王 金，傅重陽，蘇雅拉圖，武永珍，萬云乾，薛澤民

（1.中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030001；2.中鐵三局集團第五工程有限公司，山西 晉中 030600）

隨著我國高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的板式無砟軌道成套技術(shù)已成為當務(wù)之急。2009 年在成都至都江堰城際客運專線，開展了具有完全中國自主知識產(chǎn)權(quán)的板式無砟軌道成套技術(shù)工程實驗與設(shè)計創(chuàng)新工作，并取得了成功，于2010 年12 月正式定型為CRTS Ⅲ型軌道板。在“新基建”的背景下，利用信息化手段、工裝設(shè)備研發(fā)、工藝技術(shù)革新服務(wù)于鐵路建設(shè)，為工程建設(shè)提質(zhì)增效，是鐵路智能建造的大趨勢。按照“機械化換人、自動化減人、信息化替人”的思路，2022 年度中鐵三局集團有限公司在行業(yè)內(nèi)首次提出了基于末端反饋的板式無砟軌道智能精調(diào)思路，開展板式無砟軌道智能精調(diào)設(shè)備的研究與應(yīng)用，主要包括基于末端反饋的軌道板精調(diào)系統(tǒng)及配套傳感器固定裝置，三軸同向低扭力新型精調(diào)爪，精調(diào)爪驅(qū)動系統(tǒng)及配套助力裝置、四驅(qū)四轉(zhuǎn)同步走行系統(tǒng)及輔助設(shè)備。

1 板式無砟軌道精調(diào)爪及調(diào)整技術(shù)現(xiàn)狀

目前，CRTS Ⅲ型軌道板施工精調(diào)設(shè)備是“精調(diào)爪+扭力扳手”，每塊軌道板4 個角點位置各安裝1 個精調(diào)爪（圖1），配置4 名精調(diào)工人（圖2），各位置的工人根據(jù)軌道板測量調(diào)整數(shù)據(jù)，憑借著以往調(diào)整經(jīng)驗轉(zhuǎn)動精調(diào)爪調(diào)節(jié)螺桿上的扭力扳手，先調(diào)節(jié)高程螺桿，再調(diào)節(jié)橫、縱向螺桿，調(diào)節(jié)過程中高程和橫、縱向調(diào)節(jié)量相互影響，需經(jīng)多次測量、調(diào)整才可完成整個精調(diào)作業(yè)。

圖1 傳統(tǒng)精調(diào)爪

圖2 “人工+精調(diào)爪+扭力扳手”調(diào)整方式

2 傳統(tǒng)精調(diào)爪及調(diào)整技術(shù)存在的問題

傳統(tǒng)板式無砟軌道精調(diào)爪及調(diào)整技術(shù)主要存在的問題如下。

1）工人通過經(jīng)驗轉(zhuǎn)動精調(diào)爪調(diào)節(jié)螺桿上的扭力扳手，通過轉(zhuǎn)動次數(shù)，來判斷精調(diào)爪螺桿絲扣上升或下降圈數(shù)，依據(jù)絲扣距離，進而推算出具體上升或下降的距離，操作工人的熟練程度決定了調(diào)整的準確性。

2）調(diào)整過程中，需要先調(diào)節(jié)高程螺桿，再調(diào)節(jié)橫、縱向螺桿，導(dǎo)致高程和橫、縱向調(diào)節(jié)量相互影響，需經(jīng)多次測量、調(diào)整才可完成整個精調(diào)作業(yè)。

3）整個施工過程中軌道板鋪設(shè)工序人員參與頻繁，工作時間受限且施工勞動強度大。

3 三軸同向精調(diào)爪及配套輔助裝置設(shè)計原理

三軸同向低扭力新型精調(diào)爪如圖3 所示，優(yōu)化精調(diào)爪的傳動方式，大幅降低精調(diào)爪所需的扭矩，同時將3 個傳動軸設(shè)置于同一平面，提高精調(diào)電機與精調(diào)爪的連接效率。

圖3 新型三軸同向大扭矩精調(diào)爪結(jié)構(gòu)示意圖及實物圖

新型三軸同向精調(diào)爪主要包括底座、橫向調(diào)整機構(gòu)、縱向調(diào)整機構(gòu)、高程調(diào)整機構(gòu)等。

1）橫向調(diào)整機構(gòu) 底座上開設(shè)有凹槽，凹槽內(nèi)橫向調(diào)整機構(gòu)，橫向調(diào)整機構(gòu)包括橫向架，橫向架與橫向保護殼通過螺栓緊固連接，橫向保護殼上設(shè)有橫向旋鈕，橫向旋鈕下方設(shè)有橫向連接軸，且橫向連接軸貫穿橫向保護殼，并向內(nèi)延伸，橫向連接軸上套設(shè)有橫向動力錐齒輪，橫向動力錐齒輪的一側(cè)設(shè)有橫向傳動錐齒輪，橫向動力錐齒輪與橫向傳動錐齒輪相嚙合，橫向傳動錐齒輪上設(shè)有橫向螺紋桿，橫向螺紋桿貫穿底座，并延伸至凹槽內(nèi)，且端面與凹槽轉(zhuǎn)動連接，凹槽上方設(shè)有縱向調(diào)整機構(gòu)。

