先張法CRTSⅢ型板“流水機(jī)組法”制造技術(shù)

劉超，劉林府 （中鐵四局集團(tuán)有限公司第八工程分公司，安徽 合肥 230041）

1 概述

“流水機(jī)組法”生產(chǎn)高速鐵路CRTSⅢ型軌道板工藝是通過軌道板生產(chǎn)模具在流水生產(chǎn)線上的流轉(zhuǎn)，依次通過各個(gè)生產(chǎn)工位，達(dá)到軌道板的循環(huán)生產(chǎn)、模具的循環(huán)利用。生產(chǎn)工位包含模具清理工位、噴涂脫模劑工位、組模工位、預(yù)應(yīng)力張拉工位、絕緣檢測工位、澆筑振搗工位、蒸養(yǎng)養(yǎng)護(hù)倉、預(yù)應(yīng)力放張工位、脫模工位、封錨、水養(yǎng)、成品堆放、產(chǎn)品檢驗(yàn)。模具依次通過各工位從而完成軌道板的生產(chǎn)作業(yè)。軌道板的生產(chǎn)周期等于模具的流轉(zhuǎn)周期。

圖1 軌道板流水生產(chǎn)示意圖

2 軌道板“流水機(jī)組法”制造技術(shù)

2.1 軌道板模具

2.1.1 模具設(shè)計(jì)

模具的外形尺寸參數(shù)是成品軌道板外觀控制的重要因素，除了長寬高基本尺寸，為了抵消成品軌道板在脫模養(yǎng)護(hù)過程中的四邊翹曲現(xiàn)象，軌道板模具還需要設(shè)置整體反拱，反方向?qū)δ＞呤┘永?，使生產(chǎn)出來的初期軌道板實(shí)現(xiàn)反向翹曲。同時(shí)軌道板模具外框是整個(gè)軌道板預(yù)應(yīng)力張拉后的著力點(diǎn)，必須要求模具具有一定的剛度，提前預(yù)設(shè)的模具底部的預(yù)應(yīng)力張拉構(gòu)架能夠與預(yù)應(yīng)力張拉桿實(shí)現(xiàn)杠桿平衡，有效抵擋模具在張拉施加預(yù)應(yīng)力之后的變形現(xiàn)象。

此種模具反拱張拉構(gòu)架是在模具的底部，采用預(yù)應(yīng)力鋼棒布置張拉網(wǎng)，模具橫向8組、縱向5組。通過將施加拉力后的鋼棒固定在模具外框上，使模具底部四角實(shí)現(xiàn)反向翹曲。在正式生產(chǎn)之前要進(jìn)行試驗(yàn)預(yù)生產(chǎn)，一是對(duì)比模具在張拉和放張后的外形尺寸變化量；二是根據(jù)預(yù)生產(chǎn)的軌道板在按規(guī)范標(biāo)養(yǎng)28天后的翹曲量，來調(diào)整模具的反拱值，控制每個(gè)預(yù)應(yīng)力鋼棒的拉力找到合適的平衡點(diǎn)。

圖2 模具側(cè)面圖

圖3 軌道板模具

2.1.2 制作要求

軌道板模具常用規(guī)格型號(hào)有三種：P5600、P4925、P4856，整體重量在10.3t～12.4t。以 P5600 模具為例，長6480mm、寬3380mm、高615mm。一套模具由模具剛性外框、模具底模、模具盆、模具底部預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)組成。

①模具底模和模具盆是軌道板面直接成型面，關(guān)系到成品軌道板的表面質(zhì)量，必須保證平面的光滑無錯(cuò)臺(tái)。底模需由大型銑床整體銑削成型，根據(jù)圖紙位置準(zhǔn)確鏤空出模具盆的位置。模具盆因?yàn)槭乔妫庸ひ筝^高，需球磨鑄鐵鑄造一次成型，保證承軌臺(tái)曲面平順。模具內(nèi)表面需調(diào)質(zhì)處理，保證長期使用的剛度。

圖4 灌漿連接示意圖

圖5 定位銷連接示意圖

圖6 模具盆連接示意圖

②模具外框主體是承受軌道板預(yù)應(yīng)力和反拱鋼棒預(yù)應(yīng)力的著力點(diǎn)，對(duì)整體剛度要求極高。外框需由抗彎強(qiáng)度很高的鋼板焊接成型，對(duì)于存在的殘余應(yīng)力，要進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)消除和退火處理，保證長期使用不變形。

