CRTSⅢ道板模具設計與檢測技術研究

于建軍,肖 宏

于建軍1,肖 宏2

(1.中鐵九局集團有限公司科技處,沈陽 110013;2.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044)

軌道板模具是CRTSIII型無砟軌道板預制中的關鍵設備之一,模具的設計直接影響到高速鐵路建設的平順性與穩定性。結合盤營客運專線施工,介紹軌道板模具的設計要點,其中包括模具的組成及其各構件的結構形式。對CRTSIII型無砟軌道板的檢測技術進行系統研究,并用ABAQUS軟件對軌道板模具及基礎進行強度和變形分析,確保模具的使用精度。

CRTSIII型無砟軌道板;模具;設計;檢測

1 概述

隨著我國高速鐵路的建設及開通運營,我國已基本掌握了CRTSⅠ型、CRTSⅡ型無砟軌道板的模具設計及檢測技術。CRTSⅢ型無砟軌道板是與Ⅰ型、Ⅱ型不同的一種軌道板,這決定了其不同的模具[1-2]。盤營客運專線是我國首次在300～350 km/h高速鐵路上鋪設CRTSⅢ板式無砟軌道的線路[3]。主要對比分析CRTSⅠ型、Ⅱ型模具的設計及檢測技術,在此基礎上研究CRTSⅢ無砟軌道板的模具設計和模具檢測技術,為形成我國具有完全自主知識產權的無砟軌道板制造技術提供有力支撐。

2 CRTSⅢ模具基礎設計及檢測

2.1 模具基礎設計

要想保證模具的性能穩定、尺寸精確,首先應有一個穩定、牢固的基礎。經綜合對比分析,中鐵九局燈塔軌道板預制場模具基礎采用:底部為片石混凝土,上部為鋼筋混凝土,與模具的橫向鋼梁下模具基座連接處為鋼筋混凝土柱,頂部為預埋鋼板和預埋連接模具的鋼筋。該基礎的優點是既能滿足承載力要求,又減少了混凝土的用量,減輕了自重[4-6]。如圖1～圖3所示。

圖1 P5600型模具基礎平面(單位:mm)

圖2 P5600型模具基礎立面(單位:mm)

2.2 基礎的受力檢算

圖3 P5600型模具基礎剖面(單位:mm)

基礎施工前應進行地基承載力檢算,一般地基應滿足承受基礎(片石混凝土、鋼筋混凝土)、模具、混凝土軌道板等共同作用,如下式所示[7-12]。

為了有效避免因基礎的不均勻沉降引起的模具變形,本板場的軌道板模具基礎采用了單元整體式的基礎[9-10]。

下面以P5600型模具基礎為例,計算地基承載力。

經計算可以看出,P5600型模具地基承載力滿足要求。同理可算出其他型號地基承載力均滿足要求。

2.3 基礎的沉降觀測

為防止模具基礎各個支撐點之間的不均勻下沉,需進行模具基礎各個支撐點的沉降觀測。

基礎制作完成之后,每月使用水準儀對支撐點進行測量,進而觀測支撐點的沉降情況,避免因其不均勻下沉引起軌道板模具變形。

3 CRTSⅢ軌道板模具設計

CRTSⅢ型軌道板模具由底模、側模和端模組成。本節主要分析CRTSⅢ型板模具中關鍵部件的設計,包括底模、側模、端模等的設計。

3.1 底模

模具底模主要由基座、底板、承軌槽、套管定位栓、振動器、灌注孔定位栓等組成。如圖4所示。

(1)基座

圖4 P5600模具平面(單位:mm)

模具通過底模下的8條基座支承模具?；▋蓚€中間連接橡膠墊層的工字鋼(圖5),上面工字鋼連接模具底板,下面工字鋼與模具基礎連接,為可調式減振座,浮動連接,內設橡膠墊為減振墊,防止生產時產生的振動力損壞混凝土基礎,或引起模具損傷。

