專用軌道組裝及安裝的工裝設計

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 工程概況

低速磁浮試驗線位于上海市浦東臨港新城電氣集團基地內，總長1 705 m。其中包含R50 m、R70 m彎道以及7%坡度各一處。試驗線為單線，帶一處道岔，基本標高為7.45 m，坡度長度205 m，最大標高21.8 m。

軌排為安裝在軌道梁上的專用軌道（圖1），試驗線的列車將在其上運行。低速磁浮試驗線軌道梁上軌排的測量、安裝精度達0.1 mm，且均為工廠拼裝，現場精調，需要通過特殊工裝才能確保其精度；軌排Z向剛度相對較小，在運輸和吊裝過程中容易產生變形。

圖1 軌排示意

2 軌排工藝分析

2.1 工裝設計的必要性

1）軌排拼裝和安裝精度較高，軌距（1 900±1）mm、軌排上4個測量點的對角線（7.4 m左右）誤差±1 mm。軌排在梁上安裝誤差±2 mm、軌道接縫允許偏差±1 mm（橫向/豎向）。軌排由十幾種零件組成，結構尺寸大、質量較重。2根F板長10 m，高95 mm，剛度差，拼裝時必須放平才能調整和測量互相之間的尺寸（2根曲線F板拼裝要保證法線方向一致），為了保證軌距和對角線尺寸精度，軌排的組裝一般都在車間內進行，然后運輸到現場用吊車吊到軌道梁上安裝，這樣可以提高組裝件的質量，加快工程的進度。直接在軌道梁上組裝雖然可以節約運輸和吊裝的成本，但是在梁上缺乏操作空間，梁的表面平整度也將會影響組裝質量且不安全。所以需根據實際情況設計專用的拼裝臺，使其變形和平整度控制在規定范圍內，同時也完成各個零件的組裝和調整，以滿足拼裝需求。

2）軌排拼裝完后，要放在線路梁上就位，4個測量點（F板中心線與軌枕中心線的交點）上不能鉆孔裝棱鏡，必須設計棱鏡支架在測量點上方裝棱鏡。傳統的用鋼針在F板上畫線來確定中心位置的方法，不僅破壞了工作表面，而且精度低、勞動強度高，故不采用。要精確地模擬測量點中心位置并非易事，支架夾在軌枕上，由于軌枕制作誤差及螺孔間隙等，會造成模擬測量點與設計測量點偏移，故需采取措施進行補償。另外，軌距無法直接測量，需通過測量F板外包尺寸來間接測量軌距。但由于斜面端部是圓角，角度有誤差、圓角有大小，故給測量帶來困難（圖2）。為了測量準確，必須設計專用量具來保證軌距的精度。

圖2 通過F板外包尺寸間接測量軌距

3）軌排放在線路梁上，要正確定位，必須進行X、Y、Z向的三維調整，傳統的螺桿、千斤頂等效率低且精度不高，而設計的三維調整裝置可以在某一點同時進行三維調整，避免了調整水平與高度時對已調好位置產生影響，尤其在有橫坡和縱坡處。調整裝置放在軌枕下面，受到高度（120 mm）的限制，故要求結構簡單，使用方便。

2.2 軌排組裝精度分析

軌排拼裝時2根F板縱向不能有錯位，否則要影響安裝和線形，使軌排間的間隙超差。測量對角線尺寸D1、D2（圖3），并與設計提供的理論對角線進行比較，使誤差控制在±1 mm，即能解決F板縱向錯位問題。測量點確定有以下2種方法。

圖3 軌排組裝精度示意

一是利用F板兩端螺孔，畫4孔中心線和F板中心線，其交點即為測量點。此方法要求2組孔間距L4誤差控制在±0.5 mm，孔到兩端面距離LY、LZ誤差控制在±2 mm，盡量將誤差放在伸縮縫（30±5）mm中；二是實測L3實，在F板上畫LY實及RY實直線，LY實=LY-[（L3實-L3）/2]，LZ實=LZ-[（L3實-L3]/2]。這樣兼顧了兩端頭尺寸，使軌排間的間隙均勻。如果F板加工精度高則采用第1種方法，否則用第2種方法。

3 工裝設計工藝方案

3.1 拼裝臺上工件定位方案

定位基準是用來確定F板在拼裝臺中的正確位置。定位基準的正確選擇是保證零部件組裝尺寸精度與位置精度的關鍵，定位就是限制工件的自由度，工件的6個自由度如果都限制了，工件就完全定位了[1-3]。

拼裝臺上用4個經校正后的小平臺與F板的底平面接觸后，即約束了3個自由度，剩下縱向1個剛性約束，橫向2個拉開一定距離的剛性約束，為了提高工件的剛度，須在適當位置增加輔助支撐。

3.2 拼裝臺上工件夾緊方案

夾緊過程中要保證工件定位基準不會受影響，并使裝置簡單、剛性好，可采用標準化的元件，縮短設計加工的周期。夾緊力不宜太大，以免使工件產生變形，從而影響工件原來的精度。夾緊方案為：用螺栓、螺母、壓板等壓緊F板的上表面（圖4），分別位于小平臺的上方，使定位與壓緊方向一致。在橫向也設置了4個壓緊裝置，與定位裝置處于同一直線上，通過具有一定剛度的三角架和螺桿壓在F板的側面。

