高速鐵路無砟軌道板精調(diào)裝置*

張建強(qiáng)

(中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所，200333，上海 ∥ 正高級工程師)

無砟軌道板精調(diào)是高速鐵路軌道板更換施工的關(guān)鍵工序。目前，一般使用精調(diào)爪進(jìn)行軌道板精調(diào)：在軌道板兩側(cè)面既定位置分別布置2個精調(diào)爪，精調(diào)爪操作人員在測量人員的指揮下操作精調(diào)爪進(jìn)行軌道板精調(diào)；在調(diào)節(jié)過程中， 4個精調(diào)爪工位需要相互配合，以實現(xiàn)軌道板空間位置的精調(diào)。雖然這種精調(diào)方式所采用的設(shè)備簡單，但調(diào)節(jié)方式復(fù)雜，需要多人配合，效率較低。根據(jù)現(xiàn)場施工統(tǒng)計，無論是新建高速鐵路還是既有高速鐵路施工維修，采用這種精調(diào)方式既使配合良好的精調(diào)隊伍也平均至少需要40 min才可完成一塊軌道板的精調(diào)作業(yè)。高速鐵路軌道板更換施工天窗時間一般為4 h，時間緊張，如果軌道板精調(diào)作業(yè)超時太多，則會影響整個軌道板更換施工進(jìn)度，進(jìn)而影響第二天的順利通車。因此，無論從精調(diào)質(zhì)量還是進(jìn)度控制方面來說，研究開發(fā)調(diào)整效率高、精度高的軌道板精調(diào)裝置都具有重要的意義。本文介紹了軌道板精調(diào)裝置設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計及現(xiàn)場試驗情況。

1 軌道板精調(diào)原理

無砟軌道板精調(diào)是高精度的測量和調(diào)整，是以軌道控制網(wǎng)CPIII控制點為基準(zhǔn)設(shè)站進(jìn)行軌道板空間位置的測量及調(diào)整。但是，由于高速鐵路長期通車運營、局部軌道斷面整體出現(xiàn)沉降等情況， CPIII控制點會出現(xiàn)誤差。軌道板大修施工一般是針對一塊板，若繼續(xù)以CPIII控制點為基準(zhǔn)，則可能會出現(xiàn)新板調(diào)整位置不平順過渡的情況。基于目前施工經(jīng)驗和對CPIII控制點現(xiàn)狀的分析，精調(diào)裝置主要以實現(xiàn)新?lián)Q軌道板與相鄰兩塊軌道板的平順過渡為主。以CPIII控制點為輔助參考，即以新?lián)Q軌道板與相鄰板的相對位置為主，以新?lián)Q軌道板在CPIII控制點精測網(wǎng)中的絕對位置為輔，具體原理如圖1所示。軌道板精調(diào)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 軌道板調(diào)整原理示意圖

圖2 軌道板精調(diào)裝置結(jié)構(gòu)

如圖1所示，定義軌道板寬度方向為X方向、軌道板長度方向為Y方向、軌道板厚度方向為Z方向。O1、O2、O3、O44個點是測量儀器安裝點，也是測量的基準(zhǔn)點。另外，測量對基準(zhǔn)穩(wěn)定性和重復(fù)性要求較高，所以利用相鄰板扣件螺栓孔進(jìn)行定位安裝，如圖1所示的O1、O2、O3、O4位置。A、B、C、D4個點為精調(diào)裝置底座板支撐模塊(含調(diào)平臺)位置。利用儀器測出O1、O2、O3、O4，以及A、B、C、D空間坐標(biāo)，新?lián)Q軌道板上也安裝測量點并測出測量點空間坐標(biāo)，以新?lián)Q軌道板與相鄰軌道板平順過渡為目標(biāo)計算得出精調(diào)裝置X向液壓油缸、Z向液壓油缸需要推進(jìn)的行程以及回轉(zhuǎn)中心需要回轉(zhuǎn)的角度，通過液壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)液壓油缸動作即可實現(xiàn)新?lián)Q軌道板的空間調(diào)整。

軌道板位置的調(diào)整涉及到空間3個維度的方向調(diào)整。Y方向的調(diào)整相比于X方向和Z方向更容易實現(xiàn)，因此在精調(diào)裝置連帶軌道板粗鋪落位時完成Y方向調(diào)整。

