CRTSⅢ型軌道板制造臺架力學(xué)性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

廉 棟 黃興啟 蔡 燦 楊顯鵬

(1. 山東高速鐵建裝備有限公司， 山東 濰坊 262603；2. 山東省高速鐵路CRTSⅢ型軌道板智能制造技術(shù)工程實(shí)驗室， 山東 濰坊 262603；3. 西南石油大學(xué)， 成都 610500)

在CRTS Ⅲ型無砟軌道施工中，高質(zhì)量的CRTSⅢ型軌道板是實(shí)現(xiàn)線路高標(biāo)準(zhǔn)鋪設(shè)的關(guān)鍵。對于軌道板的加工，目前已開展了大量的相關(guān)研究和技術(shù)工藝創(chuàng)新[1]。

王紅亮[2-3]詳細(xì)對比了CRTSⅢ型先張板與 CRTSⅢ型后張板的設(shè)計和制造技術(shù)，發(fā)現(xiàn)雙向先張預(yù)應(yīng)力軌道板預(yù)應(yīng)力布置更加均勻，錨穴開裂的可能性較小，且其矩陣式生產(chǎn)模式可極大地提高生產(chǎn)效率。陳?，F(xiàn)[4]在工廠生產(chǎn)中對先張法預(yù)制CRTSⅢ型軌道板技術(shù)開展了研究，采用批量預(yù)制，確保了較高的質(zhì)量和完成速度。上述研究表明，軌道板制造技術(shù)及其裝備是改善軌道板的重要載體，因此，需加強(qiáng)對相關(guān)制造裝備及技術(shù)的研究。

CRTSⅢ型軌道板制造臺架作為流水線生產(chǎn)載體，是保證CRTSⅢ型軌道板制造質(zhì)量的關(guān)鍵。在制作CRTSⅢ型軌道板過程中，臺架在多次周轉(zhuǎn)使用過程中需承受巨大的張拉與錨固應(yīng)力、高頻率的振動作用和高低溫蒸汽養(yǎng)生的交替作用，因此應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，以滿足流水線循環(huán)作業(yè)需求[5]。為剖析CRTSⅢ型軌道板制造臺架的力學(xué)性能，本文建立了相關(guān)力學(xué)模型，通過實(shí)驗測試和數(shù)值分析，研究了軌道板制造臺架的力學(xué)特性，并對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，為高質(zhì)量和高效率制造CRTSⅢ型軌道板奠定了基礎(chǔ)。

1 流水線機(jī)組臺架模型結(jié)構(gòu)

CRTSⅢ型軌道板制造臺架是制作軌道板的關(guān)鍵設(shè)備[6]，由側(cè)模板、加勁肋、底模板和加勁梁組成。側(cè)模板和加勁肋直接承受張拉與錨固作用力并起到約束混凝土成型的作用，考慮縱、橫向側(cè)模受力不同，二者采用不同厚度的鋼板制作而成。底模板承托軌道板重量并承受側(cè)模板傳遞的張拉錨固力，為防止底模板變形過大影響軌道板成型后的板面平整度，在底模板下設(shè)置多道加勁梁予以加強(qiáng)。加勁梁是承受張拉錨固力的主要受力構(gòu)件，采用鋼箱制作而成，橫向設(shè)置10道，縱向設(shè)置4道。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立CRTSⅢ型軌道板制造臺架結(jié)構(gòu)有限元模型，分別對模型張拉橫梁和模型整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，如圖1所示。

圖1 CRTSⅢ軌道板制造臺架結(jié)構(gòu)示意圖

2 機(jī)組裝備力學(xué)性能分析

2.1 張拉梁力學(xué)分析

CRTSⅢ型軌道板制造臺架張拉梁是預(yù)應(yīng)力筋張拉與鎖定的直接受力構(gòu)件，需對其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行驗算。張拉梁設(shè)計為箱型截面，截面尺寸為 150 mm×250 mm，采用15 mm厚Q235B鋼板焊接而成。張拉梁縱向加載點(diǎn)集中荷載F=2×80=160 kN，橫向加載節(jié)點(diǎn)集中荷載F=80 kN，建立有限元模型，分別得到縱向張拉梁受力變形，如圖2所示，橫向張拉梁受力變形，如圖3所示。從圖2可以看出, CRTSⅢ型軌道板制造臺架縱向張拉梁撓度最大值為 0.01 mm，最大拉應(yīng)力為36.6 MPa，最大壓應(yīng)力為19.3 MPa，滿足強(qiáng)度和剛度要求。

