于建軍,肖 宏

于建軍1,肖 宏2

(1.中鐵九局集團(tuán)有限公司科技處,沈陽 110013;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)

軌道板模具是CRTSIII型無砟軌道板預(yù)制中的關(guān)鍵設(shè)備之一,模具的設(shè)計直接影響到高速鐵路建設(shè)的平順性與穩(wěn)定性。結(jié)合盤營客運專線施工,介紹軌道板模具的設(shè)計要點,其中包括模具的組成及其各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式。對CRTSIII型無砟軌道板的檢測技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究,并用ABAQUS軟件對軌道板模具及基礎(chǔ)進(jìn)行強(qiáng)度和變形分析,確保模具的使用精度。

CRTSIII型無砟軌道板;模具;設(shè)計;檢測

1 概述

隨著我國高速鐵路的建設(shè)及開通運營,我國已基本掌握了CRTSⅠ型、CRTSⅡ型無砟軌道板的模具設(shè)計及檢測技術(shù)。CRTSⅢ型無砟軌道板是與Ⅰ型、Ⅱ型不同的一種軌道板,這決定了其不同的模具[1-2]。盤營客運專線是我國首次在300～350 km/h高速鐵路上鋪設(shè)CRTSⅢ板式無砟軌道的線路[3]。主要對比分析CRTSⅠ型、Ⅱ型模具的設(shè)計及檢測技術(shù),在此基礎(chǔ)上研究CRTSⅢ無砟軌道板的模具設(shè)計和模具檢測技術(shù),為形成我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的無砟軌道板制造技術(shù)提供有力支撐。

2 CRTSⅢ模具基礎(chǔ)設(shè)計及檢測

2.1 模具基礎(chǔ)設(shè)計

要想保證模具的性能穩(wěn)定、尺寸精確,首先應(yīng)有一個穩(wěn)定、牢固的基礎(chǔ)。經(jīng)綜合對比分析,中鐵九局燈塔軌道板預(yù)制場模具基礎(chǔ)采用:底部為片石混凝土,上部為鋼筋混凝土,與模具的橫向鋼梁下模具基座連接處為鋼筋混凝土柱,頂部為預(yù)埋鋼板和預(yù)埋連接模具的鋼筋。該基礎(chǔ)的優(yōu)點是既能滿足承載力要求,又減少了混凝土的用量,減輕了自重[4-6]。如圖1～圖3所示。

圖1 P5600型模具基礎(chǔ)平面(單位:mm)

圖2 P5600型模具基礎(chǔ)立面(單位:mm)

2.2 基礎(chǔ)的受力檢算

圖3 P5600型模具基礎(chǔ)剖面(單位:mm)

基礎(chǔ)施工前應(yīng)進(jìn)行地基承載力檢算,一般地基應(yīng)滿足承受基礎(chǔ)(片石混凝土、鋼筋混凝土)、模具、混凝土軌道板等共同作用,如下式所示[7-12]。

為了有效避免因基礎(chǔ)的不均勻沉降引起的模具變形,本板場的軌道板模具基礎(chǔ)采用了單元整體式的基礎(chǔ)[9-10]。

下面以P5600型模具基礎(chǔ)為例,計算地基承載力。

經(jīng)計算可以看出,P5600型模具地基承載力滿足要求。同理可算出其他型號地基承載力均滿足要求。

2.3 基礎(chǔ)的沉降觀測

為防止模具基礎(chǔ)各個支撐點之間的不均勻下沉,需進(jìn)行模具基礎(chǔ)各個支撐點的沉降觀測。

基礎(chǔ)制作完成之后,每月使用水準(zhǔn)儀對支撐點進(jìn)行測量,進(jìn)而觀測支撐點的沉降情況,避免因其不均勻下沉引起軌道板模具變形。

3 CRTSⅢ軌道板模具設(shè)計

CRTSⅢ型軌道板模具由底模、側(cè)模和端模組成。本節(jié)主要分析CRTSⅢ型板模具中關(guān)鍵部件的設(shè)計,包括底模、側(cè)模、端模等的設(shè)計。

3.1 底模

模具底模主要由基座、底板、承軌槽、套管定位栓、振動器、灌注孔定位栓等組成。如圖4所示。

(1)基座

圖4 P5600模具平面(單位:mm)