X、Z方向的調(diào)整則需運用測得的數(shù)據(jù)計算后通過X向液壓油缸和Z向液壓油缸進(jìn)行調(diào)整。具體方式如下：

1)X方向調(diào)整：精調(diào)裝置有回轉(zhuǎn)軌道板功能和軌道板X方向調(diào)整功能。利用測量儀器測量O1、O2、O3、O4，以及A、B、C、D基準(zhǔn)點X方向坐標(biāo)和新?lián)Q軌道板X方向位置坐標(biāo)，將測得數(shù)值輸入控制程序。控制程序通過關(guān)聯(lián)坐標(biāo)計算出回轉(zhuǎn)角度和X方向角度，通過液壓控制系統(tǒng)控制機(jī)械部分實現(xiàn)軌道板的回轉(zhuǎn)和X方向的調(diào)整。

2)Z方向調(diào)整：以軌道一側(cè)的4個檢測點(O1、A、D、O4)為例。精調(diào)裝置放置后，通過O1、O4兩點可以在X、Z軸組成的投影平面上確定一條直線，并與A、D兩點的測量值進(jìn)行運算，得到A、D兩點所在處垂向油缸的調(diào)整量；同理可得B、C兩點所在處垂向油缸的調(diào)整量。運用A、B、C三點的調(diào)整量設(shè)置油缸動作；調(diào)整到位后，D點出油缸實腿；調(diào)整后進(jìn)行測量；確定調(diào)整到位后，調(diào)整作業(yè)結(jié)束。

2 軌道板精調(diào)裝置結(jié)構(gòu)

圖3為軌道板精調(diào)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)三維效果圖。表1為軌道板精調(diào)裝置主要性能參數(shù)。

圖3 軌道板精調(diào)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)三維效果圖

表1 軌道板精調(diào)裝置主要性能參數(shù)

精調(diào)裝置實現(xiàn)軌道板的空間位置調(diào)整主要從軌道板X、Y、Z3個方向以及1個回轉(zhuǎn)維度進(jìn)行。精調(diào)裝置將1個回轉(zhuǎn)維度的調(diào)整分底座板支撐部分和回轉(zhuǎn)調(diào)整部分2部分實現(xiàn)，精調(diào)裝置的動作主要通過液壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)。因此軌道板精調(diào)裝置主要分底座板支撐模塊、回轉(zhuǎn)調(diào)整模塊和液壓控制系統(tǒng)3大模塊來進(jìn)行功能設(shè)計。

1) 底座板支撐模塊：主要負(fù)責(zé)與回轉(zhuǎn)調(diào)整模塊的對接定位與連接固定，如圖4所示。回轉(zhuǎn)調(diào)整模塊連接軌道板由吊機(jī)吊入軌道板區(qū)域，如圖5所示，在人工輔助下回轉(zhuǎn)調(diào)整模塊萬象球鉸逐漸落入V型槽，落入對接后即實現(xiàn)軌道板的Y方向調(diào)整，此時通過螺栓將萬向球鉸與V型槽固化連接。

圖4 軌道板精調(diào)裝置底座板支撐模塊

2) 回轉(zhuǎn)調(diào)整模塊：具體結(jié)構(gòu)及功能如圖5所示。主要具備軌道板回轉(zhuǎn)調(diào)整、Z方向高程調(diào)整以及X方向位置調(diào)整功能。回轉(zhuǎn)調(diào)整模塊連接軌道板一起吊入軌道板更換區(qū)域，與底座板支撐模塊V型槽連接固化后，即開始軌道板Z方向和X方向位置的調(diào)整。

圖5 軌道板精調(diào)裝置回轉(zhuǎn)調(diào)整模塊

3) 液壓控制系統(tǒng)：圖3示意了液壓油管的布局。液壓控制系統(tǒng)主要分為X方向調(diào)整控制系統(tǒng)、Z方向高程調(diào)整控制系統(tǒng)以及回轉(zhuǎn)調(diào)整控制系統(tǒng)3個部分。這3個部分的液壓控制系統(tǒng)均由比例伺服閥控制。X方向調(diào)整控制系統(tǒng)由2組閥、2個雙作用缸組成，主要實現(xiàn)X方向的位置調(diào)整；Z方向高程控制系統(tǒng)由4組閥、4個雙作用液壓油缸組成，主要實現(xiàn)Z方向的高低調(diào)整；回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)由液壓馬達(dá)驅(qū)動回轉(zhuǎn)中心實現(xiàn)回轉(zhuǎn)調(diào)整。

3 關(guān)鍵零部件強(qiáng)度校核

軌道板精調(diào)裝置不僅要強(qiáng)度可靠，而且在精調(diào)過程中撓度要小，以確保精調(diào)效果。因此對軌道板精調(diào)裝置在調(diào)整質(zhì)量較大的CRTS Ⅲ型板工況下進(jìn)行校核。CRTS Ⅲ型板質(zhì)量為11.24 t，加上精調(diào)裝置自重2 t，共計13.24 t。考慮到液壓系統(tǒng)以及配重等外加質(zhì)量，按照15 t載荷進(jìn)行強(qiáng)度校核。