圖5 模具基座

底板框架采用工字鋼及鋼板拼焊而成,制作時嚴格控制焊縫質量。面板厚度為30 mm鋼板、承軌臺部分鑲嵌有40 mm厚鋼板,內部結構采用型鋼拼焊,形成框架結構,使得模具具有足夠的強度、剛度及穩定性。采用此結構底模剛性好、質量小、不易變形,可大大提高模具的使用壽命,確保加工后軌道板各部形狀、尺寸及預埋件的位置準確。底模與側模連接處設有凹槽,用橡膠條進行防漏漿處理。

模具底模面板使用整塊無氧化皮的鋼板制造,底模在所有附件焊接完成校平后,電爐退火,數控加工中心加工,保證底模經機械加工后模具表面平整度在5.6 m范圍內±0.5 mm,面板厚度不小于20 mm,承軌臺模連接部分鋼板厚度不小于15 mm。且面板上刻劃有板中心線及軌距中心標記線,標記線位置偏差在±0.1 mm范圍內。

(2)承軌槽

承軌槽(圖6)是保證軌道板承軌臺精度的關鍵部分,承軌槽的精密度決定著軌道的軌距等重要指標,對軌道的平順性、耐久性均具有十分重要的作用,因此不論是從材料選用、加工,還是安裝均必須嚴格進行,以防使用中發生變形。

圖6 模具承軌槽裝配圖(單位:mm)

材料遴選鑄鋼精密鑄造,并經完全退火,消除應力。經數控機床加工承軌臺各安裝面、承軌面鉗口及預埋套管定位銷安裝孔等。承軌槽制作要求具較高的精密度,腔型采用數控加工,制作專用檢具檢測其加工精度。通過多個螺栓牢牢固定在底模上,振搗不變形。若承軌槽和底板上加工難度系數大,采用裝配式承軌槽,可有效保證每個承軌槽組裝之后模具合格。

(3)預埋套管定位栓

固定裝置采用2種方式,一種是漲緊式(圖7),另一種是螺紋連接——撥叉鎖定式(圖8)。漲緊式是通過螺栓將預埋套管定位栓固定在模具承軌槽上,外露部分有鋼制滾花和防止進漿的橡膠圈,優點是安裝套管方便,且拆模時可直接將軌道板頂起,減少了拆卸定位栓的工序,方便、快捷。預埋螺帽定位支架底部為限位底座,中部為脹緊橡膠圈,上部為起限位作用的螺母,預埋螺帽靠底部定位座和上部限位螺母限位,保證精度;靠中部的橡膠圈對預埋螺帽進行脹緊。

圖7 漲緊式定位栓安裝圖(單位:mm)

預埋套管固定機構要求安裝預埋套管時,在保證套管與承軌臺垂直度的同時,與底?？p隙＜0.2 mm。而對混凝土振搗時套管如不鎖緊,會產生上浮間隙,控制難度很大。設計采用脹套固定圓柱定位,脹套材料采用彈簧鋼淬火熱處理,保證足夠而持久的脹緊力,解決了套管上浮問題。同時采用上下雙圓柱定位,保證了安裝垂直度。該機構僅需1人就可以在幾秒完成1個套管的安裝固定,同時保證了套管安裝質量。并可通過對上部螺母的調整,調節橡膠圈的脹緊力的大小,可適應預埋螺帽的內徑尺寸偏差,對螺帽起到很好的限位作用。由于橡膠圈的彈性作用,螺帽大些、小些都能很好地固定,解決了螺帽尺寸不一致而使螺帽定位固定效果不好的問題。

圖8 螺紋連接-撥叉式鎖定式定位栓(單位:mm)

采用此種方式固定的預埋套管在安裝時把套管安裝在定位栓上(圖8),用0.2 mm的塞尺進行檢查,套管與底面縫隙不大于0.2 mm。拆模頂升軌道板時,直接頂升軌道板,由于定位栓有橡膠圈,既能有效保護套管不被定位栓損傷,又能保護定位栓在頂升時不會被套管頂歪斜。能有效減少不必要的工作量,降低模具的占用周期,提高工效。

