摘要：針對高速鐵路CRTSⅢ型板流水機組先張施工技術，設計出一套車載型預應力筋自動張拉機，其主要包括行車系統(tǒng)、滑動架、液壓系統(tǒng)以及張拉臺等結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整不同輸入電壓，控制系統(tǒng)最終穩(wěn)定的拉力輸入值為80kN，此時對應的輸入電壓為13.92V，張拉機的輸出拉力上升速率為14.36kN/s，相對超調(diào)量為4.9%，均滿足設計要求。由此表明張拉機各項性能較佳，可在CRTSIII型無砟軌道生產(chǎn)中推廣運用。
關鍵詞：高速鐵路；CRTSIII型無砟軌道；張拉機；先張法；試驗
近些年來，我國的高速鐵路技術取得了突飛猛進的發(fā)展，方便了人們的出行，同時也促進了各地區(qū)間的經(jīng)濟發(fā)展。與有砟軌道相比，板式無砟軌道具有穩(wěn)定性好、維修工作量小等優(yōu)點，已經(jīng)成為高速鐵路軌道的主要結(jié)構(gòu)形式[1-2]。無砟軌道目前已先后歷經(jīng)了三代，最早的CRTSI型板式無砟軌道起源于日本，隨后德國研究出CRTSII型博格板式無砟軌道，而CRTSIII型無砟軌道是我國自主研發(fā)的新型軌道板。在軌道板臺座法、流水機組法以及傳送帶法生產(chǎn)工藝下，其具有生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高等諸多優(yōu)勢，已近乎實現(xiàn)全部工藝設備的國產(chǎn)化[3-4]。由于采用先張工藝生產(chǎn)的無砟軌道，在各項性能方面均優(yōu)于后張法，因此在實際工程中先張應力無砟軌道板施工成為最常用的施工工藝[5-8]。張拉機是實現(xiàn)先張法施工的重要一環(huán)，其工作性能關系著無砟軌道施工質(zhì)量的好壞。目前，已有部分學者關于張拉機做了專項研究[9-10]，但針對CRTSIII型無砟軌道張拉機的設計還比較少見，本文開展了高速鐵路CRTSIII型無砟軌道張拉機的設計與試驗研究，以期能為CRTSIII型無砟軌道先張工藝的成套設備設計提供參考。
1先張法施工工藝優(yōu)點
眾多研究成果表明，當軌道板中的橫、縱向鋼筋所受預應力在80kN左右，且加載速率小于20kN/s時，軌道板的使用壽命將得到明顯提升，并大大減少裂紋度。給軌道鋼筋進行張拉有先張法和后張法2種。先張法是使鋼筋先承受一定大小的預應力，然后再進行混凝土澆筑。后張法是先進行澆筑混凝土，待軌道板成型后，再進行鋼筋張拉施工。與后張法相比，先張法施工具有如下優(yōu)勢：通過預張拉，可以對軌道板的電氣性能起到改善作用；預應力損失比例小，且軌道板的整體受力更加均勻；先張法的橫向和縱向鋼筋采用對稱配制，有利于減小軌道板翹曲發(fā)生的幾率；可以保證鋼筋與混凝土之間的有效黏結(jié)和包裹，克服鋼筋易氧化的缺陷，充分發(fā)揮鋼筋的剛韌彈塑性能；生產(chǎn)工序少，生產(chǎn)效率高，施工方便，具有較高的經(jīng)濟效益。先張法和后張法軌道板施工工藝對比結(jié)果見表1。
2張拉機整體結(jié)構(gòu)及參數(shù)設計
2.1整體結(jié)構(gòu)設計
單個CRTSIII型軌道板長×寬×厚為5.58m×2.48m×0.16m，橫向布置24根鋼筋，縱向布置2層共16根鋼筋。自動張拉機設計需具有如下功能：張拉臺能夠自動調(diào)節(jié)高度和位置，以完成對不同鋼筋的張拉施工；張拉臺在垂直框架梁方向具有移動功能，以保證張拉桿和螺母可以順利進入六角桿的內(nèi)孔之中，從而使螺紋套和連接桿可以順利連接；通過控制輸入比例壓力溢流閥的電流大小，對張拉機的張拉力進行調(diào)節(jié)，同時要保證張拉力基本呈線性增長，且不超過規(guī)定的上限；張拉完成后，通過馬達、傳動機構(gòu)等帶動螺母運動，起到自動鎖緊功能，達到保持額定張拉力的效果。自動張拉機采用液壓系統(tǒng)實現(xiàn)預期功能，壓力參數(shù)是自動張拉機的重要參數(shù)。電液比例閥具有性價比高、壓力流量可調(diào)節(jié)、抗污能力相對較強等優(yōu)勢，故設計中采用電液比例溢流閥來控制壓力。自動張拉機主要結(jié)構(gòu)包括車輪、車軸、車架、箱體、鎖緊馬達、驅(qū)動馬達、升降液壓缸、聯(lián)軸器、螺紋套、張拉臺、張拉臺基座、鏈輪、鏈輪軸、滑動架、軸承等，自動張拉機整體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。自動張拉機實物圖如圖2所示。