圖2 縱向張拉梁受力變形圖

圖3 模型受力變形圖

2.2 模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

CRTSⅢ型軌道板制造臺架橫向預(yù)應(yīng)力筋布設(shè)在板厚中間部位，其合力中心線距底模100 mm；縱向預(yù)應(yīng)力筋上下對稱布置于橫向預(yù)應(yīng)力筋上，其合力中心線距底模為100 mm。模型傳力途徑為：側(cè)模板承受均勻分布的集中力(側(cè)壓力)，以受彎為主；底模板承受側(cè)模板傳遞的集中力及結(jié)構(gòu)自重，以雙向受彎為主；加勁梁承受側(cè)模傳遞的集中力及結(jié)構(gòu)自重，以壓彎為主。三者組成一個協(xié)調(diào)的變形體，共同承受外部荷載。

為優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，分別選取不同厚度的底模板和底模加勁梁進(jìn)行力學(xué)分析，以確定最佳結(jié)構(gòu)形式。不同模型結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)鍵部位如表1所示，力學(xué)分析結(jié)果對比如圖3所示。

表1 模型關(guān)鍵部位尺寸表(mm)

從圖3(a)可以看出，采取底模板厚度20 mm、底模加勁肋40 mm時，模型底模板向上翹曲變形最大值為2.045 mm，超過1 mm技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將無法保證軌道板板面平整度，需對模型底板進(jìn)行加強(qiáng)。從圖3(b)可以看出，采取底模板厚度30 mm、底模加勁肋30 mm時，模型底模板向上翹曲變形最大值為1.903 mm，超過 1 mm技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將無法保證軌道板板面平整度，需對模型底模板進(jìn)行加強(qiáng)。從圖3(c)可以看出， 采取底模板厚度40 mm、底模加勁肋20 mm時，模型底模板向上翹曲變形最大值為1.845 mm，超過1 mm技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將無法保證軌道板板面平整度，需對模型底模板進(jìn)行加強(qiáng)。

由此可見，適當(dāng)增加底模厚度可有效約束底板翹曲變形，但效果不顯著，仍無法解決翹曲變形超限問題，需采取其他措施予以加強(qiáng)?？紤]CRTSⅢ型軌道板制造臺架總重量及現(xiàn)場空間布局的制約，在CRTSⅢ型軌道板制造臺架底部增設(shè)4根體外預(yù)應(yīng)力拉桿，每根拉桿施加20 t張拉力。在CRTSⅢ型軌道板制造臺架施加體外預(yù)應(yīng)力拉桿后，模型產(chǎn)生預(yù)拱度為 0.42 mm，底板翹曲量降為1.07 mm，考慮混凝土重量引起的底板豎向撓曲變形，模型最終翹曲變形滿足要求。為保證體外預(yù)加力的作業(yè)效果，設(shè)置合理的張拉支撐點(diǎn)和張拉螺紋長度，從中間向兩邊2根對稱、同步張拉并可靠鎖定。優(yōu)化后模型總重量為12.5 t，小于行走行吊起吊臨界荷載16 t。

2.3 模型振動疲勞試驗

為驗證CRTSⅢ型軌道板制造臺架結(jié)構(gòu)的振動疲勞性能，對CRTSⅢ型軌道板制造臺架進(jìn)行專門的疲勞試驗[7]。采用50 t疲勞試驗機(jī)對CRTSⅢ型軌道板制造臺架進(jìn)行集中加載，加載頻率為3 Hz的正弦波，加載幅度控制在70～80 kN，加載循環(huán)次數(shù)200萬次。

疲勞試驗過程中測試了CRTSⅢ型軌道板制造臺架振動前后的坐標(biāo)、模具螺栓孔中心距偏差、平面度、線性度、承軌臺偏差、承軌面坡度等指標(biāo)，對比結(jié)果如如圖4所示。從圖4可以看出， 試驗前、后CRTSⅢ型軌道板制造臺架的平面度和線性度并沒有發(fā)生明顯變化，測試得到實(shí)驗前后的數(shù)值誤差均保持在-0.3～0.3之間。由此可知，CRTSⅢ型軌道板制造臺架受振動力影響較小，沒有發(fā)生疲勞變形。