模具通過底模下的8條基座支承模具。基座包括兩個中間連接橡膠墊層的工字鋼(圖5),上面工字鋼連接模具底板,下面工字鋼與模具基礎(chǔ)連接,為可調(diào)式減振座,浮動連接,內(nèi)設(shè)橡膠墊為減振墊,防止生產(chǎn)時產(chǎn)生的振動力損壞混凝土基礎(chǔ),或引起模具損傷。

圖5 模具基座

底板框架采用工字鋼及鋼板拼焊而成,制作時嚴(yán)格控制焊縫質(zhì)量。面板厚度為30 mm鋼板、承軌臺部分鑲嵌有40 mm厚鋼板,內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用型鋼拼焊,形成框架結(jié)構(gòu),使得模具具有足夠的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。采用此結(jié)構(gòu)底模剛性好、質(zhì)量小、不易變形,可大大提高模具的使用壽命,確保加工后軌道板各部形狀、尺寸及預(yù)埋件的位置準(zhǔn)確。底模與側(cè)模連接處設(shè)有凹槽,用橡膠條進(jìn)行防漏漿處理。

模具底模面板使用整塊無氧化皮的鋼板制造,底模在所有附件焊接完成校平后,電爐退火,數(shù)控加工中心加工,保證底模經(jīng)機(jī)械加工后模具表面平整度在5.6 m范圍內(nèi)±0.5 mm,面板厚度不小于20 mm,承軌臺模連接部分鋼板厚度不小于15 mm。且面板上刻劃有板中心線及軌距中心標(biāo)記線,標(biāo)記線位置偏差在±0.1 mm范圍內(nèi)。

(2)承軌槽

承軌槽(圖6)是保證軌道板承軌臺精度的關(guān)鍵部分,承軌槽的精密度決定著軌道的軌距等重要指標(biāo),對軌道的平順性、耐久性均具有十分重要的作用,因此不論是從材料選用、加工,還是安裝均必須嚴(yán)格進(jìn)行,以防使用中發(fā)生變形。

圖6 模具承軌槽裝配圖(單位:mm)

材料遴選鑄鋼精密鑄造,并經(jīng)完全退火,消除應(yīng)力。經(jīng)數(shù)控機(jī)床加工承軌臺各安裝面、承軌面鉗口及預(yù)埋套管定位銷安裝孔等。承軌槽制作要求具較高的精密度,腔型采用數(shù)控加工,制作專用檢具檢測其加工精度。通過多個螺栓牢牢固定在底模上,振搗不變形。若承軌槽和底板上加工難度系數(shù)大,采用裝配式承軌槽,可有效保證每個承軌槽組裝之后模具合格。

(3)預(yù)埋套管定位栓

固定裝置采用2種方式,一種是漲緊式(圖7),另一種是螺紋連接——撥叉鎖定式(圖8)。漲緊式是通過螺栓將預(yù)埋套管定位栓固定在模具承軌槽上,外露部分有鋼制滾花和防止進(jìn)漿的橡膠圈,優(yōu)點是安裝套管方便,且拆模時可直接將軌道板頂起,減少了拆卸定位栓的工序,方便、快捷。預(yù)埋螺帽定位支架底部為限位底座,中部為脹緊橡膠圈,上部為起限位作用的螺母,預(yù)埋螺帽靠底部定位座和上部限位螺母限位,保證精度;靠中部的橡膠圈對預(yù)埋螺帽進(jìn)行脹緊。

圖7 漲緊式定位栓安裝圖(單位:mm)

預(yù)埋套管固定機(jī)構(gòu)要求安裝預(yù)埋套管時,在保證套管與承軌臺垂直度的同時,與底?？p隙＜0.2 mm。而對混凝土振搗時套管如不鎖緊,會產(chǎn)生上浮間隙,控制難度很大。設(shè)計采用脹套固定圓柱定位,脹套材料采用彈簧鋼淬火熱處理,保證足夠而持久的脹緊力,解決了套管上浮問題。同時采用上下雙圓柱定位,保證了安裝垂直度。該機(jī)構(gòu)僅需1人就可以在幾秒完成1個套管的安裝固定,同時保證了套管安裝質(zhì)量。并可通過對上部螺母的調(diào)整,調(diào)節(jié)橡膠圈的脹緊力的大小,可適應(yīng)預(yù)埋螺帽的內(nèi)徑尺寸偏差,對螺帽起到很好的限位作用。由于橡膠圈的彈性作用,螺帽大些、小些都能很好地固定,解決了螺帽尺寸不一致而使螺帽定位固定效果不好的問題。

