高速鐵路軌道板先張預應力同步放張器的研究

宋海磊，吳元文，2*，王進戈 ，王紅亮,毛 勁,馮衛東

(1．西華大學機械工程與自動化學院，四川 成都 610039；2．宜賓普什集團有限公司 ，四川 宜賓 644007；3.中鐵二十三局集團有限公司，四川 成都 610072)

隨著高速鐵路在中國的快速發展，中國研發了具有自主知識產權的新CRTSIII軌道板。中鐵二十三局根據鐵道部項目要求，提出后張結構先張工藝、同步張拉同步放張的理念，而目前世界上尚未解決先張法預應力鋼筋同步放張的施工難題；因此，需要設計能夠實現同步卸荷的同步放張器。高速鐵路軌道板先張預應力同步放張器是中鐵二十三局承擔的高速鐵路先張軌道板關鍵技術研究項目中的關鍵放張器。

本文研究的氣液聯動自動同步放張器是根據鐵道部試驗項目要求設計的新產品。該產品能夠解決軌道板制作過程中先張鋼筋不同步卸荷的難題，保證了各張拉鋼筋同時放張且放張速度無級可調，這不僅提高了效率，也減輕了現場工人的勞動強度。

1 同步放張器工作原理

高速鐵路新CRTSIII軌道板按先張法制作時鋼筋上要承受80 kN的預拉力，而2根鋼筋的距離僅有54 mm，空間狹小，軌道板生產車間的環境惡劣；因此，采用氣液聯合控制來完成放張。采用同一空氣壓縮機通入的氣源，能夠保證各個放張器同時開啟，達到先張預應力同步卸荷[1]的目的。工作原理簡圖如圖1所示。

1—缸蓋；2—氣缸活塞；3—中活塞；4—油缸活塞；5—單向閥小球；6—彈簧；7—缸筒；8—連接頭。

圖1 放張器工作原理圖

氣液聯動自動同步放張器利用液壓油缸內的封閉液壓油來承受鋼筋80 kN的拉力，放張時高壓氣推動空氣腔的活塞2使其頂開單向閥小球5，高壓油流出卸荷，液壓腔活塞4軸向移動完成放張。之后，油腔活塞4受到壓縮彈簧6的推力而自動復位，完成一個工作循環。多個放張器在同時通氣時同步開啟，完成所有鋼筋的放張器同步放張的功能[2]。

液壓油的不可壓縮性保證了其受力時極小的變形。連通管道內氣體壓強處處相等保證了多個放張器在與氣源相接時氣壓相等，放張器能夠同步開啟，達到同步卸荷。液壓油通過較小的細孔流過，小孔的直徑改變，可以保證卸荷速度可以調節，避免瞬間卸荷造成對混凝土構件的沖擊，影響軌道板強度。

2 整體設計

2.1 油缸活塞桿的設計

放張器用在較小的空間中不能超過54 mm，其缸體及活塞桿在滿足強度要求及安全系數的情況下，尺寸要盡可能的??；因此，選取強度較高的合金鋼[3]。

活塞桿的直徑應滿足

(1)

式中：d為活塞桿直徑，mm；F為活塞桿所受的拉力，N。活塞桿內要鉆孔放單向閥小球，因此選定活塞桿的直徑為15 mm，以保證強度。

2.2 缸筒的設計及驗算

缸筒的外徑要小于54 mm，同時要保證缸筒壁有足夠的強度；因此，內徑初步選定為35 mm。油腔內的壓力

(2)

式中：p為缸筒內油壓的最大工作壓力，MPa；F為缸筒所承受的最大拉力，N；D為缸筒的內徑，m；d為活塞桿直徑，mm。按38CrMoAl材料的力學性能參數和靜載荷計算，安全系數n=3。計算的缸筒厚度最小值為7.746 9 mm，選取壁厚8 mm滿足要求。

缸筒底部為平面，其厚度為σ1，按照四周嵌住的圓盤強度公式對缸筒底部厚度進行近似計算

(3)

式中：σ1為缸筒底部厚度，m；p為缸筒內油壓的最大工作壓力，MPa；σp為筒底部材料許用應力，Mpa。由式(3)可知，只要缸筒底部的厚度大于8.3 mm即可，故選取13 mm。

由于工作時為高壓狀態，為保證工作安全，額定壓力必須要小于一定極限值，因此，應對額定壓力進行驗算

(4)

式中：σs為材料的屈服點，MPa；D為缸筒的內徑，mm；D1為缸筒的外直徑，mm。額定壓力必須在塑性變形的范圍內，要與完全的塑性變形壓力有一定的關系從而避免發生塑性變形，保證缸筒能夠在安全范圍內工作[4]。

