高速鐵路CRTSⅢ型板充填層自密實混凝土灌注車的研制

牛懷軍，何國華

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路CRTSⅢ型板充填層自密實混凝土灌注車的研制

牛懷軍，何國華

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

CRTSⅢ型無砟軌道板的自密實混凝土灌注方式不同于CRTSⅠ、CRTSⅡ型軌道板，需研制CRTSⅢ型無砟軌道板充填層自密實混凝土灌注車。根據(jù)CRTSⅢ型無砟軌道板自密實混凝土施工性質(zhì)，提出了灌注車的系統(tǒng)組成和技術(shù)參數(shù)，并成功研制出了自密實混凝土灌注車，為施工單位提供了一種針對高速鐵路CRTSⅢ型無砟軌道板充填層自密實混凝土灌注施工的設備。

高速鐵路 CRTSⅢ軌道板充填層 混凝土灌注車 技術(shù)參數(shù)

新近研發(fā)出的CRTSⅢ型無砟軌道板的自密實混凝土灌注方式不同于CRTSⅠ、CRTSⅡ型軌道板，需研制新型的灌注車，以滿足 CRTSⅢ型軌道板線路的建設。

1 CRTSⅢ型板概況

1.1 CRTSⅢ型無砟軌道板

CRTSⅢ型無砟軌道板采用門型鋼筋網(wǎng)同自密實混凝土結(jié)合，形成復合板軌道板結(jié)構(gòu)，有效解決了因軌道CA砂漿不均勻收縮導致軌道線路不平順的問題。

1.2 CRTSⅢ型板充填層自密實混凝土灌注

CRTSⅢ型軌道板自密實混凝土內(nèi)含10 mm砂礫，最大砂礫直徑16 mm，黏度大于CA砂漿。Ⅲ型軌道板是新研制的自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品，自密實混凝土及其灌注方法都不同于Ⅰ、Ⅱ型軌道板，Ⅲ型軌道板線路尚未鋪設過，沒有現(xiàn)成的灌注車。國家軌道實驗室和試驗線路使用的都是非標設備。

2 自密實混凝土灌注車的系統(tǒng)組成

2.1 灌注車的基本功能要求

CRTSⅢ型軌道板自密實混凝土灌注車的功能應包括:①自動走行(道岔區(qū)除外);②慢速攪拌(邊灌注邊攪拌);③底板自潤濕;④砂漿攪拌溫度保持在5℃～35℃。

2.2 灌注車主要系統(tǒng)

灌注車系統(tǒng)主要包括:混凝土攪拌系統(tǒng)、混凝土灌注系統(tǒng)、噴霧潤濕和清洗系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。

混凝土攪拌系統(tǒng)主要由攪拌罐、攪拌電機、攪拌葉片等組成。經(jīng)數(shù)次調(diào)研和用戶建議采用立式攪拌比較合理，采用重力自流灌注方式，不需要外加混凝土泵加壓，攪拌罐灌注口和軌道板灌注口之間高度應該保持200～500 mm，以便保持足夠的灌注壓力;攪拌速度不宜過快，以防攪入更多氣泡，應該在5～40 r/min左右，并根據(jù)物料的特性手動調(diào)整，以攪出的物料不攜帶大氣泡為宜。

混凝土灌注系統(tǒng)主要由閥門、管路、灌注口等組成。混凝土灌注車經(jīng)過粗略定位后，采用人工調(diào)整對準灌注口，灌注管道采用防水帆布實現(xiàn)與灌注口的柔性連接。設有混凝土控制機械閥門及手動閥門。

噴霧潤濕和清洗系統(tǒng)主要由水箱、高壓泵、管路、噴頭等部分組成。水箱注水采用外部供水車通過水箱上的快速接頭對接供水，水箱具有液位顯示。噴霧潤濕和清洗采用高壓泵;噴霧潤濕作業(yè)采用人工對準定位灌注口，并通過設定噴霧時間調(diào)整潤滑程度，潤濕過程由程序自動完成。潤濕過程中噴頭不應有滴水現(xiàn)象，確保板頂?shù)某浞譂櫇袂野宓谉o積水。清洗作業(yè)采用人工、自動清洗或者二者混合方式;清洗后的污水應該能夠收集，并集中排放。