圖8 螺紋連接-撥叉式鎖定式定位栓(單位:mm)

采用此種方式固定的預(yù)埋套管在安裝時把套管安裝在定位栓上(圖8),用0.2 mm的塞尺進(jìn)行檢查,套管與底面縫隙不大于0.2 mm。拆模頂升軌道板時,直接頂升軌道板,由于定位栓有橡膠圈,既能有效保護(hù)套管不被定位栓損傷,又能保護(hù)定位栓在頂升時不會被套管頂歪斜。能有效減少不必要的工作量,降低模具的占用周期,提高工效。

螺紋連接-撥叉式鎖定式定位心栓與承軌臺模的配合面為1∶30的圓錐面,可以解決頂升軌道板時由于承軌槽1/40坡度的脫模阻力。同時承軌臺模加導(dǎo)向管脫模時壓緊彈簧等被卡的問題。

將預(yù)埋套管旋進(jìn)定位栓內(nèi),安裝到位后旋上螺旋筋,放入承軌槽定位孔內(nèi),旋緊定位夾,即將套管進(jìn)行固定在模具上。拆模頂升軌道板時,通過撥叉先松開固定螺桿,固定螺桿隨軌道板同時脫開底模,再拆除固定螺桿。由于固定螺桿在設(shè)計時已考慮承軌臺的軌底坡的角度限制因素,所以軌道板脫模時不受影響。這種結(jié)構(gòu)能杜絕套管上浮,固定螺桿的密封又避免了套管進(jìn)漿。

(4)振動器

模具采用底模側(cè)部安裝附著式高頻振動器。按型號不同安裝不同數(shù)量的振動器。P5600型模具設(shè)置8臺振動器,每臺振動器作用半徑為1.5 m(圖9),8臺共同作用能確保無漏振現(xiàn)象。振動器布置在底模主橫梁端部,通過加強(qiáng)筋板合理焊接,保證頻繁振動的牢固性及振動力的傳遞。振動器的啟動用控制柜進(jìn)行自動控制,振動頻率和時間長短可以通過設(shè)置進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖9 P5600型振動器安裝傳導(dǎo)示意(單位:m)

振動器各項參數(shù)見表1。振動器在混凝土澆筑一半時開始啟動,當(dāng)混凝土表面有泛漿現(xiàn)象,且不再下沉,即可停止振動,一般時間為2 min。振動器的啟動與關(guān)閉均由振搗控制柜進(jìn)行。

表1 振動器各項參數(shù)

(5)灌注孔成孔器

灌注孔成孔器采用鋼制機(jī)械加工而成,呈圓錐形,中間預(yù)留φ20 mm的孔,直徑大的一端緊貼模具,通過1根螺栓和模具固定,為防止在拆除成孔器時破壞灌注孔周邊混凝土,在成孔器和模具之間用5 mm的橡膠板加墊。

3.2 端模、側(cè)模

模型側(cè)模及端模均采用鋼板拼焊而成,面板采用Q235B鋼板拼焊而成,并經(jīng)機(jī)械加工,倒角均設(shè)在側(cè)模及端模面板上。模具側(cè)模上部筋板上預(yù)留有加裝支撐時的螺栓過孔,并且均對應(yīng)配有張拉錨穴預(yù)埋錐體及其它預(yù)埋件定位裝置或定位孔。

側(cè)模及端模通過直線軸承平移機(jī)構(gòu)與底模完成開合模動作(開合尺寸150～300 mm),通過錐形定位銷與底模進(jìn)行定位,通過螺桿與底模進(jìn)行拉緊。側(cè)模與底模、端模與底模之間采用直線軸承平移機(jī)構(gòu)相連接,直線軸承平移機(jī)構(gòu)配合精度高,在模具側(cè)、端模開合動作時不會產(chǎn)生與底模相對錯位,保證了側(cè)、端模開合動作時與底模的精確配合。上述結(jié)構(gòu)使模具側(cè)模及端模的開合過程非常簡單、輕便,能確保2人在5 min內(nèi)完成拆?；蚝夏９ぷ?。

軌道板端板、側(cè)板接縫處采用45°對稱直角模或弧角模,消除端、側(cè)板脫模時的咬邊、卡滯現(xiàn)象,降低端板和側(cè)板脫模阻力。側(cè)板、端板側(cè)裝于底座上,其下部設(shè)有導(dǎo)向及定位裝置,能輕松實現(xiàn)開模、合模動作并準(zhǔn)確復(fù)位。定位裝置內(nèi)部設(shè)有自動脫模裝置,配合先脫錨方式,松開緊固螺栓后側(cè)板、端板與制件自動分離,脫模順暢、方便、可靠。