圖4 CRTSⅢ型軌道板制造臺架疲勞試驗對比圖

3 機(jī)組裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在流水線試生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)部分產(chǎn)品出現(xiàn)誤差超限(翹曲)和局部開裂現(xiàn)象。結(jié)合應(yīng)力分析結(jié)果，總結(jié)導(dǎo)致該現(xiàn)象原因為：CRTSⅢ型軌道板制造臺架在巨大張拉力作用下持續(xù)發(fā)生徐變變形，而模型內(nèi)混凝土與CRTSⅢ型軌道板制造臺架直接接觸，在其初期強(qiáng)度較低的情況下隨模型的徐變而不斷變化，不能自我變形；在預(yù)應(yīng)力筋放松時，巨大的張拉力由CRTSⅢ型軌道板制造臺架直接傳遞給軌道板，極易導(dǎo)致混凝土(特別是端部銳角部位)開裂。過程示意如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品超差原因分析總結(jié)示意圖

為進(jìn)一步消除誤差，避免混凝土開裂，需對CRTSⅢ型軌道板制造臺架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

(1)底模板設(shè)置反向預(yù)拱度

將底模板預(yù)先加工成凸起狀(按照拋物線形設(shè)置，最大凸起量約2.5 mm)，如圖6所示，可有效提高模型底板的整體剛度；同時可消除模型在巨大張拉力作用下產(chǎn)生的向下翹曲變形，保證預(yù)應(yīng)力筋放松后軌道板板面的平直度。

圖6 底模板改進(jìn)圖

(2)設(shè)置自導(dǎo)向柔性橡膠套

為解決軌道板脫模時封錨口混凝土易開裂的問題，在張拉桿上設(shè)置自導(dǎo)向柔性橡膠套(如圖7所示)，在保證張拉桿安裝作業(yè)的同時，又可適應(yīng)脫模時張拉桿產(chǎn)生的位移，有效避免張拉桿對封錨口混凝土的破壞。

圖7 自導(dǎo)向柔性橡膠套圖

(3)設(shè)置柔性內(nèi)襯墊層

模型內(nèi)，混凝土與側(cè)模板直接接觸，受模型的約束作用無法實(shí)現(xiàn)自我變形，一直處于被動變形狀態(tài)，影響其凝固硬化與強(qiáng)度增長。因此，在模型內(nèi)側(cè)設(shè)置一定厚度的彈性墊層(彈性變形量約2 mm，如圖8所示)，使混凝土與模型間形成有效隔離層，可實(shí)現(xiàn)混凝土的自我變形，特別是在預(yù)應(yīng)力筋放松時，可保證軌道板均勻承受預(yù)加力。優(yōu)化后的張拉設(shè)備如圖9所示，采用優(yōu)化后的設(shè)備可大批量高質(zhì)量地生產(chǎn)軌道板。

圖8 柔性內(nèi)襯墊層圖

圖9 優(yōu)化后的CRTSⅢ軌道板制造張拉設(shè)備圖

4 結(jié)論

在總結(jié)國內(nèi)學(xué)者關(guān)于CRTSⅢ型軌道板制造相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，本文提出需進(jìn)一步加強(qiáng)CRTSⅢ型軌道板制造裝備的研究。為剖析CRTSⅢ型軌道板制造臺架模型的力學(xué)性能，本文通過實(shí)驗測試和數(shù)值分析，研究了軌道板制造臺架的力學(xué)特性，并對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，得出主要結(jié)論如下：

(1)數(shù)值分析結(jié)構(gòu)表明，CRTSⅢ型軌道板制造臺架縱向張拉梁撓度最大值為0.01 mm，最大拉應(yīng)力為36.6 MPa，最大壓應(yīng)力為19.3 MPa，滿足強(qiáng)度和剛度要求。

(2)原有的CRTSⅢ型軌道板制造臺架無法保證軌道板板面制造的平整度，建議在CRTSⅢ型軌道板制造臺架底部增設(shè)4根體外預(yù)應(yīng)力拉桿，每根拉桿施加 20 t 張拉力，可顯著提高平整度，降低翹曲變形。

(3)對比試驗前、后CRTSⅢ型軌道板制造臺架的平面度和線性度，發(fā)現(xiàn)無明顯變化，測試得到實(shí)驗前后的數(shù)值誤差均保持在-0.3～0.3之間。

(4)混凝土與CRTSⅢ型軌道板制造臺架直接接觸使得在初期強(qiáng)度較低的情況下，軌道板隨模型的徐變而不斷變化，在預(yù)應(yīng)力筋放松時，巨大的張拉力極易造成混凝土(特別是端部銳角部位)開裂。為改善上述問題，本文提出底模板設(shè)置反向預(yù)拱度、設(shè)置自導(dǎo)向柔性橡膠套和設(shè)置柔性內(nèi)襯墊層三項結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。