盧定遠(yuǎn)

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 引言

國(guó)家“十四五”規(guī)劃強(qiáng)調(diào)要加快健全完善高速鐵路，加快推進(jìn)“八縱八橫”高速鐵路主通道建設(shè)，有序拓展區(qū)域高鐵連接線[1]。近年來(lái)高速鐵路快速發(fā)展，無(wú)砟軌道已取代傳統(tǒng)有砟軌道的主導(dǎo)地位，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、國(guó)民對(duì)高速鐵路需求增大及高速鐵路的高質(zhì)量持續(xù)發(fā)展，無(wú)砟軌道施工智能化和產(chǎn)業(yè)化必將迎來(lái)進(jìn)一步的推廣與大力支持[2]。

無(wú)砟軌道整體道床板混凝土傳統(tǒng)振搗方法大多采用人工振搗[3-4]，存在振搗質(zhì)量差、易發(fā)生混凝土開裂、振搗不均勻且消耗大量人力成本等問(wèn)題，以致無(wú)法保障振搗質(zhì)量及效率。

本文以實(shí)際工程為依托，研究一種用于無(wú)砟軌道混凝土振搗的智能振搗設(shè)備，可用于直線、曲線段混凝土振搗，兼具減振，斜插式振搗及可控式振搗功能。相較于傳統(tǒng)無(wú)砟軌道振搗，具有振搗施工低成本、高效率、高質(zhì)量、振搗參數(shù)可控等優(yōu)點(diǎn)。從多功能、智能化機(jī)械設(shè)備方向解決人工振搗及簡(jiǎn)易振搗裝置高成本、低效率問(wèn)題。

2 項(xiàng)目工程概況

渝昆高速鐵路全長(zhǎng)699 km，速度為350 km/h。做為國(guó)家“八縱八橫”高速鐵路主通道之一“京昆通道”的主要組成部分，如圖1所示，途徑重慶省、四川省、貴州省和云南省[5-6]，其地理位置十分重要，不僅能夠促進(jìn)城市發(fā)展，同時(shí)也是國(guó)家高速鐵路健全完善規(guī)劃中不可或缺的部分。施工過(guò)程曲線段鐵路干線大量增加，必然會(huì)增加無(wú)砟軌道施工難度。本著高效率、高質(zhì)量混凝土振搗理念，研制無(wú)砟軌道混凝土智能振搗設(shè)備，在消除對(duì)軌排不利因素前提下，實(shí)現(xiàn)高效率、低成本、高質(zhì)量的智能振搗。

3 無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)組成

3.1 無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備技術(shù)參數(shù)

(1)步進(jìn)行程:軌枕間距。

(2)工作行走速度:10 m/min。

(3)升降速度:工頻狀態(tài)升降速度為150 mm/s；由混凝土提出速度為80 mm/s。

(4)振搗棒額定轉(zhuǎn)速:2 800 r/min。

(5)振搗棒工作頻率:50 Hz。

(6)振搗工作循環(huán)時(shí)間:走行4 s；上升6 s；下降4 s；振搗 25 s。

(7)升降范圍:0～600 mm。

(8)有效振搗深度:260 mm。

3.2 無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備主要用于高鐵線路雙塊式無(wú)砟軌道整體道床板混凝土的智能化可控式振搗，主要由機(jī)架、走行裝置、振搗系統(tǒng)、升降系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等構(gòu)成。機(jī)架采用鋁合金構(gòu)件，不僅滿足實(shí)際工況強(qiáng)度與剛度要求，同時(shí)還符合輕量化設(shè)計(jì)理念，以減少振搗施工過(guò)程中對(duì)軌排的不利影響。走行輪采用鑄鋼件，強(qiáng)度剛度滿足要求[7-8]，可適應(yīng)曲線段振搗施工，極大提高了實(shí)用性。無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

