SK-2型雙塊式軌枕套管下沉的成因分析與控制★

羅麗軍

(中鐵十四局集團(tuán)房橋有限公司，北京 102400)

1 概述

中鐵十四局集團(tuán)有限公司貴南高鐵項(xiàng)目經(jīng)理部河池軌枕生產(chǎn)基地(以下簡(jiǎn)稱(chēng)軌枕廠)位于廣西壯族自治區(qū)河池市東江鎮(zhèn)福來(lái)屯，占地5 hm2，緊鄰金宜一級(jí)公路，軌枕廠設(shè)軌枕生產(chǎn)線一條、桁架鋼筋生產(chǎn)線兩條、生產(chǎn)線班次為兩班(白班/夜班)，擁有模具240套、養(yǎng)護(hù)坑12個(gè)，主要承擔(dān)貴南高鐵廣西段DK196+418～DK509+540里程范圍內(nèi)的88.9萬(wàn)根雙塊式軌枕預(yù)制任務(wù)。雙塊式軌枕產(chǎn)品中在混凝土塊上出現(xiàn)的常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題有：軌枕的斷面出現(xiàn)裂縫、軌枕表面有大量氣孔、蜂窩、出現(xiàn)麻面、產(chǎn)生龜裂、軌枕的混凝土發(fā)生離析、軌枕掉邊掉角等[1]。此外，在軌枕其他部位上出現(xiàn)的常見(jiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題還有：軌枕套管位置下沉、鋼筋桁架尺寸誤差較大或變形等[2]。套管下沉的現(xiàn)象是雙塊式軌枕生產(chǎn)過(guò)程中一項(xiàng)較為嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題，輕則需要對(duì)軌枕修理，重則直接導(dǎo)致軌枕報(bào)廢，若不及時(shí)解決此問(wèn)題，將給企業(yè)帶來(lái)高額的成本壓力。

2 軌枕套管下沉的特征

2.1 套管下沉的幾種形式

混凝土軌枕的結(jié)構(gòu)型式分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是整體式，另一類(lèi)是雙塊式[3]。我國(guó)的雙塊式無(wú)砟軌道研究應(yīng)用已近20 a，雙塊式無(wú)砟軌道以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為我國(guó)高速鐵路主要軌道形式之一[4]。SK-2型雙塊式混凝土軌枕是雙塊式無(wú)砟道床主要構(gòu)件之一，主要應(yīng)用于武廣、蘭新第二雙線、滬漢蓉、杭深、向蒲、合福、成渝、大西、鄭萬(wàn)、張吉懷等鐵路[5]。其是由兩塊表面平整的混凝土塊和預(yù)埋在混凝土塊內(nèi)的鋼筋桁架連接而成[6]。雙塊式無(wú)砟軌道質(zhì)量是否合格很大一部分因素為雙塊式軌枕質(zhì)量是否符合要求。

軌枕生產(chǎn)檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，無(wú)砟軌道雙塊式軌枕套管下沉是影響軌枕質(zhì)量的重要因素之一，套管下沉主要有以下幾種形式：

1)套管水平下沉:預(yù)埋套管的凸起高度小于-1 mm(見(jiàn)圖1)。

2)套管歪斜下沉：預(yù)埋套管距軌槽面120 mm深處偏離中心線距離小于2 mm[7](見(jiàn)圖2)。

2.2 施工工藝現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)軌道交通產(chǎn)業(yè)智能制造技術(shù)在不斷創(chuàng)新，但自主開(kāi)發(fā)能力仍較薄弱，缺乏世界一流的研發(fā)資源和技術(shù)知識(shí)，對(duì)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的消化、吸收、創(chuàng)新不足。目前，行業(yè)內(nèi)的生產(chǎn)線在實(shí)際應(yīng)用中不是很成熟。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)軌枕生產(chǎn)廠家及智能生產(chǎn)線廠家的了解，目前張吉懷吉首軌枕場(chǎng)、黃黃項(xiàng)目(黃岡至黃梅)軌枕場(chǎng)有較為先進(jìn)的生產(chǎn)線設(shè)備：自動(dòng)清模設(shè)備、自動(dòng)噴涂設(shè)備、螺旋筋及套管安裝設(shè)備、箍筋與桁架筋自動(dòng)入模設(shè)備、自動(dòng)布料機(jī)、自動(dòng)溫控設(shè)備、自動(dòng)翻模設(shè)備、自動(dòng)脫模設(shè)備、3D掃描及噴碼設(shè)備、自動(dòng)蓋蓋設(shè)備、自動(dòng)碼垛設(shè)備，均建設(shè)了一套信息數(shù)據(jù)采集中心。在行業(yè)智能化的大趨勢(shì)下，軌枕場(chǎng)引進(jìn)智能化生產(chǎn)設(shè)備，同時(shí)與設(shè)備廠家一同在生產(chǎn)過(guò)程中不斷對(duì)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造。

