雙向先張軌道板智能生產(chǎn)線關(guān)鍵設備研究

王玉策

（中鐵二十三局集團軌道交通工程有限公司 上海 201399）

1 引言

CRTSⅢ型軌道板是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速鐵路專用無砟軌道混凝土軌道板。其中，雙向先張預應力軌道板在整體剛度、抗裂性、抗撓曲變形和結(jié)構(gòu)耐久性等方面較其他型式軌道板有較大提升，目前已成為我國高速鐵路建設的首選結(jié)構(gòu)型式[1－2]。國內(nèi)在前期推廣CRTSⅢ型先張預應力軌道板規(guī)?；瘧脮r，進行了矩陣法生產(chǎn)工藝的系統(tǒng)創(chuàng)新和實踐探索，但也反映出建廠成本高、設備利用率低、勞動力投入大、成品質(zhì)量不可控環(huán)節(jié)多、與新型自動化和智能化設備融合不足等問題，難以更好地為我國高鐵建設的快速、高質(zhì)量發(fā)展服務[3－5]。因此必須進一步改進生產(chǎn)工藝，提高CRTSⅢ型先張預應力軌道板的工業(yè)化生產(chǎn)水平。

基于智能制造新型裝備，我國近期研制了CRTSⅢ型先張法預應力軌道板智能化流水機組法生產(chǎn)工藝并形成了規(guī)模應用[6－7]。其技術(shù)特征是利用牽引裝置使模具在軌道上流動，依次開展各生產(chǎn)工序作業(yè)。通過解決大噸位雙向受力下模具的變形問題，以及開發(fā)模具在軌道上流動生產(chǎn)所需要的關(guān)鍵設備，實現(xiàn)了更高效的生產(chǎn)工藝，達到了降低成本、節(jié)能環(huán)保、提高功效的目的[8－10]。包含的專有技術(shù)工序包括模具身份識別、雙向預應力鋼筋同步張拉及鎖定、三維在線掃描檢測、大型分體式混凝土振搗、同步預應力放張、自動脫模以及各工位作業(yè)的中央控制[11]。但是其生產(chǎn)過程中仍需根據(jù)軌道板尺寸人工進行鋼筋籠綁扎，不但綁扎工作量大，而且鋼筋定位和綁扎效率對工人的綁扎手法和經(jīng)驗有很強的依賴性，一定程度制約了軌道板工廠化生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。

本文通過4軸機器人、機器人夾具、可移動式平臺及電氣控制系統(tǒng)，在軌道板機組流水生產(chǎn)線中實現(xiàn)了智能鋼筋自動綁扎，以保證縱橫鋼筋交叉點綁扎力道的一致，不但成功減少了人機配合作業(yè)工序，還提高了綁扎質(zhì)量和效率。通過對軌道板智能流水線中涉及的軌道板模具、智能張拉、雙向同步放張、蒸養(yǎng)風幕系統(tǒng)及流水線信息化智能控制等關(guān)鍵建造設備進行系統(tǒng)闡述和分析，與智能流水線生產(chǎn)工藝研究互補，形成了制造設備層面的集成化智能管控技術(shù)，有助于先進制造設備、智能控制技術(shù)以及信息技術(shù)在裝配式構(gòu)件生產(chǎn)中的推廣應用。

2 機器人自動鋼筋綁扎

（1）技術(shù)原理

如圖1所示，可移動式平臺設置在預制鋼筋籠的綁扎工位，4軸機器人通過自動捆扎槍實現(xiàn)多個位置同時捆扎安裝。平臺移動可依次為4軸機器人提供預制鋼筋籠的全部縱橫鋼筋交叉點，再通過配合運動，實現(xiàn)鋼筋籠自動綁扎。配置電氣控制系統(tǒng)具有配置參數(shù)（板料類型調(diào)整）、產(chǎn)品自動配型、桿件到位信號確認、故障信號提醒及流程自動控制等功能。本系統(tǒng)使用8個自動捆扎槍同時進行捆扎，鋼筋綁扎時間約為10 s，每段捆扎時間約為20 s。整個軌道板鋼筋籠綁扎完成時間為5～7 min。

圖1 鋼筋籠自動綁扎示意

（2）系統(tǒng)組成

如圖2所示：①為鋼筋安裝層；②為模具板層；③為連接平臺；④為移動軌道。首先將鋼筋安裝層直接定位安裝在模具板層；然后在模具板層，可實現(xiàn)不同型號軌道板的冶具托架更換，底面采用插銷固定；最后通過平臺連接移動軌道，軌道移動距離在2 500 mm左右，用于切換安裝工位。