走行系統(tǒng)由車架、輪系和驅(qū)動總成組成。底盤高度應該高于800 mm，以便于通過175 mm超高最高點;車架應該具有足夠強度，能夠承受至少14 t的全重，車架采用梁式或者箱式結(jié)構(gòu);懸掛包括走行導向裝置，能固定安裝輪系，固定驅(qū)動電機;輪系采用單輪的四輪組走行方式，輪子采用直徑為800 mm的聚氨酯包膠鋼輪，提高通過能力;輪距在3 100～3 300 mm范圍內(nèi)可調(diào)，便于通過最大規(guī)格軌道底板寬度，車體最大寬度限制在4 000 mm以內(nèi)，以滿足隧道建筑限界;驅(qū)動總成采用兩個減速機，安裝在前輪座上直接驅(qū)動前輪，車輛自走行速度5～24 m/min。轉(zhuǎn)向采用4個減速機驅(qū)動，經(jīng)初步計算設定電機功率為1.1 kW，轉(zhuǎn)向極限角度為5°，導向采用超聲波測距控制行走輪與軌道板底座之間的距離，在前后輪處各設有一個測距控制，輪組可以自動左右轉(zhuǎn)動調(diào)整走行方向，導向輪距可調(diào)，適用于2 900～3 100 mm內(nèi)規(guī)格的軌道底板寬度。

定位系統(tǒng)包括走行控制、視頻監(jiān)控和自動測距等組件，以便能夠?qū)崿F(xiàn)灌注管和軌道板灌注口及潤濕噴頭與灌注口、觀察口的粗略定位。

動力系統(tǒng)的發(fā)電機組提供全車動力，發(fā)電機組應該達到IP65標準。

輔助系統(tǒng)包括照明和警示電鈴等部分。

此外還應設計相應的人機操作裝置，以方便發(fā)電機組、攪拌灌注、噴水潤濕等系統(tǒng)的作業(yè)操作。

3 CRTSⅢ型板自密實混凝土灌注車技術(shù)參數(shù)

3.1 主要參數(shù)分析

3.1.1 混凝土容積和質(zhì)量

混凝土灌注車每次灌注一塊軌道板，灌注容積定為1.6 m3?；炷撩芏葹?.3 t/m3，混凝土質(zhì)量為3.68 t?？紤]到混合主機的裝載系數(shù)為0.8，初步設定混合主機的全容積為2 m3。

3.1.2 水容積和質(zhì)量

Ⅲ型板施工時的潤濕要求應充分澆濕軌道板和底座上下表面，清洗需要把用完的灌注設備清洗干凈，考慮富余量，水量初步定位為2 m3，水的密度為1 t/m3，水的質(zhì)量為m水=2 t。

3.1.3 灌注車總質(zhì)量

灌注車承載的質(zhì)量主要由混凝土和水組成，其他部分的質(zhì)量還有攪拌系統(tǒng)約1 t，動力及控制系統(tǒng)約1 t、車輛6 t，灌注車滿載時的總質(zhì)量按14 t計。

3.2 動力系統(tǒng)功率估算

動力系統(tǒng)主要由發(fā)電機組組成，提供全車動力。

3.2.1 走行功率分析

滿載時走行功率應該以啟動走行所需的最大功率計算。

1)走行功率分析

輪周牽引力在啟動的時候是一個靜摩擦力，所以極限值就是最大靜摩擦力，稱為輪軌間黏著力的最大值，其極限值接近于輪軌間的靜摩擦力，即一個動軸黏著力最大值為

式中，F(xiàn)黏max為由輪軌間的黏著條件決定的一個動軸黏著力，N;μmax為輪軌間最大物理黏著系數(shù)(接近靜摩擦系數(shù));Q為動軸荷載，kN。

關于尼龍—水泥路面的摩擦系數(shù)還沒有正式的文獻資料，而輪胎—路面滾動摩擦系數(shù)最大為0.3，由于設計采用高強度聚氨酯，其硬度遠大于普通輪胎，則其動摩擦系數(shù)更小，可以取μmax=0.25;設每個輪子承載力為 4 t，Q=3.5 ×9.8×103N=34.3 kN。F黏max=1 000 Qμmax=1 000×34.3×0.25=8.575×103N，粗略估算，輪徑 D=800 mm，F(xiàn)黏max=F驅(qū)，則所需扭距為M=F黏maxD/2=8.575×103×0.4=3.43×103N·m，保持速度V=25 m/min，則單個驅(qū)動輪所需功率P單=F黏maxV，P單=8.575×25×103/60=3.57 kW，取兩輪為主動輪，P總驅(qū)動=4 P=14.2 kW，可得兩個主動輪的情況下每個驅(qū)動輪功率為7.1 kW。