螺紋連接-撥叉式鎖定式定位心栓與承軌臺模的配合面為1∶30的圓錐面,可以解決頂升軌道板時由于承軌槽1/40坡度的脫模阻力。同時承軌臺模加導向管脫模時壓緊彈簧等被卡的問題。

將預埋套管旋進定位栓內,安裝到位后旋上螺旋筋,放入承軌槽定位孔內,旋緊定位夾,即將套管進行固定在模具上。拆模頂升軌道板時,通過撥叉先松開固定螺桿,固定螺桿隨軌道板同時脫開底模,再拆除固定螺桿。由于固定螺桿在設計時已考慮承軌臺的軌底坡的角度限制因素,所以軌道板脫模時不受影響。這種結構能杜絕套管上浮,固定螺桿的密封又避免了套管進漿。

(4)振動器

模具采用底模側部安裝附著式高頻振動器。按型號不同安裝不同數量的振動器。P5600型模具設置8臺振動器,每臺振動器作用半徑為1.5 m(圖9),8臺共同作用能確保無漏振現象。振動器布置在底模主橫梁端部,通過加強筋板合理焊接,保證頻繁振動的牢固性及振動力的傳遞。振動器的啟動用控制柜進行自動控制,振動頻率和時間長短可以通過設置進行調節。

圖9 P5600型振動器安裝傳導示意(單位:m)

振動器各項參數見表1。振動器在混凝土澆筑一半時開始啟動,當混凝土表面有泛漿現象,且不再下沉,即可停止振動,一般時間為2 min。振動器的啟動與關閉均由振搗控制柜進行。

表1 振動器各項參數

(5)灌注孔成孔器

灌注孔成孔器采用鋼制機械加工而成,呈圓錐形,中間預留φ20 mm的孔,直徑大的一端緊貼模具,通過1根螺栓和模具固定,為防止在拆除成孔器時破壞灌注孔周邊混凝土,在成孔器和模具之間用5 mm的橡膠板加墊。

3.2 端模、側模

模型側模及端模均采用鋼板拼焊而成,面板采用Q235B鋼板拼焊而成,并經機械加工,倒角均設在側模及端模面板上。模具側模上部筋板上預留有加裝支撐時的螺栓過孔,并且均對應配有張拉錨穴預埋錐體及其它預埋件定位裝置或定位孔。

側模及端模通過直線軸承平移機構與底模完成開合模動作(開合尺寸150～300 mm),通過錐形定位銷與底模進行定位,通過螺桿與底模進行拉緊。側模與底模、端模與底模之間采用直線軸承平移機構相連接,直線軸承平移機構配合精度高,在模具側、端模開合動作時不會產生與底模相對錯位,保證了側、端模開合動作時與底模的精確配合。上述結構使模具側模及端模的開合過程非常簡單、輕便,能確保2人在5 min內完成拆?；蚝夏９ぷ鳌?/p>

軌道板端板、側板接縫處采用45°對稱直角?；蚧〗悄?消除端、側板脫模時的咬邊、卡滯現象,降低端板和側板脫模阻力。側板、端板側裝于底座上,其下部設有導向及定位裝置,能輕松實現開模、合模動作并準確復位。定位裝置內部設有自動脫模裝置,配合先脫錨方式,松開緊固螺栓后側板、端板與制件自動分離,脫模順暢、方便、可靠。

4 模具有限元分析

模具有限元分析所采用的荷載與實際情況相同,主要考慮模板自重、混凝土與鋼筋重量、振搗設備及產生的動荷載、其他附加力等。最不利載荷工況為全部混凝土澆筑完畢,振搗設備仍在振搗。

