上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 工程概況

低速磁浮試驗(yàn)線位于上海市浦東臨港新城電氣集團(tuán)基地內(nèi)，總長1 705 m。其中包含R50 m、R70 m彎道以及7%坡度各一處。試驗(yàn)線為單線，帶一處道岔，基本標(biāo)高為7.45 m，坡度長度205 m，最大標(biāo)高21.8 m。

軌排為安裝在軌道梁上的專用軌道（圖1），試驗(yàn)線的列車將在其上運(yùn)行。低速磁浮試驗(yàn)線軌道梁上軌排的測量、安裝精度達(dá)0.1 mm，且均為工廠拼裝，現(xiàn)場精調(diào)，需要通過特殊工裝才能確保其精度；軌排Z向剛度相對較小，在運(yùn)輸和吊裝過程中容易產(chǎn)生變形。

圖1 軌排示意

2 軌排工藝分析

2.1 工裝設(shè)計(jì)的必要性

1）軌排拼裝和安裝精度較高，軌距（1 900±1）mm、軌排上4個測量點(diǎn)的對角線（7.4 m左右）誤差±1 mm。軌排在梁上安裝誤差±2 mm、軌道接縫允許偏差±1 mm（橫向/豎向）。軌排由十幾種零件組成，結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量較重。2根F板長10 m，高95 mm，剛度差，拼裝時必須放平才能調(diào)整和測量互相之間的尺寸（2根曲線F板拼裝要保證法線方向一致），為了保證軌距和對角線尺寸精度，軌排的組裝一般都在車間內(nèi)進(jìn)行，然后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場用吊車吊到軌道梁上安裝，這樣可以提高組裝件的質(zhì)量，加快工程的進(jìn)度。直接在軌道梁上組裝雖然可以節(jié)約運(yùn)輸和吊裝的成本，但是在梁上缺乏操作空間，梁的表面平整度也將會影響組裝質(zhì)量且不安全。所以需根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)專用的拼裝臺，使其變形和平整度控制在規(guī)定范圍內(nèi)，同時也完成各個零件的組裝和調(diào)整，以滿足拼裝需求。

2）軌排拼裝完后，要放在線路梁上就位，4個測量點(diǎn)（F板中心線與軌枕中心線的交點(diǎn)）上不能鉆孔裝棱鏡，必須設(shè)計(jì)棱鏡支架在測量點(diǎn)上方裝棱鏡。傳統(tǒng)的用鋼針在F板上畫線來確定中心位置的方法，不僅破壞了工作表面，而且精度低、勞動強(qiáng)度高，故不采用。要精確地模擬測量點(diǎn)中心位置并非易事，支架夾在軌枕上，由于軌枕制作誤差及螺孔間隙等，會造成模擬測量點(diǎn)與設(shè)計(jì)測量點(diǎn)偏移，故需采取措施進(jìn)行補(bǔ)償。另外，軌距無法直接測量，需通過測量F板外包尺寸來間接測量軌距。但由于斜面端部是圓角，角度有誤差、圓角有大小，故給測量帶來困難（圖2）。為了測量準(zhǔn)確，必須設(shè)計(jì)專用量具來保證軌距的精度。

圖2 通過F板外包尺寸間接測量軌距

3）軌排放在線路梁上，要正確定位，必須進(jìn)行X、Y、Z向的三維調(diào)整，傳統(tǒng)的螺桿、千斤頂?shù)刃实颓揖炔桓撸O(shè)計(jì)的三維調(diào)整裝置可以在某一點(diǎn)同時進(jìn)行三維調(diào)整，避免了調(diào)整水平與高度時對已調(diào)好位置產(chǎn)生影響，尤其在有橫坡和縱坡處。調(diào)整裝置放在軌枕下面，受到高度（120 mm）的限制，故要求結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。

2.2 軌排組裝精度分析

軌排拼裝時2根F板縱向不能有錯位，否則要影響安裝和線形，使軌排間的間隙超差。測量對角線尺寸D1、D2（圖3），并與設(shè)計(jì)提供的理論對角線進(jìn)行比較，使誤差控制在±1 mm，即能解決F板縱向錯位問題。測量點(diǎn)確定有以下2種方法。