2)轉(zhuǎn)向電機功率分析

4個行走輪，采用4個電機驅(qū)動，前后輪組各自用機械連桿確保同步，根據(jù)試驗得1.1 kW電機驅(qū)動轉(zhuǎn)向時的電機電流為1.4A。則P總轉(zhuǎn)向=4P=4.4 kW。

3.2.2 攪拌功率分析

混凝土灌注車應容納攪拌的混凝土量為2 m3，密度為2.3 t/m3，最大需要攪拌4.6 t。把水泥攪拌車和水泥攪拌站相同重量混凝土的攪拌功率進行類比，并考慮灌注車慢速攪拌的工況，P攪拌=7.5 kW功率可滿足使用要求。

3.2.3 總功率分析

其他有功耗的系統(tǒng)還有噴霧潤濕、清洗、控制等作業(yè)，由于清洗、噴霧潤濕、走行和攪拌一般不會同時作業(yè)，而且這些系統(tǒng)的功率比較小，走行和攪拌功率有富余，所以4 kW 足夠，故 P總功率=P總驅(qū)動+P攪拌+P清洗+P潤濕+P總轉(zhuǎn)向=30 kW。

3.3 限界、車輛尺寸、上料和卸料參數(shù)

3.3.1 限界

混凝土灌注車應該滿足高速鐵路的限界要求，經(jīng)過研究比較如果可以滿足高速鐵路隧道建筑限界，便可以滿足高速鐵路其他建筑限界要求，避免侵界。

3.3.2 上料和卸料

在灌注施工作業(yè)中灌注車上料主要采用吊送、橋下向上泵送方式，對灌注車攪拌罐高度沒有嚴格限制，極少情況下使用混凝土攪拌車直接在路基橋面上泵送料方式，因為泵送管口高度最大為1 800 mm。

卸料也就是指混凝土灌注，由混凝土攪拌罐下部混凝土灌注裝置來實現(xiàn)，利用混凝土自重的勢能，實現(xiàn)自流密實，灌注口要高于軌道板200 mm以上，1 000 mm以下。

3.3.3 車輛尺寸

經(jīng)過初步三維布圖，可以得知灌注車基本尺寸為7 500(長)×4 000(寬)×3 400(高)mm。

4 自密實混凝土灌注車技術(shù)方案

4.1 主要部件選型

1)驅(qū)動電機選型。根據(jù)計算參數(shù)，可以選擇K系列的電機減速器總成，見表1。

表1 電機選擇列表

2)動力系統(tǒng)(發(fā)電機組)選型

根據(jù)計算的總功率P總功率=30 kW，可以選擇康明斯柴油發(fā)電機，常用功率30 kW。

4.2 結(jié)構(gòu)布局設計

用戶的需求、軌道參數(shù)和軌道作業(yè)要求決定車輛的整體布局，灌注車基于功能全面、自動作業(yè)并兼顧手工作業(yè)進行布局設計，一方面包括潤濕、攪拌和灌注三大必要功能;另一方面包括監(jiān)控、自動定位、自動走行和照明等輔助功能;突出自動化功能又兼顧手工操作功能設計，還應具備臨線作業(yè)裝置和功能。

4.2.1 手工作業(yè)工況下的灌注車

潤濕、清洗、定位、灌注等作業(yè)采用人工輔助的方式。主要是人工對準，自動潤濕，臨線手工潤濕，人工清洗;灌注對準也是人工對準，人工密封，加上自流灌注。

4.2.2 自動作業(yè)工況下的灌注車

灌注車通過超聲波定位，自動控制行走中輪系的轉(zhuǎn)向，完成初步定位;然后人工操作線控板，通過視頻監(jiān)控將灌注管口自動定位在軌道板孔，并自動探入軌道板孔規(guī)定深度進行潤濕和灌注作業(yè)，見圖1。

圖1 自動灌注作業(yè)位置

5 結(jié)論

對CRTSⅢ型無砟軌道板充填層自密實混凝土灌注車進行了全面的測試，灌注車發(fā)電機功率、走行性能以及攪拌、灌注、潤濕等主要作業(yè)性能均能滿足設計要求，實現(xiàn)了CRTSⅢ型無砟軌道板自密實混凝土灌注施工，可以推廣使用。

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U215.4+4

A

1003-1995(2012)06-0130-03

2012-02-15;

2012-03-20

牛懷軍(1972— )，男，西藏林芝人，助理研究員。

(責任審編 王 紅)