無砟軌道智能振搗設(shè)備研究及應(yīng)用

盧定遠(yuǎn)

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

1 引言

國家“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]。近年來高速鐵路快速發(fā)展，無砟軌道已取代傳統(tǒng)有砟軌道的主導(dǎo)地位，隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、國民對高速鐵路需求增大及高速鐵路的高質(zhì)量持續(xù)發(fā)展，無砟軌道施工智能化和產(chǎn)業(yè)化必將迎來進(jìn)一步的推廣與大力支持[2]。

無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題，以致無法保障振搗質(zhì)量及效率。

本文以實際工程為依托，研究一種用于無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。從多功能、智能化機(jī)械設(shè)備方向解決人工振搗及簡易振搗裝置高成本、低效率問題。

2 項目工程概況

渝昆高速鐵路全長699 km，速度為350 km/h。做為國家“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，同時也是國家高速鐵路健全完善規(guī)劃中不可或缺的部分。施工過程曲線段鐵路干線大量增加，必然會增加無砟軌道施工難度。本著高效率、高質(zhì)量混凝土振搗理念，研制無砟軌道混凝土智能振搗設(shè)備，在消除對軌排不利因素前提下，實現(xiàn)高效率、低成本、高質(zhì)量的智能振搗。

3 無砟軌道智能振搗設(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 無砟軌道智能振搗設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

無砟軌道智能振搗設(shè)備主要用于高鐵線路雙塊式無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，不僅滿足實際工況強(qiáng)度與剛度要求，同時還符合輕量化設(shè)計理念，以減少振搗施工過程中對軌排的不利影響。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，極大提高了實用性。無砟軌道智能振搗設(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，以實現(xiàn)智能振搗設(shè)備的輕量化且可有效避免焊接缺陷、無法正常焊接等問題，同時在一定程度上可有效將振搗施工對軌排沖擊的不利影響降至最低。行走裝置由兩組主動行走機(jī)構(gòu)及兩組從動行走機(jī)構(gòu)組成，軌輪式走行結(jié)構(gòu)裝配于機(jī)架底部。兩組主動行走機(jī)構(gòu)分別由變頻電機(jī)驅(qū)動，實現(xiàn)通過調(diào)整走行速度來調(diào)控混凝土振搗質(zhì)量的目的。振搗系統(tǒng)主要由振動電機(jī)、振搗棒、減振器及升降扁擔(dān)梁組成。振動電機(jī)用來驅(qū)動振搗棒進(jìn)行振搗，每根振搗棒配一臺振動電機(jī)，每臺振動電機(jī)與水平面呈45°夾角安裝于機(jī)架上，在振動電機(jī)安裝板與機(jī)架之間裝配減振器，以降低振搗過程驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生的振動對軌排的不利影響。振搗棒并排間隔安裝在扁擔(dān)梁上，既可通過同步振搗以實現(xiàn)混凝土振搗的均勻同步性，也可根據(jù)實際工況要求，單獨控制一根或者幾根振搗棒進(jìn)行振搗施工，同時還可實現(xiàn)斜插式振搗。升降系統(tǒng)采用鏈傳動柔性升降，分別安裝于機(jī)架兩側(cè)，主要由升降減速電機(jī)、傳動軸、主動鏈輪、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)動兩側(cè)主動鏈輪，利用鏈條帶動扁擔(dān)梁運動，通過升降減速電機(jī)正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)扁擔(dān)梁的升降，上升時鏈條拉緊向上提升，下降時鏈條放松，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，可實現(xiàn)“自動”和“手動”兩種振搗工作模式。“自動”控制模式是指升降和振搗過程完全通過PLC控制，即無砟軌道智能振搗設(shè)備從振搗棒下降、上升及整個設(shè)備走行的每個工作循環(huán)完全按照提前設(shè)定好的數(shù)據(jù)完成。“手動”控制模式是指使用遙控器進(jìn)行控制，即無砟軌道智能振搗設(shè)備工作循環(huán)中的每個動作均通過操作人員把控完成；同時可通過調(diào)節(jié)PLC內(nèi)部程序、變頻器、升降限位等實現(xiàn)控制智能振搗設(shè)備走行速度、振搗速度、振搗深度、振搗時間等參數(shù)[10-12]，從而實現(xiàn)不同坍落度混凝土的密實性。

4 無砟軌道智能振搗設(shè)備工作原理及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 無砟軌道智能振搗設(shè)備工作原理

無砟軌道智能振搗設(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)動軌輪式，走行電機(jī)通過變頻器控制，走行速度可調(diào)，走行到位停機(jī)方式可為“手動”模式下的操作人員目測控制停機(jī)或“自動”模式下編碼器計數(shù)控制停機(jī)。走行機(jī)構(gòu)驅(qū)動整機(jī)每次步進(jìn)一個軌枕間距，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)動的鏈傳動提升裝置，利用電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制鏈條帶動安裝于扁擔(dān)梁上的振搗棒上升或下降，實現(xiàn)振搗棒在混凝土中插入和拔出功能，同時還能夠調(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，振搗棒通過振搗電機(jī)驅(qū)動且在升降系統(tǒng)控制下，完成混凝土振搗動作，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程中對軌排的影響，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)的動作。振搗時間通過編程控制，針對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振現(xiàn)象。

在施工過程中，無砟軌道智能振搗設(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、振動頻率等參數(shù)。混凝土澆筑完成后，啟動振搗車走行系統(tǒng)，整機(jī)前進(jìn)一個軌枕間距(此時振搗棒位于前后軌枕中間位置)，啟動升降系統(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)一個軌枕間距，進(jìn)行下一個工作循環(huán)。

4.2 無砟軌道智能振搗設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

無砟軌道智能振搗設(shè)備機(jī)架輕，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度滿足實際工況需求，保證實現(xiàn)對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，同時可根據(jù)曲線段混凝土不同坍落度，單獨控制單根或者幾根振搗棒進(jìn)行混凝土振搗，以實現(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，有效降低了振搗過程振動對軌排的不利影響及對設(shè)備本身的影響，對于施工質(zhì)量及設(shè)備長久使用具有較深意義。

使用無砟軌道智能振搗設(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題。現(xiàn)場施工如圖3所示。

6 結(jié)論

為解決無砟軌道混凝土人工振搗效率低、質(zhì)量差、成本高等問題，本文結(jié)合實際工程項目，研制了無砟軌道智能振搗設(shè)備，能實現(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程中對軌排的不利影響。

(2)無砟軌道智能振搗設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計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。