軌枕場(chǎng)套管安裝作業(yè)主要由套管螺旋筋自動(dòng)組裝設(shè)備和套管自動(dòng)安裝設(shè)備完成。其主要由螺旋筋加工成型機(jī)、六軸機(jī)械人、螺旋筋上料系統(tǒng)、套管上料系統(tǒng)、螺旋筋套管裝配系統(tǒng)、全自動(dòng)套管鎖付系統(tǒng)、桁架機(jī)械人、視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)組成。套管分揀機(jī)構(gòu)會(huì)將套管按照指定的方向和位置自動(dòng)分揀出來(lái)，六軸機(jī)器人把螺旋筋設(shè)備生產(chǎn)出螺旋筋抓取后與套管組合，由螺旋筋套管裝配設(shè)備自動(dòng)旋轉(zhuǎn)組裝到套管上。桁架機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)分別識(shí)別出套管組件位置和模具腔內(nèi)的安裝位置，通過(guò)位置補(bǔ)正程序，將套管組件精準(zhǔn)地安裝模具中。同時(shí)智能彈簧套管復(fù)檢系統(tǒng)也將檢測(cè)出套管組件是否安裝到位,對(duì)套管安裝質(zhì)量進(jìn)行復(fù)檢監(jiān)控。該設(shè)備集螺旋筋制作，螺旋筋、套管組合、安裝于一體，大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，安裝精準(zhǔn)、質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

3 軌枕套管下沉成因分析

3.1 定位錐與套管不匹配

軌枕廠采用D1型預(yù)埋套管，其原材料為玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺66[8]，其外觀、尺寸、性能均滿足TB/T 3395.3—2015 高速鐵路扣件 第3部分：彈條Ⅴ型扣件[9]要求。

1)軌枕場(chǎng)定位錐前后采用了兩個(gè)不同廠家的產(chǎn)品，一種為下端口直徑略小于套管內(nèi)徑下限定位錐，另一種為下端口直徑等于套管內(nèi)徑的定位錐，其與套管安裝緊固后狀態(tài)如圖3～圖5所示。

由圖4,圖5可知下端口直徑略小于套管內(nèi)徑的定位錐較下端口直徑等于套管內(nèi)徑的定位錐其與模板的貼合程度更高，呈現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因在于：套管、定位錐在生產(chǎn)過(guò)程中的尺寸控制是有一定范圍波動(dòng)的，如采用同一直徑尺寸作為標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)徑下限的套管與端口直徑上限定位錐是無(wú)法匹配的，會(huì)出現(xiàn)套管下沉的現(xiàn)象。

2)定位錐在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)循環(huán)多次使用后產(chǎn)生磨損、變形等，導(dǎo)致套管安裝時(shí)，套管還未達(dá)到緊固狀態(tài)就脫扣滑絲。

3.2 定位錐邊緣殘?jiān)辞謇砀蓛?/h3>

軌枕廠模具清理采用模具清理-智能精準(zhǔn)打磨設(shè)備系統(tǒng)，空模具被輸送到清理打磨工位后，模具由工業(yè)級(jí)機(jī)器人進(jìn)行模具內(nèi)壁與底部大面積打磨，此打磨方式能快速對(duì)磨具進(jìn)行全方位打磨，但定位錐與模板貼合位置的沾灰清理不到位，灰漿堆積于定位錐下，安裝預(yù)埋套管時(shí)，受灰漿影響，套管未能與模板貼合，使成品軌枕套管下沉(見(jiàn)圖6)。

3.3 預(yù)埋套管安裝不到位

軌枕廠預(yù)埋套管安裝采用全自動(dòng)預(yù)埋套管及螺旋筋安裝設(shè)備(見(jiàn)圖7)，該設(shè)備為兩臺(tái)機(jī)器上同時(shí)拾取已組裝的套管螺旋筋，定位至模具相應(yīng)位置后，將套管旋轉(zhuǎn)扭入定位錐。設(shè)備扭矩參數(shù)可人為修改，在生產(chǎn)過(guò)程中如果設(shè)置的扭矩過(guò)小，在進(jìn)行澆筑振搗時(shí)，套管將被振動(dòng)松脫而產(chǎn)生軌枕套管下沉，但如果生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)置扭矩過(guò)大，套管安裝時(shí)套管與定位錐會(huì)產(chǎn)生脫扣現(xiàn)象，在經(jīng)振搗后，也將導(dǎo)致軌枕套管下沉。