4 模具有限元分析

模具有限元分析所采用的荷載與實際情況相同,主要考慮模板自重、混凝土與鋼筋重量、振搗設(shè)備及產(chǎn)生的動荷載、其他附加力等。最不利載荷工況為全部混凝土澆筑完畢,振搗設(shè)備仍在振搗。

(1)模具基礎(chǔ)分析

如圖10所示,模具基礎(chǔ)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在工字鋼支腿位置,最大為6.84 MPa,遠(yuǎn)低于Q235B鋼材的抗拉強(qiáng)度;圖11所示為模具基礎(chǔ)的豎向位移最大為1.33 mm,出現(xiàn)在中間兩個工字鋼支腿處。

(2)模具分析

圖10 模具基礎(chǔ)等效應(yīng)力云圖

圖11 模具基礎(chǔ)豎向位移云圖

模具的受力情況較為復(fù)雜,在重力、等效壓力和激振力的作用下,模具的等效應(yīng)力如圖12所示。模具最大等效應(yīng)力為6.188 MPa,出現(xiàn)在側(cè)模上部,底模的等效應(yīng)力較為均衡,遠(yuǎn)低于Q235B的抗拉強(qiáng)度,無明顯應(yīng)力集中部位。可見,模具的設(shè)計合理,強(qiáng)度符合要求。

圖12 模具等效應(yīng)力云圖

模具在荷載作用下的最大豎向位移為1.49 mm,最大位移出現(xiàn)在模具底板中部(圖13),滿足《盤營客運專線CRTSⅢ型板式無砟軌道混凝土軌道板暫行技術(shù)要求》的規(guī)定,CRTSⅢ型軌道板成品板的變形要求允許偏差為±3 mm,因此,在最不利的組合荷載作用下,模具的變形應(yīng)控制在軌道板成品板變形值的1/ 2范圍左右,故模板的變形范圍為1.5～2 mm。經(jīng)過分析計算可知,模具的最大豎向位移為1.49 mm,小于模具所允許的最大變形量,說明該模具的變形量是符合軌道板預(yù)制要求的。

圖13 模具豎向位移云圖

5 結(jié)論

在進(jìn)行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,研制了CRTSⅢ型軌道板生產(chǎn)模具。對該模具進(jìn)行簡單的拆裝能實現(xiàn)盤營客運專線3種不同型號無砟軌道板的制造,經(jīng)濟(jì)性優(yōu)越;對側(cè)模及端模通過直線軸承平移機(jī)構(gòu)與底模完成開合模動作,實現(xiàn)了2人5 min快速的拆模、合模工作,大大提高了功效。利用ABAQUS軟件對模具和基礎(chǔ)進(jìn)行應(yīng)力、位移分析,結(jié)果表明,模具基礎(chǔ)強(qiáng)度、位移滿足要求;模具設(shè)計合理,強(qiáng)度和變形量均符合要求。

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Mould Design and Detection Technique for CRTS-III Track Slab

YU Jian-jun1,XIAO Hong2
(1.Science and Technology Department,China Railway No.9 Group,Shenyang110013,China; 2.School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

Mould of track slab is one of the key equipments in the process of prefabricating the CRTS-III track slab,and mould design will directly affect track regularity and stability of high-speed railway.This paper,in combination with the construction of Panjin-Yingkou railway passenger dedicated line, introduced the design keystones of track slab mould,including the components of the mould,the structure of every component.In addition,this paper studied the detection technology of CRTS-III ballastless track slab systematically,and then analyzed the strength and deformation of track slab mould and its foundation by using the ABAQUS software so as to ensure the precision of the mould.

CRTS-III ballastless track slab;mould;design;detection

U213.2+44

B

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.007

1004-2954(2014)04-0028-05

2013-05-16;

2013-08-28

北京市科技新星計劃(Z12111000250000);客運專線(350 km/h)CRTSⅢ型無砟軌道混凝土軌道板預(yù)制施工綜合技術(shù)研究(C12L00990)

于建軍(1971—),男,教授級高級工程師,博士研究生, 1994年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程專業(yè),工學(xué)學(xué)士;2003年畢業(yè)于西南交通大學(xué),工學(xué)碩士。