摘要：針對(duì)高速鐵路CRTSⅢ型板流水機(jī)組先張施工技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套車載型預(yù)應(yīng)力筋自動(dòng)張拉機(jī)，其主要包括行車系統(tǒng)、滑動(dòng)架、液壓系統(tǒng)以及張拉臺(tái)等結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)整不同輸入電壓，控制系統(tǒng)最終穩(wěn)定的拉力輸入值為80kN，此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電壓為13.92V，張拉機(jī)的輸出拉力上升速率為14.36kN/s，相對(duì)超調(diào)量為4.9%，均滿足設(shè)計(jì)要求。由此表明張拉機(jī)各項(xiàng)性能較佳，可在CRTSIII型無(wú)砟軌道生產(chǎn)中推廣運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；CRTSIII型無(wú)砟軌道；張拉機(jī)；先張法；試驗(yàn)

近些年來(lái)，我國(guó)的高速鐵路技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，方便了人們的出行，同時(shí)也促進(jìn)了各地區(qū)間的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。與有砟軌道相比，板式無(wú)砟軌道具有穩(wěn)定性好、維修工作量小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為高速鐵路軌道的主要結(jié)構(gòu)形式[1-2]。無(wú)砟軌道目前已先后歷經(jīng)了三代，最早的CRTSI型板式無(wú)砟軌道起源于日本，隨后德國(guó)研究出CRTSII型博格板式無(wú)砟軌道，而CRTSIII型無(wú)砟軌道是我國(guó)自主研發(fā)的新型軌道板。在軌道板臺(tái)座法、流水機(jī)組法以及傳送帶法生產(chǎn)工藝下，其具有生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高等諸多優(yōu)勢(shì)，已近乎實(shí)現(xiàn)全部工藝設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化[3-4]。由于采用先張工藝生產(chǎn)的無(wú)砟軌道，在各項(xiàng)性能方面均優(yōu)于后張法，因此在實(shí)際工程中先張應(yīng)力無(wú)砟軌道板施工成為最常用的施工工藝[5-8]。張拉機(jī)是實(shí)現(xiàn)先張法施工的重要一環(huán)，其工作性能關(guān)系著無(wú)砟軌道施工質(zhì)量的好壞。目前，已有部分學(xué)者關(guān)于張拉機(jī)做了專項(xiàng)研究[9-10]，但針對(duì)CRTSIII型無(wú)砟軌道張拉機(jī)的設(shè)計(jì)還比較少見(jiàn)，本文開(kāi)展了高速鐵路CRTSIII型無(wú)砟軌道張拉機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究，以期能為CRTSIII型無(wú)砟軌道先張工藝的成套設(shè)備設(shè)計(jì)提供參考。

1先張法施工工藝優(yōu)點(diǎn)

眾多研究成果表明，當(dāng)軌道板中的橫、縱向鋼筋所受預(yù)應(yīng)力在80kN左右，且加載速率小于20kN/s時(shí)，軌道板的使用壽命將得到明顯提升，并大大減少裂紋度。給軌道鋼筋進(jìn)行張拉有先張法和后張法2種。先張法是使鋼筋先承受一定大小的預(yù)應(yīng)力，然后再進(jìn)行混凝土澆筑。后張法是先進(jìn)行澆筑混凝土，待軌道板成型后，再進(jìn)行鋼筋張拉施工。與后張法相比，先張法施工具有如下優(yōu)勢(shì)：通過(guò)預(yù)張拉，可以對(duì)軌道板的電氣性能起到改善作用；預(yù)應(yīng)力損失比例小，且軌道板的整體受力更加均勻；先張法的橫向和縱向鋼筋采用對(duì)稱配制，有利于減小軌道板翹曲發(fā)生的幾率；可以保證鋼筋與混凝土之間的有效黏結(jié)和包裹，克服鋼筋易氧化的缺陷，充分發(fā)揮鋼筋的剛韌彈塑性能；生產(chǎn)工序少，生產(chǎn)效率高，施工方便，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。先張法和后張法軌道板施工工藝對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