③模具配套其他附件。主要附件是張拉桿，張拉桿作為預(yù)應(yīng)力筋的張拉錨固裝置，要求具有很高的抗拉強(qiáng)度和剛度，同時(shí)保證預(yù)應(yīng)力筋連接絲扣的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)連接脫絲現(xiàn)象。張拉桿整體進(jìn)行熱處理，在連接絲扣處加強(qiáng)處理。其他附件有鋼字牌、灌漿柱、封錨膠圈、孔定位銷、脹套等，都需要根據(jù)模具情況緊密配合安裝。

2.2 軌道板“流水機(jī)組法”制造技術(shù)

2.2.1 “流水機(jī)組法”生產(chǎn)工藝流程圖

“流水機(jī)組法”生產(chǎn)工藝流程圖詳見圖7。

圖7 “流水機(jī)組法”生產(chǎn)線工藝流程圖

2.2.2 關(guān)鍵工序控制點(diǎn)說明

①預(yù)應(yīng)力筋加工工序中關(guān)鍵控制點(diǎn)：預(yù)應(yīng)力筋下料長度、加工精度兩個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)。

②鋼筋骨架綁扎工序中關(guān)鍵控制點(diǎn)：門型筋固定、鋼筋間的絕緣。

③預(yù)應(yīng)力張拉工序中關(guān)鍵控制點(diǎn)：張拉值、張拉速度、張拉力均勻性。

④混凝土攪拌工序中關(guān)鍵控制點(diǎn)：含水量控制、攪拌時(shí)間、混凝土流動(dòng)性。

⑤混凝土灌注工序中關(guān)鍵控制點(diǎn)：混凝土塌落度、下料量、振搗時(shí)間。

⑥蒸汽養(yǎng)護(hù)工序中關(guān)鍵控制點(diǎn)：蒸養(yǎng)曲線、各階段養(yǎng)護(hù)時(shí)間、混凝土強(qiáng)度。

⑦預(yù)應(yīng)力筋放張工序中關(guān)鍵控制點(diǎn)：放張強(qiáng)度、彈模、放張速度。

⑧脫模工序中關(guān)鍵控制點(diǎn)：起吊水平、軌道板溫差。

2.2.3 流水機(jī)組法制造技術(shù)

2.2.3.1 模具反拱預(yù)張拉

軌道板模具在上流水線之前，需要提前做好反拱預(yù)張拉，將模具底部預(yù)應(yīng)力鋼棒張拉到指定數(shù)值后鎖緊，測量模具的反拱度，以達(dá)到合適的位置。

2.2.3.2 預(yù)埋件安裝

在模具清理完畢，脫模劑噴涂均勻后，開始安裝預(yù)埋套管，將其用橡膠錘打緊，保證其與底模間沒有間隙及歪斜，對(duì)損壞的套管固定器及時(shí)更換。同時(shí)把預(yù)埋套管螺旋筋安裝到套管上。

2.2.3.3 鋼筋骨架安裝

綁扎好的成品鋼筋骨架籠用橋式起重機(jī)采用專用吊裝架進(jìn)行吊裝入模，需要注意的是吊點(diǎn)不得少于8個(gè)，保證在吊裝過程中鋼筋籠不發(fā)生較大變形。在鋼筋籠入模過程中注意不要碰到模具預(yù)安裝的套管及其他預(yù)埋件。鋼筋籠放入模具后，下方要安裝混凝土墊塊，用于控制軌道板表面鋼筋埋深度，同時(shí)要保證在入模后門形鋼筋的露出均勻和門形筋的豎直。

圖8 鋼筋籠綁扎及入模

2.2.3.4 張拉桿安裝

張拉桿分為固定端張拉桿與張拉端張拉桿（與張拉臺(tái)架相配合使用），張拉桿設(shè)有定位裝置，鎖緊后起到預(yù)張拉的效果，保證單根預(yù)應(yīng)力鋼筋受力均勻。

