板4 個(gè)角點(diǎn)位置各安裝1 個(gè)精調(diào)爪（圖1），配置4 名精調(diào)工人（圖2），各位置的工人根據(jù)軌道板測(cè)量調(diào)整數(shù)據(jù)，憑借著以往調(diào)整經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)動(dòng)精調(diào)爪調(diào)節(jié)螺桿上的扭力扳手，先調(diào)節(jié)高程螺桿，再調(diào)節(jié)橫、縱向螺桿，調(diào)節(jié)過(guò)程中高程和橫、縱向調(diào)節(jié)量相互影響，需經(jīng)多次測(cè)量、調(diào)整才可完成整個(gè)精調(diào)作業(yè)。

圖1 傳統(tǒng)精調(diào)爪

圖2 “人工+精調(diào)爪+扭力扳手”調(diào)整方式

2 傳統(tǒng)精調(diào)爪及調(diào)整技術(shù)存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)板式無(wú)砟軌道精調(diào)爪及調(diào)整技術(shù)主要存在的問(wèn)題如下。

1）工人通過(guò)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)動(dòng)精調(diào)爪調(diào)節(jié)螺桿上的扭力扳手，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，來(lái)判斷精調(diào)爪螺桿絲扣上升或下降圈數(shù)，依據(jù)絲扣距離，進(jìn)而推算出具體上升或下降的距離，操作工人的熟練程度決定了調(diào)整的準(zhǔn)確性。

2）調(diào)整過(guò)程中，需要先調(diào)節(jié)高程螺桿，再調(diào)節(jié)橫、縱向螺桿，導(dǎo)致高程和橫、縱向調(diào)節(jié)量相互影響，需經(jīng)多次測(cè)量、調(diào)整才可完成整個(gè)精調(diào)作業(yè)。

3）整個(gè)施工過(guò)程中軌道板鋪設(shè)工序人員參與頻繁，工作時(shí)間受限且施工勞動(dòng)強(qiáng)度大。

3 三軸同向精調(diào)爪及配套輔助裝置設(shè)計(jì)原理

三軸同向低扭力新型精調(diào)爪如圖3 所示，優(yōu)化精調(diào)爪的傳動(dòng)方式，大幅降低精調(diào)爪所需的扭矩，同時(shí)將3 個(gè)傳動(dòng)軸設(shè)置于同一平面，提高精調(diào)電機(jī)與精調(diào)爪的連接效率。

圖3 新型三軸同向大扭矩精調(diào)爪結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖

新型三軸同向精調(diào)爪主要包括底座、橫向調(diào)整機(jī)構(gòu)、縱向調(diào)整機(jī)構(gòu)、高程調(diào)整機(jī)構(gòu)等。

1）橫向調(diào)整機(jī)構(gòu) 底座上開設(shè)有凹槽，凹槽內(nèi)橫向調(diào)整機(jī)構(gòu)，橫向調(diào)整機(jī)構(gòu)包括橫向架，橫向架與橫向保護(hù)殼通過(guò)螺栓緊固連接，橫向保護(hù)殼上設(shè)有橫向旋鈕，橫向旋鈕下方設(shè)有橫向連接軸，且橫向連接軸貫穿橫向保護(hù)殼，并向內(nèi)延伸，橫向連接軸上套設(shè)有橫向動(dòng)力錐齒輪，橫向動(dòng)力錐齒輪的一側(cè)設(shè)有橫向傳動(dòng)錐齒輪，橫向動(dòng)力錐齒輪與橫向傳動(dòng)錐齒輪相嚙合，橫向傳動(dòng)錐齒輪上設(shè)有橫向螺紋桿，橫向螺紋桿貫穿底座，并延伸至凹槽內(nèi)，且端面與凹槽轉(zhuǎn)動(dòng)連接，凹槽上方設(shè)有縱向調(diào)整機(jī)構(gòu)。

2）縱向調(diào)整機(jī)構(gòu) 包括縱向架，縱向架底部設(shè)有弧形塊，弧形塊套設(shè)置在橫向螺紋桿外，并與橫向螺紋桿相配合，弧形塊與橫向螺紋桿螺紋配合，且弧形塊與凹槽相適配，縱向螺紋桿與縱向架轉(zhuǎn)動(dòng)連接，縱向架上設(shè)有縱向保護(hù)殼，縱向保護(hù)殼上設(shè)有縱向旋鈕，縱向旋鈕下方設(shè)有縱向連接軸，且縱向連接軸貫穿縱向保護(hù)殼，并向內(nèi)延伸，縱向連接軸外套設(shè)有縱向動(dòng)力錐齒輪，縱向動(dòng)力錐齒輪一側(cè)設(shè)有縱向傳動(dòng)錐齒輪，縱向動(dòng)力錐齒輪與縱向傳動(dòng)錐齒輪相嚙合，縱向傳動(dòng)錐齒輪上設(shè)有縱向螺紋桿，縱向螺紋桿貫穿縱向架，縱向螺紋桿上套設(shè)有移動(dòng)座，移動(dòng)座與縱向螺紋桿螺紋配合，移動(dòng)座上設(shè)有頂蓋，頂蓋上設(shè)有高程調(diào)整機(jī)構(gòu)。