2張拉機(jī)整體結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單個(gè)CRTSIII型軌道板長(zhǎng)×寬×厚為5.58m×2.48m×0.16m，橫向布置24根鋼筋，縱向布置2層共16根鋼筋。自動(dòng)張拉機(jī)設(shè)計(jì)需具有如下功能：張拉臺(tái)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)高度和位置，以完成對(duì)不同鋼筋的張拉施工；張拉臺(tái)在垂直框架梁方向具有移動(dòng)功能，以保證張拉桿和螺母可以順利進(jìn)入六角桿的內(nèi)孔之中，從而使螺紋套和連接桿可以順利連接；通過(guò)控制輸入比例壓力溢流閥的電流大小，對(duì)張拉機(jī)的張拉力進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)要保證張拉力基本呈線性增長(zhǎng)，且不超過(guò)規(guī)定的上限；張拉完成后，通過(guò)馬達(dá)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等帶動(dòng)螺母運(yùn)動(dòng)，起到自動(dòng)鎖緊功能，達(dá)到保持額定張拉力的效果。自動(dòng)張拉機(jī)采用液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，壓力參數(shù)是自動(dòng)張拉機(jī)的重要參數(shù)。電液比例閥具有性價(jià)比高、壓力流量可調(diào)節(jié)、抗污能力相對(duì)較強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，故設(shè)計(jì)中采用電液比例溢流閥來(lái)控制壓力。自動(dòng)張拉機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括車輪、車軸、車架、箱體、鎖緊馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、升降液壓缸、聯(lián)軸器、螺紋套、張拉臺(tái)、張拉臺(tái)基座、鏈輪、鏈輪軸、滑動(dòng)架、軸承等，自動(dòng)張拉機(jī)整體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。自動(dòng)張拉機(jī)實(shí)物圖如圖2所示。

2.2主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)工作壓力不宜過(guò)高，也不宜過(guò)低，由于張拉機(jī)屬于小型設(shè)備，故工作壓力選為15MPa。其中，執(zhí)行元件最大工作壓力為14.6MPa，管路壓力損失為0.4MPa。電動(dòng)機(jī)功率為1.25kW，取泵的效率為0.75，查閱相關(guān)手冊(cè)，選用Y112M-6型電動(dòng)機(jī)。旋合馬達(dá)型號(hào)為YM-A19B-JL，額定壓力大小為6MPa；鎖緊馬達(dá)型號(hào)為PJM6-400B，額定壓力為25MPa；行走馬達(dá)型號(hào)為BYM-80，最大工作壓力為12MPa。溢流閥額定流量為63L/min，額定壓力為16MPa。油箱有效容積為0.34m3，采用循環(huán)水強(qiáng)制冷卻方式。小齒輪齒數(shù)為17，采用45Mn淬火處理。大齒輪齒數(shù)為34，采用Q235焊后退火處理。采用No8A型鏈條。軸直徑為40mm（聯(lián)軸器），材料選擇45CrNi合金鋼。

3實(shí)驗(yàn)分析

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為了驗(yàn)證自動(dòng)張拉機(jī)的工作性能，在室內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備包括Y2-180-4型電動(dòng)機(jī)、PVS-46-A3-FR型液壓泵、DBETR-108/315型比例溢流閥、SY-YTFL-SA15型流量傳感器、SY-PG1205-40MPa-GB型壓力傳感器、VT-5003型比例放大器以及USB-4716型數(shù)據(jù)采集卡。