圖2 可移動式平臺示意

3 關(guān)鍵設備

（1）大噸位雙向受力模具

軌道板模具在單模張拉時，縱橫鋼筋張拉力全部由側(cè)模和底模共同承擔。以P5600規(guī)格為例，模具橫向受張拉力1 920 kN、縱向1 280 kN，承擔著巨大的雙向張拉與錨固力。同時模具還受到混凝土振搗時激振，以及蒸養(yǎng)時溫度和濕度交替變化等因素影響[12]。因此，必須提高模具的強度、剛度、穩(wěn)定性和抗疲勞性，以滿足軌道板批量生產(chǎn)的要求。如圖3所示，模具由側(cè)模、底模、錐桶、承軌臺、定位孔等組成，采用Q345B高強度鋼材進行全鋼結(jié)構(gòu)設計制造。橫向側(cè)模、縱向側(cè)模及底模的厚度分別為35 mm、50 mm及20 mm。模型底部為箱梁結(jié)構(gòu)，邊側(cè)模焊接在模型上，總重量小于12.5 t。

圖3 軌道板模具示意

張拉時，側(cè)模上所承受的部分荷載將會傳遞給底模，可能導致底模向上撓曲過大，影響軌道板成型后的平整度。因此需要在底模下關(guān)鍵薄弱部位設置若干道小箱梁來進行加固，橫向共有10道，縱向共有4道（如圖4所示），1為張拉孔，2為側(cè)模加勁肋，3為張拉力自鎖裝置，4為底模加勁小箱梁，5為加勁鋼板。

圖4 縱向張拉模具側(cè)面

考慮模具總重量要求和現(xiàn)場空間布局，在底板厚度加厚受限的前提下，在模具底部增設4根體外預應力拉桿，每根拉桿施加20 t張拉力。同時通過在底模板設置反向預拱度、在張拉桿設置自導向柔性橡膠套及柔性內(nèi)襯墊層等措施，保證模具受力后變形小于±1 mm，滿足平整度誤差要求。

（2）預應力筋張拉與鎖定設備

如圖5所示，CRTSⅢ型先張軌道板機組流水線張拉方式為雙向單根單側(cè)同時張拉，實現(xiàn)了在多頭張拉時可單獨控制每根預應力筋張拉力，并由模具承受張拉反力的目的。整套自動張拉設備包括端面張拉機構(gòu)、側(cè)面張拉機構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動壓緊裝置等。

圖5 縱向張拉設備

張拉前由模型升降設備和張拉設備共同完成張拉連接對位工作，精度要求控制在±2.5 mm內(nèi)。張拉方式為單向，每個千斤頂控制一根預應力鋼筋。張拉千斤頂?shù)那岸税惭b測力傳感器，張拉力和伸長量的測量通過高精度傳感器進行測定，并至少安裝兩只位移傳感器。

張拉結(jié)束后，模具先上升，然后張拉油缸縮回，張拉力通過鎖緊墊片的鎖定預應力施加到模板上。張拉力的鎖定通過楔形卡板完成，其技術(shù)原理為物體的摩擦自鎖現(xiàn)象。張拉完成后，張拉桿軸承與模具側(cè)模之間留有空隙，楔形卡板自動下滑填充該空隙。當楔形卡板在自動氣錘的錘擊下不能再下降時，認為張拉力鎖緊。升降裝置如圖6所示。

圖6 升降裝置

（3）混凝土澆筑與振搗設備

為保證混凝土入模均勻，布料機通過螺旋攤鋪器實現(xiàn)混凝土在模具內(nèi)均勻布料。振動臺如圖7所示，由支座、振動電機、沉降軌道、變頻控制器、壓緊螺栓等組成，實現(xiàn)了臺架模具與振動臺的協(xié)調(diào)振動，可有效保證混凝土振搗密實。模型運行至振動臺后，軌道下沉，模型鎖定，振搗開始時間在鎖定后延遲5 s進行。

圖7 振動臺

（4）雙向同步放張設備

如圖8所示，預應力筋放松設備由端放張機構(gòu)、側(cè)放張機構(gòu)、泵站、電控制柜、定位機構(gòu)等組成。通過模板定位、就位反轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)放張實現(xiàn)同步放張。四個方向的放張梁可進行精確平移定位，同時以較慢翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，配合放張?zhí)淄捕祟^與張拉桿端頭的對位咬合。放張?zhí)淄残D(zhuǎn)連接桿直接放松預應力筋，避免了“先超張拉再放松”的傳統(tǒng)預應力筋放松手段，實現(xiàn)了預應力筋放松的快速、安全。

圖8 放張設備

（5）蒸汽養(yǎng)護風幕系統(tǒng)