(1)模具基礎分析

如圖10所示,模具基礎的最大應力出現在工字鋼支腿位置,最大為6.84 MPa,遠低于Q235B鋼材的抗拉強度;圖11所示為模具基礎的豎向位移最大為1.33 mm,出現在中間兩個工字鋼支腿處。

(2)模具分析

圖10 模具基礎等效應力云圖

圖11 模具基礎豎向位移云圖

模具的受力情況較為復雜,在重力、等效壓力和激振力的作用下,模具的等效應力如圖12所示。模具最大等效應力為6.188 MPa,出現在側模上部,底模的等效應力較為均衡,遠低于Q235B的抗拉強度,無明顯應力集中部位?？梢?模具的設計合理,強度符合要求。

圖12 模具等效應力云圖

模具在荷載作用下的最大豎向位移為1.49 mm,最大位移出現在模具底板中部(圖13),滿足《盤營客運專線CRTSⅢ型板式無砟軌道混凝土軌道板暫行技術要求》的規定,CRTSⅢ型軌道板成品板的變形要求允許偏差為±3 mm,因此,在最不利的組合荷載作用下,模具的變形應控制在軌道板成品板變形值的1/ 2范圍左右,故模板的變形范圍為1.5～2 mm。經過分析計算可知,模具的最大豎向位移為1.49 mm,小于模具所允許的最大變形量,說明該模具的變形量是符合軌道板預制要求的。

圖13 模具豎向位移云圖

5 結論

在進行系統研究的基礎上,研制了CRTSⅢ型軌道板生產模具。對該模具進行簡單的拆裝能實現盤營客運專線3種不同型號無砟軌道板的制造,經濟性優越;對側模及端模通過直線軸承平移機構與底模完成開合模動作,實現了2人5 min快速的拆模、合模工作,大大提高了功效。利用ABAQUS軟件對模具和基礎進行應力、位移分析,結果表明,模具基礎強度、位移滿足要求;模具設計合理,強度和變形量均符合要求。

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[3] 鐵道部工程管理中心.盤營客專CRTSⅢ型板式無砟軌道混凝土軌道板暫行技術要求[S].北京:鐵道部工程管理中心,2011.

[4] 魯寧生,王紅亮.高速鐵路CRTSⅢ型無砟軌道板鋼模系統設計與應用[J].鐵道建筑,2012(5):158-161.

[5] 王浩.CRTSⅡ型軌道板場的設備配置研究[J].鐵道標準設計, 2012(7):5-8,12.

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[9] 趙秀麗.CRTSⅡ型軌道板預制生產關鍵技術[J].鐵道建筑, 2011(7):118-120.

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[11]趙秀麗.CRTSⅡ型軌道板高性能混凝土性能試驗研究[J].混凝土世界,2011(5):80-84.

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Mould Design and Detection Technique for CRTS-III Track Slab

YU Jian-jun1,XIAO Hong2
(1.Science and Technology Department,China Railway No.9 Group,Shenyang110013,China; 2.School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

Mould of track slab is one of the key equipments in the process of prefabricating the CRTS-III track slab,and mould design will directly affect track regularity and stability of high-speed railway.This paper,in combination with the construction of Panjin-Yingkou railway passenger dedicated line, introduced the design keystones of track slab mould,including the components of the mould,the structure of every component.In addition,this paper studied the detection technology of CRTS-III ballastless track slab systematically,and then analyzed the strength and deformation of track slab mould and its foundation by using the ABAQUS software so as to ensure the precision of the mould.

CRTS-III ballastless track slab;mould;design;detection

U213.2+44

B

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.007

1004-2954(2014)04-0028-05

2013-05-16;

2013-08-28

北京市科技新星計劃(Z12111000250000);客運專線(350 km/h)CRTSⅢ型無砟軌道混凝土軌道板預制施工綜合技術研究(C12L00990)

于建軍(1971—),男,教授級高級工程師,博士研究生, 1994年畢業于西南交通大學土木工程專業,工學學士;2003年畢業于西南交通大學,工學碩士。