3.2實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)的主要目的，是通過(guò)比例溢流閥控制液壓缸來(lái)檢測(cè)自動(dòng)張拉機(jī)的輸出拉力。其實(shí)驗(yàn)原理如下：Y2-180-4型電動(dòng)機(jī)為PVS-46-A3-FR型液壓泵提供動(dòng)力，液壓泵在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下給系統(tǒng)提供持續(xù)不斷的液壓油。DBETR-108/315型溢流閥主要起保護(hù)液壓元件的作用，并控制系統(tǒng)壓力的增長(zhǎng)速率（在規(guī)定4～8s內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)要求值），同時(shí)保持拉力輸出時(shí)呈線性關(guān)系。SY-YTFL-SA15型流量傳感器主要是對(duì)液壓油流量起到監(jiān)控作用。SVT-5003型比例放大器能夠通過(guò)對(duì)輸入電壓（0～24V）進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)比例對(duì)溢流閥的輸入電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制整個(gè)系統(tǒng)的油壓大小，最終起到調(diào)節(jié)輸出拉力的作用。Y-PG1205-40MPa-GB型壓力傳感器是將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并通過(guò)USB-4716型數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)記錄，可得到壓力時(shí)程曲線。實(shí)驗(yàn)的最終目標(biāo)是保證張拉缸的輸出拉力上升速率不超過(guò)20kN/s，鋼筋所受的實(shí)際預(yù)應(yīng)力值與設(shè)計(jì)額定值（80kN）之間的絕對(duì)值不能超過(guò)額定拉力值的6%。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)比例放大器的輸入電壓值來(lái)不斷修正輸出拉力。首先，將輸出電壓設(shè)置為9V和18V，進(jìn)行初調(diào)測(cè)試，得到的壓力-時(shí)程曲線見(jiàn)圖3。從圖3中可以看到，當(dāng)輸入電壓為9V時(shí)，壓力值在0～6s內(nèi)近似呈線性增長(zhǎng)，在6s時(shí)達(dá)到壓力峰值6.45MPa；之后（6～9s）壓力值略有降低并呈動(dòng)態(tài)振蕩變化特征；當(dāng)時(shí)間超過(guò)9s后，壓力值基本達(dá)到穩(wěn)定值，穩(wěn)定的壓力值約為6.11MPa，壓力峰值與穩(wěn)定值之間相差0.34MPa，相對(duì)超調(diào)量?jī)H為5.6%。當(dāng)輸入電壓為18V時(shí)，壓力值在0～6s內(nèi)也近似呈線性增長(zhǎng)，在6s時(shí)達(dá)到壓力峰值22.9MPa；在6～9s時(shí)間內(nèi)，壓力值略有降低并也呈動(dòng)態(tài)振蕩變化特征；當(dāng)時(shí)間超過(guò)9s后，壓力值基本達(dá)到穩(wěn)定值，穩(wěn)定的壓力值約為22.05MPa，壓力峰值與穩(wěn)定值之間相差0.85MPa，相對(duì)超調(diào)量?jī)H為3.7%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：隨著輸出電壓的增大，系統(tǒng)控制的液壓油壓力值也越大；壓力線性增長(zhǎng)時(shí)間均在6s內(nèi)完成，壓力穩(wěn)定時(shí)間均在9s左右完成，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定值分別為6.45MPa和22.9MPa。而設(shè)計(jì)執(zhí)行元件最大工作壓力大小為14.6MPa，故可以預(yù)見(jiàn)，設(shè)計(jì)輸入電壓介于9～18V之間。采用上述方式，繼續(xù)對(duì)比例放大器的輸入電壓進(jìn)行不斷調(diào)節(jié)，經(jīng)多次調(diào)節(jié)后，最終確認(rèn)輸入電壓值為13.92MPa，其獲得的壓力-時(shí)程曲線見(jiàn)圖4。從圖4中可以看到：壓力-時(shí)程曲線在0~6s中呈線性增長(zhǎng)，最大值出現(xiàn)在6s處，壓力最大值為15.32MPa，穩(wěn)定值為14.6MPa，最大值與穩(wěn)定值之間相差0.72MPa，相對(duì)超調(diào)量為4.9%。將圖4中的壓力-時(shí)程曲線轉(zhuǎn)化為拉力-時(shí)程曲線，結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖4中可以看到：張拉機(jī)的實(shí)際輸出拉力值在前6s呈線性增長(zhǎng)，拉力上升幅度為14.36kN/s，小于設(shè)計(jì)要求的20kN/s的限值；拉力峰值為83.95kN，穩(wěn)定值為80kN，兩者相差3.95kN，相對(duì)超調(diào)量為4.9%，小于設(shè)計(jì)要求6%的限值。由此可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的張拉機(jī)在張拉作業(yè)中的各項(xiàng)參數(shù)均滿足相關(guān)要求，具有較好的工作性能。

4結(jié)論

先張法在高速鐵路CRTSIII型無(wú)砟軌道預(yù)應(yīng)力鋼筋施工中較為常用，具有抗裂性好、抗翹曲性佳、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)點(diǎn)。本文針對(duì)先張施工工藝，設(shè)計(jì)出一套以液壓系統(tǒng)控制的自動(dòng)張拉機(jī)，通過(guò)室內(nèi)性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，得到該款張拉機(jī)的輸出拉力上升速率為14.36kN/s，相對(duì)超調(diào)量為4.9%，均滿足不大于設(shè)計(jì)要求的20kN/s和6%，各項(xiàng)性能較佳，可在CRTSIII型無(wú)砟軌道生產(chǎn)中推廣使用。

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