2.2.3.5 預(yù)應(yīng)力筋張拉

圖9 預(yù)應(yīng)力筋張拉

①技術(shù)要求

軌道板預(yù)應(yīng)力張拉采用自動(dòng)張拉設(shè)備，張拉力值由系統(tǒng)控制，每根預(yù)應(yīng)力筋張拉配置拉力傳感器，同時(shí)設(shè)置位移傳感器，拉力傳感器顯示誤差不大于±0.5%，位移傳感器顯示誤差不得大于±0.1mm，傳感器要定期第三方校驗(yàn)，同時(shí)內(nèi)部每個(gè)月進(jìn)行自校。張拉達(dá)到拉力值時(shí)，鎖緊鎖母鎖定張拉力，張拉結(jié)束后張拉數(shù)據(jù)自動(dòng)保存上傳。

②張拉工藝

軌道板模具通過輥道運(yùn)行到張拉工位，碰到相應(yīng)版型的定位樁后停止運(yùn)行并下落到工作位，此時(shí)橫梁和縱梁采用氣缸推進(jìn)靠近模具，每個(gè)張拉油缸的張拉爪對(duì)應(yīng)模具的張拉桿，所有的張拉爪就位后，張拉開始。

張拉分為預(yù)張拉和快速張拉，預(yù)張拉為緩慢張拉，拉力從0上升到20kN，之后切換快速張拉，拉力從0上升到80kN，張拉通過比例伺服閥電信號(hào)精準(zhǔn)控制張拉力。張拉達(dá)到目標(biāo)力值之后，鎖緊裝置下落，鎖緊張拉桿上的鎖緊螺母，將張拉力鎖定在模具上。之后完成張拉，張拉梁退出。

預(yù)應(yīng)力張拉施加拉力要均勻緩慢，張拉力上升不大于4kN/s，張拉力加載到張拉力值后靜置30秒后鎖緊鎖母。

③數(shù)據(jù)采集傳輸

張拉設(shè)備在每個(gè)油缸張拉爪前端安裝拉力傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測張拉力值，檢測的數(shù)據(jù)在每次張拉后自動(dòng)匯總歸檔。

2.2.3.6 鋼筋骨架絕緣檢測

鋼筋籠骨架要求橫向和縱向鋼筋絕緣不搭接，在鋼筋加工過程中便預(yù)先穿好絕緣套管，在鋼筋綁扎過程中橫向和縱向絕緣套管接觸實(shí)現(xiàn)鋼筋籠的絕緣。因?yàn)榧庸すに囋蚺紶柎嬖谄?，需要在澆筑混凝土之前檢測鋼筋籠的絕緣性。絕緣檢測采用兆歐表測試，對(duì)橫縱向鋼筋電阻進(jìn)行測試，對(duì)于絕緣不合格的鋼筋籠及時(shí)處理，調(diào)整合格后方允許澆筑。

圖10 鋼筋骨架絕緣檢測

2.2.3.7 混凝土澆筑

CRTSIII型軌道板采用C60混凝土，在流水線澆筑工位附近設(shè)置混凝土攪拌站，攪拌站的單次攪拌方量不小于3方?；炷翑嚢柰瓿芍笸ㄟ^運(yùn)料小車在空中軌道運(yùn)行至布料機(jī)上方，卸料至布料機(jī)進(jìn)行布料。

布料機(jī)運(yùn)行至流水線振動(dòng)臺(tái)工位上的軌道板模具上方，分層布料，布料層數(shù)不小于3層。布料機(jī)內(nèi)設(shè)置一根主攪拌螺旋和8根布料螺旋，布料機(jī)下方設(shè)置4處開門布料口，能有效均勻布料與局部補(bǔ)料。

澆筑后的混凝土振搗，在振搗板下方設(shè)置10個(gè)高頻振搗電機(jī)，震動(dòng)頻率65Hz～100Hz，振搗通過變頻器控制可調(diào)，每個(gè)振搗循環(huán)分4個(gè)階段振搗，確?；炷羶?nèi)氣泡有效排出，保證軌道板產(chǎn)品質(zhì)量。

在振搗布料之后，通過布料機(jī)均勻布料保證軌道板骨料外露，外露效果很好，大大減少了拉毛工位工作量或者可以直接取消拉毛工位。

圖11 混凝土灌注

圖12 混凝土振搗

2.2.3.8 蒸汽養(yǎng)護(hù)