3.4 振搗時(shí)間過(guò)度或頻率過(guò)高

軌枕廠澆筑振搗分兩次振搗，振搗時(shí)，模具會(huì)產(chǎn)生高頻率震動(dòng)，使剛澆筑的混凝土均勻分布，此過(guò)程將可能會(huì)對(duì)套管與模具結(jié)合的松緊度產(chǎn)生影響(見(jiàn)表1)。

軌枕廠使用單一變量法在保證混凝土狀態(tài)(坍落度、含氣量等)的前提下對(duì)使用不同扭矩安裝的套管模擬其在模具中的振搗，進(jìn)而分析振搗對(duì)套管下沉的影響。

由表1可知，振搗對(duì)套管與模具的松緊度相關(guān)性不大，得出振搗對(duì)套管下沉影響較小，幾乎可以忽略，對(duì)此，本文不做深入研究。

表1 振動(dòng)對(duì)套管松緊度的影響

4 解決方案

從以上分析可以看出造成軌枕套管下沉主要有以下幾方面原因：

1)定位錐與套管不匹配；2)定位錐邊緣殘?jiān)辞謇砀蓛簦?)預(yù)埋套管安裝不到位。

針對(duì)以上原因，主要采取以下幾種方案：

1)針對(duì)定位錐與套管不匹配的情況:a.選購(gòu)與套管匹配的定位錐時(shí)，在保證螺距、長(zhǎng)度等外觀尺寸符合要求的前提下，選用下端口直徑略小于套管內(nèi)徑的定位錐用于施工；b.對(duì)于個(gè)別下端口直徑略大的定位錐可對(duì)其進(jìn)行打磨，縮減其直徑；c.人工復(fù)查套管安裝的松緊程度，及時(shí)更換損耗過(guò)度的定位錐。

2)針對(duì)定位錐邊緣殘?jiān)辞謇砀蓛舻那闆r:增設(shè)人工精確打磨工序，即將智能機(jī)器自動(dòng)打磨后的模具進(jìn)行人工復(fù)檢，其主要對(duì)智能機(jī)器自動(dòng)打磨的死角進(jìn)一步清理，確保模具型腔內(nèi)壁、拐角、定位錐與模具接觸面無(wú)殘灰。

3)針對(duì)預(yù)埋套管安裝不到位的情況：軌枕場(chǎng)分別使用10個(gè),12個(gè),16個(gè)循環(huán)的定位錐進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，分別以一模16個(gè)套管為一組，共30組實(shí)驗(yàn)，尋求適當(dāng)?shù)呐ぞ刂?，調(diào)整設(shè)備扭矩參數(shù)，使安裝的套管能緊密與模具貼合且不脫扣。扭矩對(duì)套管安裝松緊度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 扭矩對(duì)套管安裝松緊度統(tǒng)計(jì)

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，使用10個(gè)循環(huán)的定位錐在對(duì)應(yīng)套管自動(dòng)安裝設(shè)備設(shè)置扭矩大于1.8 N·m時(shí)，套管與模具貼合情況較好，當(dāng)扭矩大于2.8 N·m時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)套管脫扣現(xiàn)象；使用12個(gè)循環(huán)的定位錐在對(duì)應(yīng)套管自動(dòng)安裝設(shè)備設(shè)置扭矩大于12.0 N·m時(shí)，套管與模具貼合情況較好，當(dāng)扭矩大于2.5 N·m時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)套管脫扣現(xiàn)象；使用16個(gè)循環(huán)的定位錐在對(duì)應(yīng)套管自動(dòng)安裝設(shè)備設(shè)置扭矩大于2.0 N·m時(shí)，套管與模具貼合情況較好，當(dāng)扭矩大于2.3 N·m時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)套管脫扣現(xiàn)象；綜合以上情況，結(jié)合定位錐成本考慮，當(dāng)選用不超過(guò)16個(gè)循環(huán)的定位錐，設(shè)置自動(dòng)安裝套管設(shè)備扭矩為2.1 N·m～2.2 N·m時(shí)，安裝效果最佳。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采取定位錐與套管的匹配度、定位錐邊緣殘?jiān)謇?、套管安裝力矩大小調(diào)整的措施，河池軌枕廠軌枕套管下沉得到了有效的控制并處于穩(wěn)定狀態(tài)，套管下沉的不合格率由原來(lái)的7‰ 降至 0.5‰ ，為工程節(jié)約成本約170余萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，且為雙塊式軌枕生產(chǎn)積累了豐富寶貴經(jīng)驗(yàn)。雙塊式軌枕智能化生產(chǎn)技術(shù)是一項(xiàng)新課題，其生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)參數(shù)或者控制要點(diǎn)等在軌枕生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)尚需不斷探索[10-12]。