PN≤(0.35～0.42)prlPN≤111.82 MPa

(5)

式中：prl為缸筒發生安全塑性變形的壓力，MPa，prl≤2.3σslg(D1/D)。其設計效果，如圖2所示。

1—缸蓋；2—氣缸活塞；3—中活塞；4—油缸活塞；5—油缸彈簧；6—缸筒；7—連接頭。

圖2 放張器設計效果圖

為確保徑向變形在允許的范圍內，應對缸筒的徑向變形進行驗算

(6)

式中：D為缸筒內徑，mm；D1為缸筒的外直徑，mm；υ為缸筒材料泊松比，υ=0.3。計算變形量為53.385 μm。變形量在密封圈的允許范圍內不會出現油液泄漏，能夠保證密封性。

為保證絕對的安全，需要對缸筒的爆裂壓力PE進行驗算

(7)

式中：σb為缸筒材料的抗拉強度，MPa；D為缸筒的內徑，mm；D1為缸筒的外直徑，mm。只要使用時壓力小于pE就不會發生爆裂。設計的油腔內的壓力最大為102 MPa，遠小于pE(376.05 MPa)，故絕對安全，不會發生爆裂。

2.3 整體密封的設計

在活塞桿承受80 kN的軸向拉力后，油腔內的液壓油達到102 MPa，超高壓對密封的相對難度增加[5]。

在超高壓時，O型密封圈所受到的壓力很大，產生的擠壓變形較大。為減輕變形后磨損，需要在密封圈的非承壓側加單邊的擋圈，以免密封圈變形后被擠進缸筒和活塞的間隙中。

高壓密封圈選擇的是全氟橡膠自制專用的O型圈，以減小密封圈在受到高壓時的變形。上面計算的徑向變形量在密封圈的變形范圍內，能夠滿足密封性要求。

2.4 所需氣壓計算

卸荷時空氣腔活塞桿推力打開單向閥，氣壓對氣缸活塞的推力要大于或等于單向閥小球受到的力[6]。

推力及空氣腔活塞所受到的力與有效面積有關。有效面積S就是氣缸內徑D的面積，與活塞的面積相等

(8)

氣腔活塞所受到的力跟活塞所接觸的零件摩擦力有關[7]。氣腔大活塞與缸筒接觸存在摩擦力F1，經過多次試驗調節為136.1 N；大活塞與中間活塞接觸存在摩擦力F2，經試驗調節為90.1 N；開啟單向閥需要與鋼珠接觸，受到彈簧彈力F3，設定為7.75 N；高壓的油液形成對小鋼珠的推力F4，為

F4=pS=628.07 N

(9)

各力的合力F為832 N，因此需要氣壓為0.86 MPa。壓縮空氣的壓力達到0.87MPa以上時就能夠保證所有放張器開啟，使鋼筋預應力同步放張。

最后，為增加強度以及防止裝置在潮濕工作環境中工作時出現銹蝕現象，還應對零件進行防銹處理[8]。

3 活塞桿有限元分析

在整個裝置的所有零件中，油缸活塞桿受到的力最大且中部還有鉆孔，是最關鍵零件；因此只要它能滿足強度要求，其他零件也都能滿足要求。油缸活塞桿的分析圖，如圖3所示。

圖3 活塞桿的受力變形位移圖

由圖可知：活塞桿受力時產生變形，最大位移為0.12 mm，能夠滿足設計要求；活塞桿在突變處會產生應力集中，但局部小范圍的較大應力集中不影響零件整體性能強度。

4 拉伸試驗

在完成零件裝配后，為確保放張器能夠實現其功能，對放張器進行拉伸試驗。零件拉伸曲線，如圖4所示。

圖4 拉伸試驗的拉斷曲線圖

由圖可知，裝置密封較好，沒有出現泄漏情況，中間平緩段為油液變形。拉伸試驗結果與軟件分析得到的變形量基本一致，能夠實現相應的功能，設計是合理的。在拉伸機的拉伸試驗中，拉斷時受力121 kN，遠大于設計要求的80 kN，因此設計符號安全規定。

經過設計及驗證后的放張器在齊齊哈爾嚴寒條件下使用，能夠達到所有鋼筋同步放張的要求，實現了設計功能。圖5為在齊齊哈爾軌道板廠的試驗現場圖。

圖5 齊齊哈爾軌道板廠連接實用圖

5 結論

本文介紹了一種高速鐵路先張軌道板鋼筋預應力同步放張器。其結構巧妙，體積較小，能夠實現各種場合先張鋼筋預應力的放張，且已成功運用在高速鐵路新CRTSIII軌道板先張法的生產過程中。該產品為我國高速鐵路新CRTSIII軌道板采用先張工藝的技術改造提供理論參考，具有一定的實用意義。

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