蒸養(yǎng)工藝由傳統(tǒng)的地窖固定養(yǎng)護(hù)改為矩陣式單元養(yǎng)護(hù)，根據(jù)模具數(shù)量合理設(shè)置養(yǎng)護(hù)倉數(shù)量，正常情況下以12塊模具為一個(gè)養(yǎng)護(hù)倉儲(chǔ)單元。每個(gè)養(yǎng)護(hù)倉之間通過軌道相互連通。

軌道板養(yǎng)護(hù)分為靜置等待、升溫階段、恒溫階段、降溫階段。每個(gè)蒸養(yǎng)倉布置蒸汽管道用于蒸養(yǎng)升溫，設(shè)置噴水管網(wǎng)用于灑水降溫，設(shè)置溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控倉內(nèi)溫度，設(shè)置抽排風(fēng)機(jī)用于蒸汽排出。蒸汽養(yǎng)護(hù)配置4T鍋爐1臺(tái)用于提供蒸汽。

整個(gè)蒸養(yǎng)系統(tǒng)全程計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)控制，蒸養(yǎng)前提前設(shè)置養(yǎng)護(hù)每個(gè)階段的時(shí)間和目標(biāo)溫度，通過溫度傳感器采集倉內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)與目標(biāo)溫度的對(duì)比來控制蒸汽電磁閥的開閉，通過PLC的PID控制精準(zhǔn)掌控養(yǎng)護(hù)溫度，同時(shí)電腦自動(dòng)繪制蒸養(yǎng)溫度曲線，反映整個(gè)蒸養(yǎng)過程，蒸養(yǎng)曲線保存至本批軌道板的檔案內(nèi)，蒸養(yǎng)過程全程可追溯。

圖13 矩陣式單元養(yǎng)護(hù)模式

圖14 養(yǎng)護(hù)曲線

2.2.3.9 放張預(yù)應(yīng)力

軌道板預(yù)應(yīng)力放張要求預(yù)應(yīng)力均勻緩慢釋放，同時(shí)要求兩端放張的同步性。流水線設(shè)置自動(dòng)放張工位，放張?jiān)O(shè)備為4邊同時(shí)放張，根據(jù)軌道板預(yù)應(yīng)力筋布置，以P5600軌道板為例，設(shè)置80個(gè)放張爪，通過80臺(tái)伺服電機(jī)組態(tài)控制，通過電信號(hào)控制放張的速率和電機(jī)同步。

放張對(duì)位后進(jìn)行預(yù)放張，放張扳手緩慢旋轉(zhuǎn)，預(yù)應(yīng)力的釋放不得大于2kN/s，之后進(jìn)行快速放張，放張扳手快速旋轉(zhuǎn)，直至張拉桿與預(yù)應(yīng)力筋完全分離。整個(gè)放張過程的重要把控點(diǎn)在于放張速率的可控性和放張的同步性，保證軌道板不會(huì)因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力釋放不均而崩壞或出現(xiàn)裂紋。

圖15 自動(dòng)化放張預(yù)應(yīng)力

2.2.3.10 脫模

當(dāng)流水線帶動(dòng)模具至脫模工位上方，流水線通過定位銷將模具準(zhǔn)確定位。脫模設(shè)備通過4個(gè)反頂油缸固定，4個(gè)自動(dòng)吊爪抓取軌道板門形筋，吊爪上方為伺服電缸，可實(shí)時(shí)監(jiān)控四爪位置和吊裝扭矩，保證軌道板吊裝過程中受力均勻。成品軌道板完全脫離模具后，起吊裝置將成品軌道板吊移至成品板傳送裝置，縱移定位液壓缸自動(dòng)歸位后，輥道運(yùn)輸空模具到下一模具清理工位完成流水線流轉(zhuǎn)閉環(huán)。