圖3 軌排組裝精度示意

一是利用F板兩端螺孔，畫4孔中心線和F板中心線，其交點(diǎn)即為測量點(diǎn)。此方法要求2組孔間距L4誤差控制在±0.5 mm，孔到兩端面距離LY、LZ誤差控制在±2 mm，盡量將誤差放在伸縮縫（30±5）mm中；二是實(shí)測L3實(shí)，在F板上畫LY實(shí)及RY實(shí)直線，LY實(shí)=LY-[（L3實(shí)-L3）/2]，LZ實(shí)=LZ-[（L3實(shí)-L3]/2]。這樣兼顧了兩端頭尺寸，使軌排間的間隙均勻。如果F板加工精度高則采用第1種方法，否則用第2種方法。

3 工裝設(shè)計(jì)工藝方案

3.1 拼裝臺上工件定位方案

定位基準(zhǔn)是用來確定F板在拼裝臺中的正確位置。定位基準(zhǔn)的正確選擇是保證零部件組裝尺寸精度與位置精度的關(guān)鍵，定位就是限制工件的自由度，工件的6個自由度如果都限制了，工件就完全定位了[1-3]。

拼裝臺上用4個經(jīng)校正后的小平臺與F板的底平面接觸后，即約束了3個自由度，剩下縱向1個剛性約束，橫向2個拉開一定距離的剛性約束，為了提高工件的剛度，須在適當(dāng)位置增加輔助支撐。

3.2 拼裝臺上工件夾緊方案

夾緊過程中要保證工件定位基準(zhǔn)不會受影響，并使裝置簡單、剛性好，可采用標(biāo)準(zhǔn)化的元件，縮短設(shè)計(jì)加工的周期。夾緊力不宜太大，以免使工件產(chǎn)生變形，從而影響工件原來的精度。夾緊方案為：用螺栓、螺母、壓板等壓緊F板的上表面（圖4），分別位于小平臺的上方，使定位與壓緊方向一致。在橫向也設(shè)置了4個壓緊裝置，與定位裝置處于同一直線上，通過具有一定剛度的三角架和螺桿壓在F板的側(cè)面。

圖4 拼裝臺上的工件夾緊方案

3.3 拼裝臺上工件調(diào)整方案

2根F板放在拼裝臺的8個小平臺上，小平臺分布在長10 m、寬2 m的平面內(nèi)，其表面與F板底平面接觸，作為定位基準(zhǔn)，故要求8個小平面之間的平面高度誤差小于0.5 mm，粗糙度小于0.012 mm。由于尺寸大，難以在機(jī)床上一次加工成型，而且不經(jīng)濟(jì)。故采取小平臺的平面機(jī)加工，在其下面裝有由4個螺桿和螺母組成的可調(diào)節(jié)高度的裝置，用水平儀控制8個小平臺的平面高度誤差?？v向調(diào)整裝置用于對角線尺寸調(diào)整，兼作縱向定位裝置，在2根F板端部各裝2個，用螺桿、螺母調(diào)整（圖5）。橫向調(diào)整裝置用于軌距尺寸的調(diào)整，兼作橫向定位裝置，與F板的斜面接觸。

圖5 縱向調(diào)整裝置示意

3.4 棱鏡支架定位、夾緊方案

測量點(diǎn)為軌枕中心線與F板中心線的交點(diǎn)，F(xiàn)板中心線可以通過其斜面引入，精度是可以保證的，軌枕中心線體現(xiàn)的是F板縱向端面到軌枕中心線的距離，所以在安裝軌枕時要通過測量定位后用高強(qiáng)度螺栓與F板擰緊。軌枕兩側(cè)面為支架的夾緊面。

3.5 三維可調(diào)支座調(diào)整方案

三維可調(diào)支座用以支撐、調(diào)整軌排，放在軌枕下面，高度小于120 mm，一般為4～6個，由于軌排質(zhì)量為5 000 kg左右，可采用螺桿、螺母進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整完畢后澆筑混凝土使軌排與軌道梁連接，拆除三維可調(diào)支座。三維可調(diào)支座能縱橫向移動，而且靈活、阻力小，通過擰動螺桿進(jìn)行高度調(diào)整，其頂端要做成球面，以適應(yīng)有斜坡的軌排。