3）高程調(diào)整機(jī)構(gòu) 包括高程架，高程架上設(shè)有高程保護(hù)殼，高程保護(hù)殼上方設(shè)有主旋鈕，主旋鈕下方設(shè)有高程連接軸，高程連接軸貫穿高程保護(hù)殼，并套設(shè)有主齒輪，主齒輪底面設(shè)有高程螺紋桿，高程螺紋桿貫穿高程架，并向下延伸，高程螺紋桿與頂蓋轉(zhuǎn)動(dòng)連接，高程螺紋桿外套設(shè)有移動(dòng)塊，移動(dòng)塊與高程螺紋桿螺紋配合，移動(dòng)塊端面設(shè)有調(diào)整板，高程架背面設(shè)有背板，移動(dòng)塊上呈相對(duì)狀設(shè)有延長(zhǎng)板，延長(zhǎng)板與高程架相配合，主旋鈕的一側(cè)設(shè)有副旋鈕，副旋鈕下方設(shè)有副軸，且副軸貫穿高程保護(hù)殼，并套設(shè)有副齒輪，副齒輪與主齒輪相配合，具體的，主齒輪與副齒輪采用1：2 平齒輪，有利于放大末端扭矩。

精調(diào)爪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及配套助力裝置采用氣動(dòng)助力臂作為新型精調(diào)爪驅(qū)動(dòng)、對(duì)位及壓緊結(jié)構(gòu)（圖4），有效提高了套筒與精調(diào)爪頂部螺母的對(duì)位效率，同時(shí)有效降低了施工成本，增加了設(shè)備的實(shí)用性。

圖4 新型精調(diào)爪驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)位及壓緊結(jié)構(gòu)

軌道板精調(diào)輔助裝置（圖5），主要包括電機(jī)保護(hù)盒、電機(jī)、助力連接構(gòu)件，助力連接構(gòu)件與電機(jī)保護(hù)盒固定相連，助力連接構(gòu)件上設(shè)有與助力臂連接的接頭和用于握持的把手；電機(jī)豎向安裝在電機(jī)保護(hù)盒內(nèi)、輸出軸向下，電機(jī)保護(hù)盒的下端設(shè)有卡槽結(jié)構(gòu)，卡槽結(jié)構(gòu)與精調(diào)爪的垂直端頭適配，通過(guò)卡槽結(jié)構(gòu)將電機(jī)保護(hù)盒與精調(diào)爪卡扣式連接實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩傳遞，電機(jī)的輸出軸上連接有轉(zhuǎn)換套筒，轉(zhuǎn)換套筒端口與精調(diào)爪驅(qū)動(dòng)軸適配。

圖5 軌道板精調(diào)輔助裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4 精調(diào)爪及配套輔助裝置操作要點(diǎn)

4.1 新型精調(diào)爪安裝

1）軌道板粗鋪滿足要求后，分別在軌道板預(yù)埋套筒處安裝新型三軸同向精調(diào)器爪（圖6）。精調(diào)爪安裝前，橫向調(diào)整螺絲調(diào)到2.5cm，縱向和高度調(diào)整螺絲調(diào)到中間位置。

圖6 安裝新型精調(diào)器爪

2）軌道板安裝完成后在灌注孔及觀察孔處安裝防塵蓋，防止灰塵雜物落入污染板腔（圖7）。

圖7 安裝防塵蓋

4.2 三軸同向精調(diào)爪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就位

1）利用氣動(dòng)助力臂帶動(dòng)新型精調(diào)爪驅(qū)動(dòng)裝置與新型三軸同向精調(diào)爪頂部螺帽進(jìn)行對(duì)位（圖8）。

圖8 利用氣動(dòng)助力臂進(jìn)行對(duì)位

2）利用助力臂操作把手處微調(diào)按鈕，提高套筒與精調(diào)爪螺帽對(duì)位效率。

3）對(duì)位完成后，打開氣動(dòng)助力臂鎖定按鈕（圖9）。

圖9 打開氣動(dòng)助力臂鎖定按鈕

4.3 軌道智能精調(diào)三軸同向新型精調(diào)爪使用

1）軌道板智能精調(diào)施工采用“高程→橫向→縱向”的調(diào)整循環(huán)方式。

2）利用助力裝置帶動(dòng)精調(diào)驅(qū)動(dòng)裝置與z軸（高程）螺母定位，高程旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)高程螺紋桿轉(zhuǎn)動(dòng)，利用延長(zhǎng)板可對(duì)移動(dòng)塊進(jìn)行限位，有利于移動(dòng)塊沿高程螺紋桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高程調(diào)節(jié)。