圖16 軌道板自動(dòng)脫模

2.2.3.11 檢測

軌道板3D智能檢測系統(tǒng)采用先進(jìn)的激光掃描技術(shù)，將工業(yè)機(jī)器人、光學(xué)跟蹤儀、激光掃描儀進(jìn)行集成。通過激光掃描軌道板形成軌道板點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)處理反饋的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)成品軌道板的3D自動(dòng)建模，檢測模型數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)板數(shù)據(jù)對(duì)比得到偏差值。整個(gè)檢測過程實(shí)現(xiàn)檢測的自動(dòng)化、智能化、高效化。在6分鐘之內(nèi)就可以完成一塊軌道板的全部數(shù)據(jù)檢測，檢測速度較人工檢測方式大大提高，檢測精度也提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖17 軌道板掃描過程及模型生成

3 技術(shù)創(chuàng)新

“流水機(jī)組法”生產(chǎn)線的重要技術(shù)創(chuàng)新在于四個(gè)環(huán)節(jié)，這四個(gè)環(huán)節(jié)也是質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。

①軌道板模具

軌道板模具承軌臺(tái)盆采用可拆卸式，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求可更換為曲線盆、直線盆。模塊化組裝，靈活多變。

模具四邊采用剛性外邊框，承受張拉預(yù)應(yīng)力的拉力荷載，模具外框最大變形量不超過1mm，模具邊框引起的變形量不會(huì)直接影響內(nèi)邊框的變形，更不會(huì)影響到承軌臺(tái)等各項(xiàng)位置精度，保證成品軌道板的外觀尺寸符合要求。

模具底部采用多根預(yù)應(yīng)力鋼棒，可根據(jù)實(shí)際要求調(diào)整模具反拱度，同時(shí)增強(qiáng)了模具的抗變形能力。

②預(yù)應(yīng)力張拉/放張控制系統(tǒng)

預(yù)應(yīng)力張拉采用單根張拉，每根張拉端配備力傳感器，比例伺服閥根據(jù)力傳感器實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制張拉力大小，保證張拉力和位移精度在±0.5%之內(nèi)。

張拉由液壓泵站提供動(dòng)力，通過節(jié)流閥調(diào)整流量，控制張拉速率≤4kN/s，

張拉過程數(shù)據(jù)可儲(chǔ)存歸檔、輸出打印，作為軌道板可追溯數(shù)據(jù)。

③混凝土的輸送、澆筑與振搗系統(tǒng)

混凝土拌合采用一臺(tái)HZS240攪拌站，每次攪拌混凝土一塊軌道板的量?；炷翑嚢钑r(shí)間120s，完全滿足日產(chǎn)量150塊需求?；炷恋妮斔筒捎卯?dāng)前新型PC生產(chǎn)線軌道小車輸送模式，高效實(shí)用。

布料機(jī)內(nèi)采用8組混凝土輸送螺旋，可整體動(dòng)作整體放料，可單獨(dú)動(dòng)作局部補(bǔ)料，保證軌道板布料的均勻。

混凝土振搗采用10臺(tái)附著式高頻振搗電機(jī)參與震動(dòng)，采用變頻器控制，震動(dòng)頻率和時(shí)間可調(diào)，采用分階段振動(dòng)，有利于軌道板內(nèi)氣泡排出。相比傳統(tǒng)工頻振動(dòng)，效果更佳顯著。

④蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

蒸養(yǎng)全程無人化智能控制，通過傳感器監(jiān)測溫度，通過PLC調(diào)控蒸汽開關(guān)，通過控制噴水閥進(jìn)行軌道板降溫，通過定時(shí)器進(jìn)行全階段全過程控制，全程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、無人化。溫度控制精度更是能達(dá)到±1%。

蒸養(yǎng)過程通過電腦自動(dòng)生成蒸養(yǎng)曲線，對(duì)倉內(nèi)環(huán)境溫度、板面溫度、板芯溫度生成養(yǎng)護(hù)曲線，歸檔作為軌道板可追溯資料。

4 結(jié)語

CRTSⅢ型軌道板在我國的高鐵建設(shè)上應(yīng)用極為廣泛，“流水機(jī)組法”作為軌道板生產(chǎn)上的技術(shù)創(chuàng)新，保證了軌道板生產(chǎn)的高效、規(guī)范、質(zhì)量可控，軌道板各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到規(guī)范要求，軌道板的“流水機(jī)組法”生產(chǎn)為同類產(chǎn)品的科研及生產(chǎn)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。