4 工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 拼裝臺

拼裝臺外形尺寸為10.63 m×2.5 m×0.87 m，橫向用4根箱梁，縱向由槽鋼和鋼板組成格構(gòu)式梁與橫向箱梁互相連接，橫向箱梁兩側(cè)上表面放8個小平臺并與其連接，小平臺表面經(jīng)機(jī)加工，平臺面下設(shè)有Z向可調(diào)裝置，由螺桿、螺母等組成，在拼裝臺上有F板水平調(diào)整裝置及定位夾緊裝置，由三角架、螺釘、螺母等組成，通過調(diào)整使軌排的軌距和對角線滿足設(shè)計(jì)要求，用鎖緊裝置固定。橫向調(diào)整裝置為具有一定剛度的三角架、螺釘、螺母等，能調(diào)整F板的直線度和曲率半徑的超差，拼裝臺與地面牢固連接。拼裝臺剛度和強(qiáng)度較大，能校正F板的彎曲，適應(yīng)各種尺寸和形狀的軌排的拼裝。F板放在小平臺上，通過壓板、螺桿、螺母將其壓緊。拼裝臺端部的2個小平臺做成類似機(jī)床上的十字拖板，可以縱向和橫向進(jìn)行F板調(diào)整。

組成軌排的零件F板、軌枕、鋁板、支座及預(yù)埋鋼板和螺栓等在拼裝臺上完成裝配，并完成軌距的測量以及對角線的測量。軌排Z向剛度相對較小，容易產(chǎn)生變形，為了減少變形，F(xiàn)板擱置在8個小平臺上，每個平臺高度誤差小于0.5 mm，用水平儀調(diào)平。

4.2 專用量具

專用量具的一端有2個相距230 mm的測點(diǎn)與F板斜面中間接觸，保證量具中心線與F板中心線垂直（如果是曲線F板即為法線方向）。另一端有一孔，孔中放圓柱形量規(guī)，量規(guī)前端為圓錐，頭部為球體，與F板斜面接觸，后端面有個1 mm臺階，測量時軌距尺寸變動會使量規(guī)左右移動，量具孔端面在量規(guī)臺階范圍內(nèi)即為合格。量具桿下端有3個支撐點(diǎn)擱置在F板面上，使量具與被測件保持平行（圖6）。

使用該量具既保證了軌距尺寸符合要求，又能使每片軌排的軌距尺寸一致。不足的是F板斜面制作誤差會影響軌距的尺寸，由于斜面是機(jī)械加工面，誤差較小，對軌距尺寸的影響很小。量具使用頻率高，尺寸較大，所以質(zhì)量要輕、使用要方便。同時由于被測件精度高，一旦返工，必然造成成本大幅提高，因此量具制作精度要高，使用時要按規(guī)范操作。

圖6 專用量具示意

4.3 棱鏡支架

棱鏡支架原理為：在左右旋螺桿上裝有2塊夾板，旋轉(zhuǎn)螺桿夾板夾住軌枕。在夾板中間有一長槽，槽的中心就是軌枕的中心，用一根細(xì)桿放在槽中。細(xì)桿頂端與F板斜面接觸，在細(xì)桿的測量點(diǎn)位置上鉆孔來固定棱鏡，這時棱鏡的水平位置與設(shè)計(jì)點(diǎn)重合高度提高了50 mm。安裝棱鏡支架時必須將細(xì)桿中心線與F板上畫線對齊。棱鏡支架夾在軌枕上，由于軌枕制作誤差及螺孔間隙等，會造成模擬測量點(diǎn)與設(shè)計(jì)測量點(diǎn)偏移，故需采取措施進(jìn)行補(bǔ)償，通過提高兩端軌枕安裝精度，保證軌枕中心與設(shè)計(jì)的法線方向一致。

4.4 三維可調(diào)支座

該支座不僅能進(jìn)行三維調(diào)整，而且在頂部能適應(yīng)0～6 mm的斜面接觸，高度為110 mm，適應(yīng)了軌枕與梁的120 mm空間，用扳手?jǐn)Q動支座的螺栓能移動或頂升軌排，水平移動靠減磨板與鏡面不銹鋼之間滑動。三維可調(diào)支座有一個方框架，底面放減磨板，其上放活動柱，由四面螺桿頂推完成水平移動，活動柱中間有一個螺桿通過旋轉(zhuǎn)可以上下移動，從而實(shí)現(xiàn)了三維可調(diào)（圖7）。螺桿頂端是一個球面，可適應(yīng)帶橫坡的軌排[4-6]。

圖7 三維可調(diào)支座示意

5 結(jié)語

專用工裝設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其生產(chǎn)的數(shù)量、施工精度、施工難度、采用的設(shè)備及現(xiàn)有施工條件，并對工件的形狀和尺寸精度加以分析，從而找出更合理的方案，解決存在的問題。這樣可以減少一些不必要的工時，提高生產(chǎn)效率，降低工人勞動強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益。以上設(shè)計(jì)的工裝在低速磁浮施工中是必不可少的，工裝經(jīng)過使用取得了良好效果，對保證質(zhì)量起到了重要作用，使工程按時順利完成。