CRTSⅢ型先張軌道板流水法智能張拉控制系統(tǒng)研究

張長(zhǎng)春

中鐵二十三局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 上海 201399

預(yù)應(yīng)力筋張拉是CRTSⅢ型雙向先張軌道板生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，張拉力值不一致容易造成軌道板翹曲變形，張拉工序所花費(fèi)的時(shí)間又極大程度地影響了流水作業(yè)的工效，因此，對(duì)其張拉工藝的控制是決定軌道板成品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要因素[1]。為提高CRTSⅢ型先張軌道板制造工藝，并使其工裝設(shè)備全面進(jìn)入工廠化生產(chǎn)階段，有必要對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的張拉精度控制和張拉工序自動(dòng)化進(jìn)行深入研究，以提高其流水線工業(yè)化生產(chǎn)水平和設(shè)備利用率，同時(shí)降低場(chǎng)地?cái)備N和勞動(dòng)力成本，促進(jìn)我國(guó)CRTSⅢ型先張軌道板的生產(chǎn)工藝從矩陣法向流水法轉(zhuǎn)變[2-3]。

預(yù)應(yīng)力筋張拉通常采用整體張拉、單根張拉或整體和單根相結(jié)合這3種方式[4]。對(duì)于雙向先張預(yù)應(yīng)力軌道板機(jī)組流水生產(chǎn)法，整體張拉方式需設(shè)置大噸位張拉系統(tǒng)，并由專人控制張拉桿件與預(yù)應(yīng)力筋連接，以實(shí)現(xiàn)臺(tái)座兩端張拉梁的整體張拉[5]。雖張拉效率較高，但設(shè)備投資大、人為因素易導(dǎo)致張拉精度不足。而整體和單根相結(jié)合的張拉方式需投入2套設(shè)備分別完成初張拉和整體張拉，雖可保證張拉力的均勻性和較高的張拉精度，但操作過(guò)程較為復(fù)雜，工序耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，且易造成預(yù)應(yīng)力損失。

本文依托山東臨朐高速鐵路CRTSⅢ型先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板機(jī)組流水法生產(chǎn)線，將可單獨(dú)控制每根預(yù)應(yīng)力筋張拉力，并且由模具承受張拉反力的單根張拉方法用于先張軌道板自動(dòng)化機(jī)組流水法的生產(chǎn)工藝與成套設(shè)備研發(fā)。同時(shí)，結(jié)合智能傳感和信息化控制技術(shù)，首次提出單根預(yù)應(yīng)力鋼筋自動(dòng)張拉、鎖定理念，通過(guò)張拉設(shè)備自動(dòng)識(shí)別，以及張拉結(jié)構(gòu)和參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，研制出可自動(dòng)適應(yīng)多規(guī)格軌道板生產(chǎn)的智能張拉設(shè)備，再通過(guò)牽引裝置和預(yù)應(yīng)力張拉連接裝置，實(shí)現(xiàn)了流水化生產(chǎn)和預(yù)應(yīng)力筋的雙向同步張拉與錨固，不但使張拉設(shè)備與流水線生產(chǎn)相匹配，還使張拉力值能夠自動(dòng)補(bǔ)償，確保了預(yù)應(yīng)力筋張拉力的均勻性。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于縱向布置16根預(yù)應(yīng)力筋（上、下2層各8根）、橫向24根預(yù)應(yīng)力筋的雙向預(yù)應(yīng)力先張軌道板，本套設(shè)備可在多頭張拉的同時(shí)，單獨(dú)控制每根預(yù)應(yīng)力筋的張拉力。所有預(yù)應(yīng)力鋼筋均可實(shí)現(xiàn)同步對(duì)位、連接、鎖定的全自動(dòng)控制。只需10 min即可完成模具的升降找平、對(duì)位張拉、測(cè)力、測(cè)伸長(zhǎng)量、鎖定、數(shù)據(jù)保存等流程。通過(guò)對(duì)每根預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行張拉力和伸長(zhǎng)量測(cè)試，持荷不少于1 min，發(fā)現(xiàn)鎖定后的張拉力精度誤差在3%以內(nèi)，伸長(zhǎng)量誤差小于±0.02 mm，真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化單模單根張拉、信息化監(jiān)控，流水線生產(chǎn)及預(yù)應(yīng)力的精確控制。

1 張拉設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張拉設(shè)備由端面張拉機(jī)構(gòu)、側(cè)面張拉機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)壓緊裝置等組成（圖1）。其中，端面張拉機(jī)構(gòu)包括端張拉梁、端張拉梁托架、導(dǎo)柱、固定座等；側(cè)面張拉機(jī)構(gòu)包括側(cè)張拉梁、側(cè)張拉梁托架等；電氣控制系統(tǒng)包括測(cè)力傳感器、位移傳感器、控制模塊等；液壓系統(tǒng)包括液壓泵站、液壓閥、液壓油缸等；氣動(dòng)壓緊裝置包括氣缸、氣動(dòng)閥、氣動(dòng)三聯(lián)件等。