機(jī)架采用鋁合金材料，材質(zhì)密度小且要求其焊接性能好，以實(shí)現(xiàn)智能振搗設(shè)備的輕量化且可有效避免焊接缺陷、無(wú)法正常焊接等問(wèn)題，同時(shí)在一定程度上可有效將振搗施工對(duì)軌排沖擊的不利影響降至最低。行走裝置由兩組主動(dòng)行走機(jī)構(gòu)及兩組從動(dòng)行走機(jī)構(gòu)組成，軌輪式走行結(jié)構(gòu)裝配于機(jī)架底部。兩組主動(dòng)行走機(jī)構(gòu)分別由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)調(diào)整走行速度來(lái)調(diào)控混凝土振搗質(zhì)量的目的。振搗系統(tǒng)主要由振動(dòng)電機(jī)、振搗棒、減振器及升降扁擔(dān)梁組成。振動(dòng)電機(jī)用來(lái)驅(qū)動(dòng)振搗棒進(jìn)行振搗，每根振搗棒配一臺(tái)振動(dòng)電機(jī)，每臺(tái)振動(dòng)電機(jī)與水平面呈45°夾角安裝于機(jī)架上，在振動(dòng)電機(jī)安裝板與機(jī)架之間裝配減振器，以降低振搗過(guò)程驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)軌排的不利影響。振搗棒并排間隔安裝在扁擔(dān)梁上，既可通過(guò)同步振搗以實(shí)現(xiàn)混凝土振搗的均勻同步性，也可根據(jù)實(shí)際工況要求，單獨(dú)控制一根或者幾根振搗棒進(jìn)行振搗施工，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)斜插式振搗。升降系統(tǒng)采用鏈傳動(dòng)柔性升降，分別安裝于機(jī)架兩側(cè)，主要由升降減速電機(jī)、傳動(dòng)軸、主動(dòng)鏈輪、導(dǎo)向鏈輪及鏈條等組成[9]。鏈條一端與鏈輪固定，另一端與扁擔(dān)梁連接，升降減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)主動(dòng)鏈輪，利用鏈條帶動(dòng)扁擔(dān)梁運(yùn)動(dòng)，通過(guò)升降減速電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)扁擔(dān)梁的升降，上升時(shí)鏈條拉緊向上提升，下降時(shí)鏈條放松，扁擔(dān)梁靠自重下落。升降減速電機(jī)為變頻電機(jī)，升降速度變頻可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)振搗棒快速下插、慢速上提，從而保障混凝土振搗施工質(zhì)量。

無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備電控系統(tǒng)主要包括變頻器、繼電器及遙控器等，可實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)”和“手動(dòng)”兩種振搗工作模式?！白詣?dòng)”控制模式是指升降和振搗過(guò)程完全通過(guò)PLC控制，即無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備從振搗棒下降、上升及整個(gè)設(shè)備走行的每個(gè)工作循環(huán)完全按照提前設(shè)定好的數(shù)據(jù)完成?！笆謩?dòng)”控制模式是指使用遙控器進(jìn)行控制，即無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備工作循環(huán)中的每個(gè)動(dòng)作均通過(guò)操作人員把控完成；同時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)PLC內(nèi)部程序、變頻器、升降限位等實(shí)現(xiàn)控制智能振搗設(shè)備走行速度、振搗速度、振搗深度、振搗時(shí)間等參數(shù)[10-12]，從而實(shí)現(xiàn)不同坍落度混凝土的密實(shí)性。

4 無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備工作原理及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備工作原理

無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備以機(jī)架為承載體，其他系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)均安裝于機(jī)架上。走行機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿減速機(jī)驅(qū)動(dòng)軌輪式，走行電機(jī)通過(guò)變頻器控制，走行速度可調(diào)，走行到位停機(jī)方式可為“手動(dòng)”模式下的操作人員目測(cè)控制停機(jī)或“自動(dòng)”模式下編碼器計(jì)數(shù)控制停機(jī)。走行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)整機(jī)每次步進(jìn)一個(gè)軌枕間距，用于控制振搗棒的振搗位置。升降系統(tǒng)為蝸輪蝸桿減速機(jī)驅(qū)動(dòng)的鏈傳動(dòng)提升裝置，利用電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制鏈條帶動(dòng)安裝于扁擔(dān)梁上的振搗棒上升或下降，實(shí)現(xiàn)振搗棒在混凝土中插入和拔出功能，同時(shí)還能夠調(diào)節(jié)振搗棒的振搗深度，升降的極限位置由行程開關(guān)控制。振搗系統(tǒng)由振搗電機(jī)、振搗棒和電機(jī)安裝座組成，振搗棒通過(guò)振搗電機(jī)驅(qū)動(dòng)且在升降系統(tǒng)控制下，完成混凝土振搗動(dòng)作，振搗頻率高、激振力大，可完全覆蓋道床板橫向?qū)挾群颓昂筌壵黹g混凝土的振搗。減振系統(tǒng)安裝于振搗電機(jī)座板與橫梁之間，用于消減振搗棒工作過(guò)程中對(duì)軌排的影響，提升施工質(zhì)量。電控箱安裝于車架尾端，內(nèi)部裝配PLC及變頻器等，用于控制走行、升降、振搗等系統(tǒng)的動(dòng)作。振搗時(shí)間通過(guò)編程控制，針對(duì)不同坍落度的混凝土使其振搗參數(shù)更合理，可有效避免混凝土振搗不足或過(guò)振現(xiàn)象。