2.2主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設計
液壓系統(tǒng)工作壓力不宜過高，也不宜過低，由于張拉機屬于小型設備，故工作壓力選為15MPa。其中，執(zhí)行元件最大工作壓力為14.6MPa，管路壓力損失為0.4MPa。電動機功率為1.25kW，取泵的效率為0.75，查閱相關手冊，選用Y112M-6型電動機。旋合馬達型號為YM-A19B-JL，額定壓力大小為6MPa；鎖緊馬達型號為PJM6-400B，額定壓力為25MPa；行走馬達型號為BYM-80，最大工作壓力為12MPa。溢流閥額定流量為63L/min，額定壓力為16MPa。油箱有效容積為0.34m3，采用循環(huán)水強制冷卻方式。小齒輪齒數(shù)為17，采用45Mn淬火處理。大齒輪齒數(shù)為34，采用Q235焊后退火處理。采用No8A型鏈條。軸直徑為40mm（聯(lián)軸器），材料選擇45CrNi合金鋼。
3實驗分析
3.1實驗設備
為了驗證自動張拉機的工作性能，在室內(nèi)進行了實驗分析，實驗主要設備包括Y2-180-4型電動機、PVS-46-A3-FR型液壓泵、DBETR-108/315型比例溢流閥、SY-YTFL-SA15型流量傳感器、SY-PG1205-40MPa-GB型壓力傳感器、VT-5003型比例放大器以及USB-4716型數(shù)據(jù)采集卡。
3.2實驗原理
實驗的主要目的，是通過比例溢流閥控制液壓缸來檢測自動張拉機的輸出拉力。其實驗原理如下：Y2-180-4型電動機為PVS-46-A3-FR型液壓泵提供動力，液壓泵在電動機驅(qū)動下給系統(tǒng)提供持續(xù)不斷的液壓油。DBETR-108/315型溢流閥主要起保護液壓元件的作用，并控制系統(tǒng)壓力的增長速率（在規(guī)定4～8s內(nèi)達到設計要求值），同時保持拉力輸出時呈線性關系。SY-YTFL-SA15型流量傳感器主要是對液壓油流量起到監(jiān)控作用。SVT-5003型比例放大器能夠通過對輸入電壓（0～24V）進行調(diào)節(jié)，對比例對溢流閥的輸入電流進行調(diào)節(jié)，進而控制整個系統(tǒng)的油壓大小，最終起到調(diào)節(jié)輸出拉力的作用。Y-PG1205-40MPa-GB型壓力傳感器是將壓力信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，并通過USB-4716型數(shù)據(jù)采集卡實時記錄，可得到壓力時程曲線。實驗的最終目標是保證張拉缸的輸出拉力上升速率不超過20kN/s，鋼筋所受的實際預應力值與設計額定值（80kN）之間的絕對值不能超過額定拉力值的6%。
3.3實驗結(jié)果
實驗過程中，通過不斷調(diào)節(jié)比例放大器的輸入電壓值來不斷修正輸出拉力。首先，將輸出電壓設置為9V和18V，進行初調(diào)測試，得到的壓力-時程曲線見圖3。從圖3中可以看到，當輸入電壓為9V時，壓力值在0～6s內(nèi)近似呈線性增長，在6s時達到壓力峰值6.45MPa；之后（6～9s）壓力值略有降低并呈動態(tài)振蕩變化特征；當時間超過9s后，壓力值基本達到穩(wěn)定值，穩(wěn)定的壓力值約為6.11MPa，壓力峰值與穩(wěn)定值之間相差0.34MPa，相對超調(diào)量僅為5.6%。