圖1 張拉設(shè)備示意

1.1 工作原理

張拉設(shè)備設(shè)計(jì)為雙向單根單側(cè)同時(shí)張拉（圖2），軌道板模具通過(guò)縱向與橫向張拉梁定位后，張拉縱梁下移使張拉桿與張拉爪處于同一水平面上。張拉橫梁通過(guò)先前移再下移的方式使張拉爪與張拉桿處于同一水平面。此時(shí)模具與張拉梁構(gòu)成了共同受力體系（圖3），并通過(guò)張拉連接裝置（圖4）實(shí)現(xiàn)雙向預(yù)應(yīng)力筋的單根同步張拉。該連接裝置可直接放松預(yù)應(yīng)力筋，解決了傳統(tǒng)張拉中需先超張拉再放松的技術(shù)難題。通過(guò)鎖定裝置將預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行有效鎖定，減小其回縮損失。

圖2 縱向張拉梁

圖3 模具與張拉梁連接

圖4 張拉連接裝置

張拉桿由內(nèi)螺紋、止推滑動(dòng)持力環(huán)、張拉環(huán)、卸載螺紋組成。端頭是絲錐螺紋，預(yù)應(yīng)力筋與其相連，其工作原理為千斤頂頂推主承力板，帶動(dòng)卡入張拉爪內(nèi)的張拉桿移動(dòng)，此時(shí)模具與張拉千斤頂互為反力，將預(yù)應(yīng)力筋拉長(zhǎng)，張拉桿上的軸承用于鎖緊張拉力。

最后，張拉油缸開(kāi)始工作，至80 kN時(shí)關(guān)閉供油管電磁閥。其間，利用張拉時(shí)鋼筋產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量，插入楔形鋼板，并在自重和氣缸錘的打擊作用下鎖定張拉力值。張拉力鎖定通過(guò)楔形卡板完成，其技術(shù)原理為物體的摩擦自鎖現(xiàn)象。張拉完成后，張拉桿軸承與模型側(cè)模之間留有空隙，楔形卡板自動(dòng)下滑填充該空隙，當(dāng)楔形卡板在自動(dòng)氣錘的錘擊下不能再下降時(shí)，可以認(rèn)為張拉力鎖緊。

1.2 張拉控制系統(tǒng)

智能張拉控制系統(tǒng)包括測(cè)值傳感器、張拉泵控系統(tǒng)和分析軟件等。圖2～圖4構(gòu)成了雙向同步智能張拉控制系統(tǒng)的主要組成部分，通過(guò)其實(shí)現(xiàn)軌道板雙向預(yù)應(yīng)力筋的同步張拉與錨固。

張拉泵控系統(tǒng)是以液壓缸流量控制實(shí)現(xiàn)壓力間接控制的“變頻液壓泵控系統(tǒng)”。根據(jù)設(shè)定的加載曲線控制張拉過(guò)程，再通過(guò)“自抗擾控制算法”實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式壓力輸出，使預(yù)應(yīng)力筋緩慢而均勻地受力張拉，有效保證各根預(yù)應(yīng)力筋的張拉速率同步。

千斤頂縱向張拉工作原理參見(jiàn)圖2和圖4，預(yù)應(yīng)力筋的張拉采用“一對(duì)一”的張拉方式，即1個(gè)千斤頂對(duì)應(yīng)1根預(yù)應(yīng)力筋，從而實(shí)現(xiàn)單根張拉。千斤頂采用雙作用千斤頂，油站集成共用，雙油泵操控，主泵油壓最高為35 MPa，工作壓力為31.5 MPa，副泵控制輔助油缸，采用工作壓力為21 MPa的低壓油路，均設(shè)置安全溢流閥。每個(gè)張拉千斤頂可單獨(dú)工作。單根張拉通過(guò)拉力和位移傳感器實(shí)現(xiàn)雙向監(jiān)測(cè)控制。側(cè)面張拉梁為水平移動(dòng)，端面張拉梁既可垂直升降又可水平移動(dòng)，以保證模具在軌道上的快速移動(dòng)和對(duì)位。張拉油缸采用標(biāo)準(zhǔn)單元化設(shè)計(jì)，端、側(cè)張拉油缸可通用，方便維修、互換。

1.3 傳感檢查系統(tǒng)

測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器通過(guò)電信號(hào)采集至各對(duì)應(yīng)控制柜，各控制柜內(nèi)的控制模塊通過(guò)以太網(wǎng)相連，將數(shù)據(jù)集中采集至服務(wù)器統(tǒng)一處理。利用GCS-Contrix軟件及VxSCADA組態(tài)軟件，將張拉工況采集的數(shù)據(jù)顯示，并通過(guò)人機(jī)界面下達(dá)操作指令。還可通過(guò)人機(jī)界面查看關(guān)鍵工位的實(shí)時(shí)/歷史曲線（如張拉力值）和相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)表。