2）縱向調(diào)整機構(gòu) 包括縱向架，縱向架底部設(shè)有弧形塊，弧形塊套設(shè)置在橫向螺紋桿外，并與橫向螺紋桿相配合，弧形塊與橫向螺紋桿螺紋配合，且弧形塊與凹槽相適配，縱向螺紋桿與縱向架轉(zhuǎn)動連接，縱向架上設(shè)有縱向保護殼，縱向保護殼上設(shè)有縱向旋鈕，縱向旋鈕下方設(shè)有縱向連接軸，且縱向連接軸貫穿縱向保護殼，并向內(nèi)延伸，縱向連接軸外套設(shè)有縱向動力錐齒輪，縱向動力錐齒輪一側(cè)設(shè)有縱向傳動錐齒輪，縱向動力錐齒輪與縱向傳動錐齒輪相嚙合，縱向傳動錐齒輪上設(shè)有縱向螺紋桿，縱向螺紋桿貫穿縱向架，縱向螺紋桿上套設(shè)有移動座，移動座與縱向螺紋桿螺紋配合，移動座上設(shè)有頂蓋，頂蓋上設(shè)有高程調(diào)整機構(gòu)。

3）高程調(diào)整機構(gòu) 包括高程架，高程架上設(shè)有高程保護殼，高程保護殼上方設(shè)有主旋鈕，主旋鈕下方設(shè)有高程連接軸，高程連接軸貫穿高程保護殼，并套設(shè)有主齒輪，主齒輪底面設(shè)有高程螺紋桿，高程螺紋桿貫穿高程架，并向下延伸，高程螺紋桿與頂蓋轉(zhuǎn)動連接，高程螺紋桿外套設(shè)有移動塊，移動塊與高程螺紋桿螺紋配合，移動塊端面設(shè)有調(diào)整板，高程架背面設(shè)有背板，移動塊上呈相對狀設(shè)有延長板，延長板與高程架相配合，主旋鈕的一側(cè)設(shè)有副旋鈕，副旋鈕下方設(shè)有副軸，且副軸貫穿高程保護殼，并套設(shè)有副齒輪，副齒輪與主齒輪相配合，具體的，主齒輪與副齒輪采用1：2 平齒輪，有利于放大末端扭矩。

精調(diào)爪驅(qū)動系統(tǒng)及配套助力裝置采用氣動助力臂作為新型精調(diào)爪驅(qū)動、對位及壓緊結(jié)構(gòu)（圖4），有效提高了套筒與精調(diào)爪頂部螺母的對位效率，同時有效降低了施工成本，增加了設(shè)備的實用性。

圖4 新型精調(diào)爪驅(qū)動裝置對位及壓緊結(jié)構(gòu)

軌道板精調(diào)輔助裝置（圖5），主要包括電機保護盒、電機、助力連接構(gòu)件，助力連接構(gòu)件與電機保護盒固定相連，助力連接構(gòu)件上設(shè)有與助力臂連接的接頭和用于握持的把手；電機豎向安裝在電機保護盒內(nèi)、輸出軸向下，電機保護盒的下端設(shè)有卡槽結(jié)構(gòu)，卡槽結(jié)構(gòu)與精調(diào)爪的垂直端頭適配，通過卡槽結(jié)構(gòu)將電機保護盒與精調(diào)爪卡扣式連接實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩傳遞，電機的輸出軸上連接有轉(zhuǎn)換套筒，轉(zhuǎn)換套筒端口與精調(diào)爪驅(qū)動軸適配。

圖5 軌道板精調(diào)輔助裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4 精調(diào)爪及配套輔助裝置操作要點

4.1 新型精調(diào)爪安裝

1）軌道板粗鋪滿足要求后，分別在軌道板預(yù)埋套筒處安裝新型三軸同向精調(diào)器爪（圖6）。精調(diào)爪安裝前，橫向調(diào)整螺絲調(diào)到2.5cm，縱向和高度調(diào)整螺絲調(diào)到中間位置。

