CRTSⅢ型先張軌道板流水法智能張拉控制系統研究

張長春

中鐵二十三局集團軌道交通工程有限公司 上海 201399

預應力筋張拉是CRTSⅢ型雙向先張軌道板生產的關鍵工序，張拉力值不一致容易造成軌道板翹曲變形，張拉工序所花費的時間又極大程度地影響了流水作業的工效，因此，對其張拉工藝的控制是決定軌道板成品質量和生產效率的重要因素[1]。為提高CRTSⅢ型先張軌道板制造工藝，并使其工裝設備全面進入工廠化生產階段，有必要對預應力筋的張拉精度控制和張拉工序自動化進行深入研究，以提高其流水線工業化生產水平和設備利用率，同時降低場地攤銷和勞動力成本，促進我國CRTSⅢ型先張軌道板的生產工藝從矩陣法向流水法轉變[2-3]。

預應力筋張拉通常采用整體張拉、單根張拉或整體和單根相結合這3種方式[4]。對于雙向先張預應力軌道板機組流水生產法，整體張拉方式需設置大噸位張拉系統，并由專人控制張拉桿件與預應力筋連接，以實現臺座兩端張拉梁的整體張拉[5]。雖張拉效率較高，但設備投資大、人為因素易導致張拉精度不足。而整體和單根相結合的張拉方式需投入2套設備分別完成初張拉和整體張拉，雖可保證張拉力的均勻性和較高的張拉精度，但操作過程較為復雜，工序耗費時間長，且易造成預應力損失。

本文依托山東臨朐高速鐵路CRTSⅢ型先張法預應力混凝土軌道板機組流水法生產線，將可單獨控制每根預應力筋張拉力，并且由模具承受張拉反力的單根張拉方法用于先張軌道板自動化機組流水法的生產工藝與成套設備研發。同時，結合智能傳感和信息化控制技術，首次提出單根預應力鋼筋自動張拉、鎖定理念，通過張拉設備自動識別，以及張拉結構和參數的自動調整，研制出可自動適應多規格軌道板生產的智能張拉設備，再通過牽引裝置和預應力張拉連接裝置，實現了流水化生產和預應力筋的雙向同步張拉與錨固，不但使張拉設備與流水線生產相匹配，還使張拉力值能夠自動補償，確保了預應力筋張拉力的均勻性。

實際應用時發現，對于縱向布置16根預應力筋（上、下2層各8根）、橫向24根預應力筋的雙向預應力先張軌道板，本套設備可在多頭張拉的同時，單獨控制每根預應力筋的張拉力。所有預應力鋼筋均可實現同步對位、連接、鎖定的全自動控制。只需10 min即可完成模具的升降找平、對位張拉、測力、測伸長量、鎖定、數據保存等流程。通過對每根預應力鋼筋進行張拉力和伸長量測試，持荷不少于1 min，發現鎖定后的張拉力精度誤差在3%以內，伸長量誤差小于±0.02 mm，真正實現了自動化單模單根張拉、信息化監控，流水線生產及預應力的精確控制。

1 張拉設備結構設計

張拉設備由端面張拉機構、側面張拉機構、電氣控制系統、液壓系統、氣動壓緊裝置等組成（圖1）。其中，端面張拉機構包括端張拉梁、端張拉梁托架、導柱、固定座等；側面張拉機構包括側張拉梁、側張拉梁托架等；電氣控制系統包括測力傳感器、位移傳感器、控制模塊等；液壓系統包括液壓泵站、液壓閥、液壓油缸等；氣動壓緊裝置包括氣缸、氣動閥、氣動三聯件等。

圖1 張拉設備示意

1.1 工作原理

張拉設備設計為雙向單根單側同時張拉（圖2），軌道板模具通過縱向與橫向張拉梁定位后，張拉縱梁下移使張拉桿與張拉爪處于同一水平面上。張拉橫梁通過先前移再下移的方式使張拉爪與張拉桿處于同一水平面。此時模具與張拉梁構成了共同受力體系（圖3），并通過張拉連接裝置（圖4）實現雙向預應力筋的單根同步張拉。該連接裝置可直接放松預應力筋，解決了傳統張拉中需先超張拉再放松的技術難題。通過鎖定裝置將預應力筋進行有效鎖定，減小其回縮損失。

圖2 縱向張拉梁

圖3 模具與張拉梁連接

圖4 張拉連接裝置

張拉桿由內螺紋、止推滑動持力環、張拉環、卸載螺紋組成。端頭是絲錐螺紋，預應力筋與其相連，其工作原理為千斤頂頂推主承力板，帶動卡入張拉爪內的張拉桿移動，此時模具與張拉千斤頂互為反力，將預應力筋拉長，張拉桿上的軸承用于鎖緊張拉力。

最后，張拉油缸開始工作，至80 kN時關閉供油管電磁閥。其間，利用張拉時鋼筋產生的伸長量，插入楔形鋼板，并在自重和氣缸錘的打擊作用下鎖定張拉力值。張拉力鎖定通過楔形卡板完成，其技術原理為物體的摩擦自鎖現象。張拉完成后，張拉桿軸承與模型側模之間留有空隙，楔形卡板自動下滑填充該空隙，當楔形卡板在自動氣錘的錘擊下不能再下降時，可以認為張拉力鎖緊。

1.2 張拉控制系統

智能張拉控制系統包括測值傳感器、張拉泵控系統和分析軟件等。圖2～圖4構成了雙向同步智能張拉控制系統的主要組成部分，通過其實現軌道板雙向預應力筋的同步張拉與錨固。

張拉泵控系統是以液壓缸流量控制實現壓力間接控制的“變頻液壓泵控系統”。根據設定的加載曲線控制張拉過程，再通過“自抗擾控制算法”實現步進式壓力輸出，使預應力筋緩慢而均勻地受力張拉，有效保證各根預應力筋的張拉速率同步。