張拉力和伸長(zhǎng)量的測(cè)量通過(guò)安裝高精度傳感器進(jìn)行測(cè)定。伸長(zhǎng)量的測(cè)量使用位移傳感器，張拉力的測(cè)量使用壓力傳感器。位移傳感器本體固定于液壓油缸的缸體外側(cè)，位移張拉桿前端與液壓油缸活塞桿前端用1塊安裝鐵片工裝予以固定，從而可實(shí)時(shí)反饋油缸活塞桿的位移伸出值。每個(gè)油缸均安裝有位移傳感器，行程為75 mm。張拉工位的單根鋼筋應(yīng)力傳感器則是用于檢測(cè)單根鋼筋張拉后的力值是否達(dá)到80 kN的理論值，量程0～120 kN，安裝在每個(gè)張拉油缸與承力板之間。

1.4 技術(shù)特點(diǎn)

1）張拉前由模具升降設(shè)備和張拉設(shè)備共同完成張拉連接對(duì)位工作，精度要求控制在±2.5 mm內(nèi)。張拉方式為單向，每個(gè)千斤頂控制1根預(yù)應(yīng)力鋼筋。張拉千斤頂?shù)那岸税惭b測(cè)力傳感器，并至少安裝2個(gè)位移傳感器。

2）預(yù)應(yīng)力筋采用整體單根張拉方式，單根預(yù)應(yīng)力筋加載速率不大于4 kN/s，分別張拉預(yù)應(yīng)力筋至設(shè)計(jì)值，張拉完成后，持荷1 min后插緊楔塊并記錄。

3）預(yù)應(yīng)力值采用雙控標(biāo)準(zhǔn)，以張拉力控制為主，伸長(zhǎng)值作為校核。橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的位移值偏差≤0.4 mm，縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋的位移值偏差≤1.0 mm。正式生產(chǎn)前，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力值進(jìn)行摩阻試驗(yàn)，確定補(bǔ)償量。

4）預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉伸長(zhǎng)量超過(guò)設(shè)計(jì)值偏差的5%時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，且更換鋼筋較方便。

5）張拉記錄由檢查系統(tǒng)自動(dòng)生成，并具有進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸、自動(dòng)報(bào)警功能。作業(yè)完成后，模具下降至流動(dòng)工位，并將信息傳遞給控制中心。

2 張拉工藝流程

1）模具運(yùn)行至準(zhǔn)確位置后，縱向張拉橫梁向下移動(dòng)、橫向張拉橫梁水平移動(dòng)至設(shè)定位置，鋼模依靠底部4個(gè)油缸同步頂升實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位（見(jiàn)圖2），并完成張拉機(jī)械手與張拉桿的嵌入連接，進(jìn)入等待張拉狀態(tài)（見(jiàn)圖3）。

2）張拉采用自動(dòng)張拉設(shè)備，張拉前，每個(gè)張拉油缸會(huì)先完成各自的空行程（未帶力行程），之后開(kāi)始單根單端同時(shí)張拉，并以張拉力值作為控制。

3）預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)均勻，加載速率不應(yīng)大于4 kN/min，至設(shè)計(jì)張拉力值80 kN后，持荷1 min，汽缸自動(dòng)壓緊楔形插板并反復(fù)3次，以此保證張拉力值完成鎖定。實(shí)測(cè)單根張拉力與設(shè)計(jì)張拉力偏差不應(yīng)大于±3%。

4）預(yù)應(yīng)力張拉狀態(tài)數(shù)值及曲線可在中控室SCADA軟件的人機(jī)界面上進(jìn)行查看，并自動(dòng)生成張拉記錄。

5）張拉鎖緊后，縱、橫向張拉油缸進(jìn)入回油狀態(tài)，力值歸零?？v、橫向張拉梁的張拉機(jī)械手與張拉桿脫離并復(fù)位，鋼模隨著底部4個(gè)頂升油缸同步回縮而平穩(wěn)回落到運(yùn)輸小車上。

6）張拉工位完成后進(jìn)行信號(hào)確認(rèn)、反饋，等待進(jìn)入掃描檢測(cè)工位。

模型張拉鎖定完成后，將在有鋼筋籠的前提下進(jìn)行三維掃描，以檢測(cè)模型的變形情況，并對(duì)不合格的模型進(jìn)行報(bào)警。最后對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、保存和分析。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)CRTSⅢ型先張軌道板機(jī)組流水生產(chǎn)線上的預(yù)應(yīng)力筋雙向同步張拉系統(tǒng)，對(duì)其所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和分析。該系統(tǒng)是一種基于自抗擾控制技術(shù)的預(yù)應(yīng)力同步智能張拉控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了張拉結(jié)構(gòu)和張拉參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整及張拉力值的自動(dòng)補(bǔ)償，確保了預(yù)應(yīng)力筋之間張拉力的均勻性。

實(shí)踐表明，該套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，不但解決了軌道板鋼筋預(yù)應(yīng)力的精度控制問(wèn)題，還增強(qiáng)了CRTSⅢ型先張軌道板流水生產(chǎn)線的機(jī)械化、自動(dòng)化和信息化程度，顯著提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)力成本，進(jìn)一步推進(jìn)了規(guī)?；a(chǎn)。采用此預(yù)應(yīng)力筋同步張拉設(shè)備生產(chǎn)的軌道板已經(jīng)應(yīng)用于濟(jì)青、魯南高速鐵路等工程中，并取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。