圖6 安裝新型精調(diào)器爪

2）軌道板安裝完成后在灌注孔及觀察孔處安裝防塵蓋，防止灰塵雜物落入污染板腔（圖7）。

圖7 安裝防塵蓋

4.2 三軸同向精調(diào)爪驅(qū)動系統(tǒng)就位

1）利用氣動助力臂帶動新型精調(diào)爪驅(qū)動裝置與新型三軸同向精調(diào)爪頂部螺帽進行對位（圖8）。

圖8 利用氣動助力臂進行對位

2）利用助力臂操作把手處微調(diào)按鈕，提高套筒與精調(diào)爪螺帽對位效率。

3）對位完成后，打開氣動助力臂鎖定按鈕（圖9）。

圖9 打開氣動助力臂鎖定按鈕

4.3 軌道智能精調(diào)三軸同向新型精調(diào)爪使用

1）軌道板智能精調(diào)施工采用“高程→橫向→縱向”的調(diào)整循環(huán)方式。

2）利用助力裝置帶動精調(diào)驅(qū)動裝置與z軸（高程）螺母定位，高程旋鈕轉(zhuǎn)動時，帶動高程螺紋桿轉(zhuǎn)動，利用延長板可對移動塊進行限位，有利于移動塊沿高程螺紋桿運動，實現(xiàn)高程調(diào)節(jié)。

3）利用助力裝置帶動精調(diào)驅(qū)動裝置與x軸（橫向）螺母定位，當橫向旋鈕轉(zhuǎn)動時，帶動橫向動力錐齒輪與橫向傳動錐齒輪相互嚙合，使橫向螺紋桿轉(zhuǎn)動，帶動縱向架連接的弧形塊沿凹槽內(nèi)滑動，實現(xiàn)橫向調(diào)節(jié)。

4）利用助力裝置帶動精調(diào)驅(qū)動裝置與y軸（縱向）螺母定位，當縱向旋鈕轉(zhuǎn)動時，由縱向動力錐齒輪與縱向傳動錐齒輪相互嚙合，帶動縱向螺紋桿轉(zhuǎn)動，使移動座沿縱向螺紋桿運動，實現(xiàn)縱向位置的調(diào)整。

5 主要特點

1）高程調(diào)整采用帶臺階加厚大齒輪平齒結(jié)構(gòu)+小齒輪平齒結(jié)構(gòu)配合驅(qū)動結(jié)構(gòu)，有效降低了精調(diào)爪所需的扭矩，同時更改平齒輪接觸面板位置形狀，并增加襯套，與上下固定鋼板間形成了有效間距，有效提高了齒輪使用壽命。

2）頂部高程調(diào)整平尺組固定結(jié)構(gòu)采用公母扣連接，有效降低了精調(diào)爪調(diào)節(jié)過程中，內(nèi)部扭力過大造成固定結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致齒輪固定軸不同軸造成斷裂、卡死等問題。

3）將精調(diào)爪橫向調(diào)整齒輪組和縱向調(diào)整齒輪組優(yōu)化為密封精密結(jié)構(gòu)，有效減少了由于齒輪晃動造成的齒輪損壞問題，提高了整個精調(diào)爪的使用壽命。

4）將精調(diào)爪部分構(gòu)件進行打孔處理，有效減少了精調(diào)爪整體重量，提高了實用性。

5）采用氣動助力臂作為新型精調(diào)爪驅(qū)動裝置、對位及壓緊結(jié)構(gòu)（最大扭力可達到200Nm），與協(xié)力臂+三維對位系統(tǒng)相比，雖然降低了自動化程度，但有效提高了套筒與精調(diào)爪頂部螺母的對位效率，同時有效降低了施工成本，增加了設(shè)備的實用性。

6）在助力臂操作把手處增加微調(diào)按鈕，進一步提高套筒與精調(diào)爪螺帽對位效率，同時，當發(fā)生精調(diào)爪浮空的問題（翹板）時，可快速利用微調(diào)按鈕，使精調(diào)爪下落到底座板上。

7）助力臂行程及活動范圍大，可適用于P4825、P4925、P5600 等多種常用軌道板及非標軌道板的精調(diào)作業(yè)，增加了軌道板精調(diào)設(shè)備的通用性。

8）助力臂行走端及旋轉(zhuǎn)端設(shè)計制動裝置，通過撥動氣動開關(guān)，可快速鎖死助力臂，保證了末端搭載精調(diào)電機套筒與精調(diào)爪螺帽的緊密連接。

6 結(jié)語

通過板式無砟軌道三軸同向精調(diào)爪及配套輔助裝置的研究與應(yīng)用，解決軌道板智能精調(diào)過程中，采用助力臂將電機直接與精調(diào)爪直接連接，電機在無人工輔助的狀態(tài)下，自轉(zhuǎn)幅度大且回轉(zhuǎn)易脫離精調(diào)爪或因扭力過大損傷精調(diào)爪結(jié)構(gòu)、破壞電機和助力臂（機械臂、液壓臂等其他助力設(shè)備）設(shè)備，同時精調(diào)過程中晃動大，無法限位，影響精調(diào)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定等問題，提高了軌道精調(diào)效率，各項指標符合設(shè)計要求，為同類型設(shè)備的研制提供參考。