千斤頂縱向張拉工作原理參見圖2和圖4，預應力筋的張拉采用“一對一”的張拉方式，即1個千斤頂對應1根預應力筋，從而實現單根張拉。千斤頂采用雙作用千斤頂，油站集成共用，雙油泵操控，主泵油壓最高為35 MPa，工作壓力為31.5 MPa，副泵控制輔助油缸，采用工作壓力為21 MPa的低壓油路，均設置安全溢流閥。每個張拉千斤頂可單獨工作。單根張拉通過拉力和位移傳感器實現雙向監測控制。側面張拉梁為水平移動，端面張拉梁既可垂直升降又可水平移動，以保證模具在軌道上的快速移動和對位。張拉油缸采用標準單元化設計，端、側張拉油缸可通用，方便維修、互換。

1.3 傳感檢查系統

測量數據采集系統由傳感器通過電信號采集至各對應控制柜，各控制柜內的控制模塊通過以太網相連，將數據集中采集至服務器統一處理。利用GCS-Contrix軟件及VxSCADA組態軟件，將張拉工況采集的數據顯示，并通過人機界面下達操作指令。還可通過人機界面查看關鍵工位的實時/歷史曲線（如張拉力值）和相關數據報表。

張拉力和伸長量的測量通過安裝高精度傳感器進行測定。伸長量的測量使用位移傳感器，張拉力的測量使用壓力傳感器。位移傳感器本體固定于液壓油缸的缸體外側，位移張拉桿前端與液壓油缸活塞桿前端用1塊安裝鐵片工裝予以固定，從而可實時反饋油缸活塞桿的位移伸出值。每個油缸均安裝有位移傳感器，行程為75 mm。張拉工位的單根鋼筋應力傳感器則是用于檢測單根鋼筋張拉后的力值是否達到80 kN的理論值，量程0～120 kN，安裝在每個張拉油缸與承力板之間。

1.4 技術特點

1）張拉前由模具升降設備和張拉設備共同完成張拉連接對位工作，精度要求控制在±2.5 mm內。張拉方式為單向，每個千斤頂控制1根預應力鋼筋。張拉千斤頂的前端安裝測力傳感器，并至少安裝2個位移傳感器。

2）預應力筋采用整體單根張拉方式，單根預應力筋加載速率不大于4 kN/s，分別張拉預應力筋至設計值，張拉完成后，持荷1 min后插緊楔塊并記錄。

3）預應力值采用雙控標準，以張拉力控制為主，伸長值作為校核。橫向預應力鋼筋的位移值偏差≤0.4 mm，縱向預應力鋼筋的位移值偏差≤1.0 mm。正式生產前，應根據設計預應力值進行摩阻試驗，確定補償量。

4）預應力鋼筋張拉伸長量超過設計值偏差的5%時，系統會自動報警，且更換鋼筋較方便。

5）張拉記錄由檢查系統自動生成，并具有進行遠程傳輸、自動報警功能。作業完成后，模具下降至流動工位，并將信息傳遞給控制中心。

2 張拉工藝流程

1）模具運行至準確位置后，縱向張拉橫梁向下移動、橫向張拉橫梁水平移動至設定位置，鋼模依靠底部4個油缸同步頂升實現準確定位（見圖2），并完成張拉機械手與張拉桿的嵌入連接，進入等待張拉狀態（見圖3）。

2）張拉采用自動張拉設備，張拉前，每個張拉油缸會先完成各自的空行程（未帶力行程），之后開始單根單端同時張拉，并以張拉力值作為控制。

3）預應力張拉應均勻，加載速率不應大于4 kN/min，至設計張拉力值80 kN后，持荷1 min，汽缸自動壓緊楔形插板并反復3次，以此保證張拉力值完成鎖定。實測單根張拉力與設計張拉力偏差不應大于±3%。

4）預應力張拉狀態數值及曲線可在中控室SCADA軟件的人機界面上進行查看，并自動生成張拉記錄。

5）張拉鎖緊后，縱、橫向張拉油缸進入回油狀態，力值歸零。縱、橫向張拉梁的張拉機械手與張拉桿脫離并復位，鋼模隨著底部4個頂升油缸同步回縮而平穩回落到運輸小車上。

6）張拉工位完成后進行信號確認、反饋，等待進入掃描檢測工位。

模型張拉鎖定完成后，將在有鋼筋籠的前提下進行三維掃描，以檢測模型的變形情況，并對不合格的模型進行報警。最后對檢測數據進行傳輸、保存和分析。

3 結語

本文針對CRTSⅢ型先張軌道板機組流水生產線上的預應力筋雙向同步張拉系統，對其所涉及的關鍵技術進行了總結和分析。該系統是一種基于自抗擾控制技術的預應力同步智能張拉控制技術，實現了張拉結構和張拉參數的自動調整及張拉力值的自動補償，確保了預應力筋之間張拉力的均勻性。

實踐表明，該套系統運行穩定，不但解決了軌道板鋼筋預應力的精度控制問題，還增強了CRTSⅢ型先張軌道板流水生產線的機械化、自動化和信息化程度，顯著提高了生產效率，降低了勞動力成本，進一步推進了規模化生產。采用此預應力筋同步張拉設備生產的軌道板已經應用于濟青、魯南高速鐵路等工程中，并取得了較好的社會效益和經濟效益。