當輸入電壓為18V時，壓力值在0～6s內(nèi)也近似呈線性增長，在6s時達到壓力峰值22.9MPa；在6～9s時間內(nèi)，壓力值略有降低并也呈動態(tài)振蕩變化特征；當時間超過9s后，壓力值基本達到穩(wěn)定值，穩(wěn)定的壓力值約為22.05MPa，壓力峰值與穩(wěn)定值之間相差0.85MPa，相對超調(diào)量僅為3.7%。從實驗結(jié)果可以看出：隨著輸出電壓的增大，系統(tǒng)控制的液壓油壓力值也越大；壓力線性增長時間均在6s內(nèi)完成，壓力穩(wěn)定時間均在9s左右完成，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定值分別為6.45MPa和22.9MPa。而設計執(zhí)行元件最大工作壓力大小為14.6MPa，故可以預見，設計輸入電壓介于9～18V之間。采用上述方式，繼續(xù)對比例放大器的輸入電壓進行不斷調(diào)節(jié)，經(jīng)多次調(diào)節(jié)后，最終確認輸入電壓值為13.92MPa，其獲得的壓力-時程曲線見圖4。從圖4中可以看到：壓力-時程曲線在0~6s中呈線性增長，最大值出現(xiàn)在6s處，壓力最大值為15.32MPa，穩(wěn)定值為14.6MPa，最大值與穩(wěn)定值之間相差0.72MPa，相對超調(diào)量為4.9%。將圖4中的壓力-時程曲線轉(zhuǎn)化為拉力-時程曲線，結(jié)果見圖5。從圖4中可以看到：張拉機的實際輸出拉力值在前6s呈線性增長，拉力上升幅度為14.36kN/s，小于設計要求的20kN/s的限值；拉力峰值為83.95kN，穩(wěn)定值為80kN，兩者相差3.95kN，相對超調(diào)量為4.9%，小于設計要求6%的限值。由此可見，本文設計的張拉機在張拉作業(yè)中的各項參數(shù)均滿足相關要求，具有較好的工作性能。
4結(jié)論
先張法在高速鐵路CRTSIII型無砟軌道預應力鋼筋施工中較為常用，具有抗裂性好、抗翹曲性佳、經(jīng)濟高效等優(yōu)點。本文針對先張施工工藝，設計出一套以液壓系統(tǒng)控制的自動張拉機，通過室內(nèi)性能檢測實驗，得到該款張拉機的輸出拉力上升速率為14.36kN/s，相對超調(diào)量為4.9%，均滿足不大于設計要求的20kN/s和6%，各項性能較佳，可在CRTSIII型無砟軌道生產(chǎn)中推廣使用。
參考文獻
[1]姚志清.CRTSⅡ型板式無砟軌道長橋上底座板張拉連接技術[J].石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2014，27（S1）:153-157.
[2]劉運紅.先張法預制CRTSⅢ型軌道板工藝及經(jīng)濟性分析[J].鐵路工程技術與經(jīng)濟，2018，33（04）:21-24.
[3]王夢，王繼軍，趙勇，等.CRTSⅢ型先張法預應力軌道板流水機組法生產(chǎn)工藝預應力筋張拉力鎖緊方式研究[J].鐵道建筑，2019，59（01）:81-83+133.
[4]楊永明.CRTSⅢ型軌道板流水機組生產(chǎn)工藝預應力筋張拉方式研究[J].鐵道建筑，2017（07）:119-122.
[5]榮慧明.先張預應力CRTSⅢ型無砟軌道板預制施工技術研究[J].工程建設與設計，2019（02）:116-117.
[6]蔣成名，劉玉波，楊樂明，等.CRTSⅢ型無砟軌道板下埋式先張法張拉臺座施工控制[J].安徽建筑，2017，24（06）:105-109.
[7]王夢，王繼軍，趙勇，等.CRTSⅢ型先張預應力軌道板設計及制造技術[J].中國鐵路，2017（08）:16-20.
[8]王紅亮.鄭徐客運專線CRTSⅢ型先張無砟軌道板創(chuàng)新技術及生產(chǎn)工藝[J].高速鐵路技術，2015，6（03）:41-45.
[9]姜大偉，費樹明，陳立巖，汪成林.軌枕預應力張拉機設計[J].長春工業(yè)大學學報（自然科學版），2010，31（03）:305-308.
[10]鄺潤錫.張拉機全自動控制系統(tǒng)設計[J].機電工程技術，2018，47（07）:106-108+205.