圖4 拼裝臺上的工件夾緊方案

3.3 拼裝臺上工件調整方案

2根F板放在拼裝臺的8個小平臺上，小平臺分布在長10 m、寬2 m的平面內，其表面與F板底平面接觸，作為定位基準，故要求8個小平面之間的平面高度誤差小于0.5 mm，粗糙度小于0.012 mm。由于尺寸大，難以在機床上一次加工成型，而且不經濟。故采取小平臺的平面機加工，在其下面裝有由4個螺桿和螺母組成的可調節高度的裝置，用水平儀控制8個小平臺的平面高度誤差。縱向調整裝置用于對角線尺寸調整，兼作縱向定位裝置，在2根F板端部各裝2個，用螺桿、螺母調整（圖5）。橫向調整裝置用于軌距尺寸的調整，兼作橫向定位裝置，與F板的斜面接觸。

圖5 縱向調整裝置示意

3.4 棱鏡支架定位、夾緊方案

測量點為軌枕中心線與F板中心線的交點，F板中心線可以通過其斜面引入，精度是可以保證的，軌枕中心線體現的是F板縱向端面到軌枕中心線的距離，所以在安裝軌枕時要通過測量定位后用高強度螺栓與F板擰緊。軌枕兩側面為支架的夾緊面。

3.5 三維可調支座調整方案

三維可調支座用以支撐、調整軌排，放在軌枕下面，高度小于120 mm，一般為4～6個，由于軌排質量為5 000 kg左右，可采用螺桿、螺母進行調整，調整完畢后澆筑混凝土使軌排與軌道梁連接，拆除三維可調支座。三維可調支座能縱橫向移動，而且靈活、阻力小，通過擰動螺桿進行高度調整，其頂端要做成球面，以適應有斜坡的軌排。

4 工裝的結構設計

4.1 拼裝臺

拼裝臺外形尺寸為10.63 m×2.5 m×0.87 m，橫向用4根箱梁，縱向由槽鋼和鋼板組成格構式梁與橫向箱梁互相連接，橫向箱梁兩側上表面放8個小平臺并與其連接，小平臺表面經機加工，平臺面下設有Z向可調裝置，由螺桿、螺母等組成，在拼裝臺上有F板水平調整裝置及定位夾緊裝置，由三角架、螺釘、螺母等組成，通過調整使軌排的軌距和對角線滿足設計要求，用鎖緊裝置固定。橫向調整裝置為具有一定剛度的三角架、螺釘、螺母等，能調整F板的直線度和曲率半徑的超差，拼裝臺與地面牢固連接。拼裝臺剛度和強度較大，能校正F板的彎曲，適應各種尺寸和形狀的軌排的拼裝。F板放在小平臺上，通過壓板、螺桿、螺母將其壓緊。拼裝臺端部的2個小平臺做成類似機床上的十字拖板，可以縱向和橫向進行F板調整。

組成軌排的零件F板、軌枕、鋁板、支座及預埋鋼板和螺栓等在拼裝臺上完成裝配，并完成軌距的測量以及對角線的測量。軌排Z向剛度相對較小，容易產生變形，為了減少變形，F板擱置在8個小平臺上，每個平臺高度誤差小于0.5 mm，用水平儀調平。

4.2 專用量具

專用量具的一端有2個相距230 mm的測點與F板斜面中間接觸，保證量具中心線與F板中心線垂直（如果是曲線F板即為法線方向）。另一端有一孔，孔中放圓柱形量規，量規前端為圓錐，頭部為球體，與F板斜面接觸，后端面有個1 mm臺階，測量時軌距尺寸變動會使量規左右移動，量具孔端面在量規臺階范圍內即為合格。量具桿下端有3個支撐點擱置在F板面上，使量具與被測件保持平行（圖6）。

使用該量具既保證了軌距尺寸符合要求，又能使每片軌排的軌距尺寸一致。不足的是F板斜面制作誤差會影響軌距的尺寸，由于斜面是機械加工面，誤差較小，對軌距尺寸的影響很小。量具使用頻率高，尺寸較大，所以質量要輕、使用要方便。同時由于被測件精度高，一旦返工，必然造成成本大幅提高，因此量具制作精度要高，使用時要按規范操作。

圖6 專用量具示意

4.3 棱鏡支架

棱鏡支架原理為：在左右旋螺桿上裝有2塊夾板，旋轉螺桿夾板夾住軌枕。在夾板中間有一長槽，槽的中心就是軌枕的中心，用一根細桿放在槽中。細桿頂端與F板斜面接觸，在細桿的測量點位置上鉆孔來固定棱鏡，這時棱鏡的水平位置與設計點重合高度提高了50 mm。安裝棱鏡支架時必須將細桿中心線與F板上畫線對齊。棱鏡支架夾在軌枕上，由于軌枕制作誤差及螺孔間隙等，會造成模擬測量點與設計測量點偏移，故需采取措施進行補償，通過提高兩端軌枕安裝精度，保證軌枕中心與設計的法線方向一致。

4.4 三維可調支座

該支座不僅能進行三維調整，而且在頂部能適應0～6 mm的斜面接觸，高度為110 mm，適應了軌枕與梁的120 mm空間，用扳手擰動支座的螺栓能移動或頂升軌排，水平移動靠減磨板與鏡面不銹鋼之間滑動。三維可調支座有一個方框架，底面放減磨板，其上放活動柱，由四面螺桿頂推完成水平移動，活動柱中間有一個螺桿通過旋轉可以上下移動，從而實現了三維可調（圖7）。螺桿頂端是一個球面，可適應帶橫坡的軌排[4-6]。

圖7 三維可調支座示意

5 結語

專用工裝設計應考慮其生產的數量、施工精度、施工難度、采用的設備及現有施工條件，并對工件的形狀和尺寸精度加以分析，從而找出更合理的方案，解決存在的問題。這樣可以減少一些不必要的工時，提高生產效率，降低工人勞動強度，提高經濟效益。以上設計的工裝在低速磁浮施工中是必不可少的，工裝經過使用取得了良好效果，對保證質量起到了重要作用，使工程按時順利完成。