蒸汽養(yǎng)護風幕系統(tǒng)主要由高壓循環(huán)風機、噴淋設備、溫度傳感器等組成。而噴淋設備主要由高壓蒸汽儲罐、儲水罐、噴頭、管道、電磁閥等組成。養(yǎng)護窯利用高壓循環(huán)風形成風幕墻，將不同溫度區(qū)域進行有效隔離，同時利用高壓風機內(nèi)部蒸汽盤管控制通入風機的蒸汽量，進而調(diào)控風機內(nèi)空氣溫度。借助噴淋設備實現(xiàn)升溫區(qū)、恒溫區(qū)與降溫區(qū)溫度和濕度的控制與調(diào)節(jié)。

（6）脫模設備

脫模設備如圖9所示，主要包括壓緊平衡裝置、定位油缸、脫模油缸及相應配套的泵站和電控制柜等。通過設置壓緊平衡裝置，有效增加了壓緊裝置與軌道板之間的接觸面，可更好地維持脫模過程中軌道板的平衡，防止偏載脫?，F(xiàn)象發(fā)生。

圖9 脫模設備

模具進入脫模工位后，用千斤頂頂升250 mm，通過頂升軌道板灌注孔，模型四角千斤頂下降，中間千斤頂不動，使產(chǎn)品與模型分離。

4 控制系統(tǒng)

4．1 在線檢測系統(tǒng)

基于三維激光與雙目視覺在線檢測系統(tǒng)，軌道板流水線在線檢測系統(tǒng)由2套3D掃描傳感器、1套雙目立體視覺系統(tǒng)及導軌、滑臺、伺服電機、鋁合金桁架、在線檢測控制與分析軟件等組成。通過攝影測量和結(jié)構(gòu)光三角掃描測量的方式建立軌道板或模具的三維模型，從而對模型（軌道板產(chǎn)品）進行相應指標檢測與分析，預測產(chǎn)品趨勢，調(diào)整相關(guān)作業(yè)參數(shù)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

4．2 流水線控制系統(tǒng)

（1）中央控制系統(tǒng)

基于流水線功能需求，將中央控制系統(tǒng)設計為過程控制模塊和工序控制模塊。過程控制模塊用于設備狀態(tài)監(jiān)控及限位顯示、流水節(jié)拍參數(shù)設置及運行監(jiān)控、各工序信息傳輸、誤操作報警與故障處理、歷史數(shù)據(jù)收集與歸檔等功能；工序控制模塊用于各工序設備控制、工藝參數(shù)設定與運行、數(shù)據(jù)的采集與分析評定等功能。

（2）智能張拉控制系統(tǒng)

智能張拉控制系統(tǒng)包括測值傳感器、張拉泵控系統(tǒng)和分析軟件等。張拉泵控系統(tǒng)采用以液壓缸流量控制實現(xiàn)壓力間接控制的“變頻液壓泵控系統(tǒng)”，可根據(jù)設定加載曲線控制張拉過程。

首先，通過“自抗擾控制算法”實現(xiàn)步進式壓力輸出，使預應力筋緩慢而均勻受力張拉，有效保證了各根預應力筋張拉速率同步；其次，測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器通過電信號采集至各對應控制柜，各控制柜內(nèi)的控制模塊通過以太網(wǎng)相聯(lián)，將數(shù)據(jù)集中采集至服務器統(tǒng)一處理。利用GCS-Contrix軟件及VxSCADA組態(tài)軟件，將張拉工況數(shù)據(jù)采集顯示和命令通過人機界面顯示，并下達操作指令。通過預應力筋雙向同步智能張拉控制系統(tǒng)，實現(xiàn)軌道板雙向預應力筋的同步張拉與錨固。

5 結(jié)論

根據(jù)CRTSⅢ型雙向先張預應力軌道板智能流水線的生產(chǎn)工藝特點，本文結(jié)合濟青、魯南高速鐵路無砟軌道板機組流水法的產(chǎn)業(yè)化工程實踐，對其配套的關(guān)鍵設備展開研究。針對關(guān)鍵工序，開發(fā)出智能制造生產(chǎn)線的關(guān)鍵設備。通過智能鋼筋自動綁扎技術(shù)，結(jié)合大噸位雙向受力模具、三維在線檢測設備、雙向同步張拉與放張、大型分體式混凝土振動臺、風幕隔斷蒸養(yǎng)等專用設備實現(xiàn)了軌道板的自動化、智能化生產(chǎn)。研究成果不但提高了雙向先張預應力軌道板流水機組的生產(chǎn)工藝水平，還帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)共同發(fā)展，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。