1) 關(guān)鍵部件回轉(zhuǎn)定子：圖6和圖7分別為關(guān)鍵部件回轉(zhuǎn)定子的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖。

圖6 CRTS Ⅲ型軌道板關(guān)鍵部件回轉(zhuǎn)定子應(yīng)力云圖

圖7 CRTS Ⅲ型軌道板關(guān)鍵部件回轉(zhuǎn)定子應(yīng)變云圖

由圖6可知，回轉(zhuǎn)定子在15 t載荷下，最大應(yīng)力值為377 MPa，回轉(zhuǎn)定子采用Q460鋼板，其屈服強(qiáng)度為460 MPa，最大應(yīng)力值小于屈服強(qiáng)度，符合強(qiáng)度要求。由圖7可知，回轉(zhuǎn)定子在15 t載荷下，最大應(yīng)變?yōu)?.6 mm，考慮到精調(diào)裝置的整體尺寸，最大應(yīng)變2.6 mm可忽略不計。

2) 軌道板關(guān)鍵部件連接框架：圖8和圖9分別為軌道板關(guān)鍵部件連接框架應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖。

圖8 軌道板關(guān)鍵部件連接框架應(yīng)力云圖

軌道板關(guān)鍵部件連接框架采用Q460鋼板拼焊而成，其屈服強(qiáng)度為460 MPa。由圖8可知，在15 t載荷條件下，連接框架最大應(yīng)力值為69.3 MPa，小于其屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。由圖9可知，連接框架應(yīng)變?yōu)?.128 mm，此時連接框架與軌道板連接，軌道板理論變形量即為1.128 mm，要小于軌道板自由狀態(tài)下翹曲變形。

圖9 軌道板關(guān)鍵部件連接框架應(yīng)變云圖

4 軌道板精調(diào)裝置現(xiàn)場應(yīng)用

圖10為軌道板精調(diào)裝置現(xiàn)場應(yīng)用圖。

圖10 軌道板精調(diào)裝置現(xiàn)場應(yīng)用

圖10 a)為精調(diào)裝置連接軌道板吊裝情況。在人工輔助下，精調(diào)裝置4個Z方向調(diào)整油缸萬向球鉸落至底座板支撐模塊V型槽。圖10 b)為軌道板空間位置測量、精調(diào)階段。現(xiàn)場對精調(diào)時間進(jìn)行了統(tǒng)計，從精調(diào)裝置Z方向調(diào)整油缸萬向球鉸落至底座板支撐模塊V型槽開始至軌道板完全精調(diào)完畢共計25 min。軌道板精調(diào)完成后測量了灌漿過程中軌道板的翹曲情況，軌道板最大翹曲量為1.6 mm，小于以往灌漿過程中軌道板翹曲量5.0 mm。通過測量精調(diào)結(jié)果，調(diào)整板與相鄰板承軌臺頂面相對高差為1.0 mm，滿足《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》要求。

5 結(jié)語

本文研究的無砟軌道板精調(diào)裝置，通過預(yù)先測量新?lián)Q軌道板上的測量點空間坐標(biāo)和相鄰軌道板及底座板上的基準(zhǔn)點的空間坐標(biāo)，并通過控制程序計算出對應(yīng)液壓油缸的推進(jìn)行程，進(jìn)而利用液壓控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)部分實現(xiàn)軌道板精調(diào)，為高速鐵路天窗點內(nèi)軌道板精調(diào)提供了設(shè)備支持。通過對軌道板精調(diào)裝置的研究和現(xiàn)場應(yīng)用，該裝置主要具有以下特點：

1) 軌道板精調(diào)裝置利用液壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)了軌道板精調(diào)的自動化。在現(xiàn)場實際工程使用中，軌道板精調(diào)裝置可在25 min內(nèi)完成軌道板的精調(diào)。

2) 軌道板精調(diào)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠。無論是吊裝還是精調(diào)均能夠滿足設(shè)計要求；精調(diào)過程中，回轉(zhuǎn)調(diào)整模塊與軌道板連接形成一個剛性整體，增加了軌道板的剛性，減少了注漿過程中軌道板的翹曲變形。

通過對軌道板精調(diào)裝置現(xiàn)場使用情況的分析和總結(jié)，該裝置還存在可升級和優(yōu)化的地方，可進(jìn)一步提高精調(diào)效率。