3）利用助力裝置帶動(dòng)精調(diào)驅(qū)動(dòng)裝置與x軸（橫向）螺母定位，當(dāng)橫向旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)橫向動(dòng)力錐齒輪與橫向傳動(dòng)錐齒輪相互嚙合，使橫向螺紋桿轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)縱向架連接的弧形塊沿凹槽內(nèi)滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)橫向調(diào)節(jié)。

4）利用助力裝置帶動(dòng)精調(diào)驅(qū)動(dòng)裝置與y軸（縱向）螺母定位，當(dāng)縱向旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由縱向動(dòng)力錐齒輪與縱向傳動(dòng)錐齒輪相互嚙合，帶動(dòng)縱向螺紋桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使移動(dòng)座沿縱向螺紋桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)縱向位置的調(diào)整。

5 主要特點(diǎn)

1）高程調(diào)整采用帶臺(tái)階加厚大齒輪平齒結(jié)構(gòu)+小齒輪平齒結(jié)構(gòu)配合驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，有效降低了精調(diào)爪所需的扭矩，同時(shí)更改平齒輪接觸面板位置形狀，并增加襯套，與上下固定鋼板間形成了有效間距，有效提高了齒輪使用壽命。

2）頂部高程調(diào)整平尺組固定結(jié)構(gòu)采用公母扣連接，有效降低了精調(diào)爪調(diào)節(jié)過(guò)程中，內(nèi)部扭力過(guò)大造成固定結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致齒輪固定軸不同軸造成斷裂、卡死等問(wèn)題。

3）將精調(diào)爪橫向調(diào)整齒輪組和縱向調(diào)整齒輪組優(yōu)化為密封精密結(jié)構(gòu)，有效減少了由于齒輪晃動(dòng)造成的齒輪損壞問(wèn)題，提高了整個(gè)精調(diào)爪的使用壽命。

4）將精調(diào)爪部分構(gòu)件進(jìn)行打孔處理，有效減少了精調(diào)爪整體重量，提高了實(shí)用性。

5）采用氣動(dòng)助力臂作為新型精調(diào)爪驅(qū)動(dòng)裝置、對(duì)位及壓緊結(jié)構(gòu)（最大扭力可達(dá)到200Nm），與協(xié)力臂+三維對(duì)位系統(tǒng)相比，雖然降低了自動(dòng)化程度，但有效提高了套筒與精調(diào)爪頂部螺母的對(duì)位效率，同時(shí)有效降低了施工成本，增加了設(shè)備的實(shí)用性。

6）在助力臂操作把手處增加微調(diào)按鈕，進(jìn)一步提高套筒與精調(diào)爪螺帽對(duì)位效率，同時(shí)，當(dāng)發(fā)生精調(diào)爪浮空的問(wèn)題（翹板）時(shí)，可快速利用微調(diào)按鈕，使精調(diào)爪下落到底座板上。

7）助力臂行程及活動(dòng)范圍大，可適用于P4825、P4925、P5600 等多種常用軌道板及非標(biāo)軌道板的精調(diào)作業(yè)，增加了軌道板精調(diào)設(shè)備的通用性。

8）助力臂行走端及旋轉(zhuǎn)端設(shè)計(jì)制動(dòng)裝置，通過(guò)撥動(dòng)氣動(dòng)開關(guān)，可快速鎖死助力臂，保證了末端搭載精調(diào)電機(jī)套筒與精調(diào)爪螺帽的緊密連接。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)板式無(wú)砟軌道三軸同向精調(diào)爪及配套輔助裝置的研究與應(yīng)用，解決軌道板智能精調(diào)過(guò)程中，采用助力臂將電機(jī)直接與精調(diào)爪直接連接，電機(jī)在無(wú)人工輔助的狀態(tài)下，自轉(zhuǎn)幅度大且回轉(zhuǎn)易脫離精調(diào)爪或因扭力過(guò)大損傷精調(diào)爪結(jié)構(gòu)、破壞電機(jī)和助力臂（機(jī)械臂、液壓臂等其他助力設(shè)備）設(shè)備，同時(shí)精調(diào)過(guò)程中晃動(dòng)大，無(wú)法限位，影響精調(diào)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定等問(wèn)題，提高了軌道精調(diào)效率，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，為同類型設(shè)備的研制提供參考。