在施工過(guò)程中，無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備整機(jī)吊放于精調(diào)好的軌排軌道上，振搗棒位于前后軌枕中間位置。根據(jù)軌枕間距、混凝土坍落度，調(diào)節(jié)PLC及變頻器，設(shè)定走行速度、升降速度、振動(dòng)頻率等參數(shù)。混凝土澆筑完成后，啟動(dòng)振搗車走行系統(tǒng)，整機(jī)前進(jìn)一個(gè)軌枕間距(此時(shí)振搗棒位于前后軌枕中間位置)，啟動(dòng)升降系統(tǒng)和振搗系統(tǒng)，開始混凝土振搗作業(yè)，振搗完成后，升起振搗棒，關(guān)閉振搗電機(jī)；整機(jī)向前步進(jìn)一個(gè)軌枕間距，進(jìn)行下一個(gè)工作循環(huán)。

4.2 無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備機(jī)架輕，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度滿足實(shí)際工況需求，保證實(shí)現(xiàn)對(duì)軌排影響程度低的智能振搗；智能振搗設(shè)備具有5根振搗棒，振搗棒既可同步振搗，保證振搗的均勻一致性，同時(shí)可根據(jù)曲線段混凝土不同坍落度，單獨(dú)控制單根或者幾根振搗棒進(jìn)行混凝土振搗，以實(shí)現(xiàn)可控式智能振搗；智能振搗設(shè)備可邊走行邊振搗，走行及振搗速度均可通過(guò)變頻調(diào)節(jié)，進(jìn)一步調(diào)節(jié)振搗速度及頻率，可廣泛適用于不同坍落度混凝土及不同地質(zhì)條件的振搗；智能振搗設(shè)備采用鏈輪柔性升降及減振器，有效降低了振搗過(guò)程振動(dòng)對(duì)軌排的不利影響及對(duì)設(shè)備本身的影響，對(duì)于施工質(zhì)量及設(shè)備長(zhǎng)久使用具有較深意義。

使用無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高速鐵路直線段振搗，還能實(shí)現(xiàn)高速鐵路曲線段振搗，根據(jù)不同混凝土坍落度及坡度工況，可調(diào)整為斜插式振搗模式，從而有效提高振搗施工質(zhì)量。

5 應(yīng)用效果

無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備應(yīng)用于渝昆高速鐵路施工，明顯降低了振搗施工成本、提高了道床板混凝土振搗施工質(zhì)量及施工效率，解決了傳統(tǒng)人工振搗不均勻、密實(shí)度欠缺、振搗質(zhì)量差、易發(fā)生混凝土開裂且振搗效率低的問(wèn)題。現(xiàn)場(chǎng)施工如圖3所示。

6 結(jié)論

為解決無(wú)砟軌道混凝土人工振搗效率低、質(zhì)量差、成本高等問(wèn)題，本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，研制了無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)邊走行邊振搗的可控式智能振搗。

(1)該設(shè)備走行于軌道上，重量輕且兼具減振功能，能夠在保證振搗質(zhì)量及效率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減少走行振搗過(guò)程中對(duì)軌排的不利影響。

(2)無(wú)砟軌道智能振搗設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電控原理可以推廣至高速鐵路施工中的更多相關(guān)領(lǐng)域。