雙向先張軌道板智能生產線關鍵設備研究

王玉策

（中鐵二十三局集團軌道交通工程有限公司 上海 201399）

1 引言

CRTSⅢ型軌道板是我國具有自主知識產權的高速鐵路專用無砟軌道混凝土軌道板。其中，雙向先張預應力軌道板在整體剛度、抗裂性、抗撓曲變形和結構耐久性等方面較其他型式軌道板有較大提升，目前已成為我國高速鐵路建設的首選結構型式[1－2]。國內在前期推廣CRTSⅢ型先張預應力軌道板規模化應用時，進行了矩陣法生產工藝的系統創新和實踐探索，但也反映出建廠成本高、設備利用率低、勞動力投入大、成品質量不可控環節多、與新型自動化和智能化設備融合不足等問題，難以更好地為我國高鐵建設的快速、高質量發展服務[3－5]。因此必須進一步改進生產工藝，提高CRTSⅢ型先張預應力軌道板的工業化生產水平。

基于智能制造新型裝備，我國近期研制了CRTSⅢ型先張法預應力軌道板智能化流水機組法生產工藝并形成了規模應用[6－7]。其技術特征是利用牽引裝置使模具在軌道上流動，依次開展各生產工序作業。通過解決大噸位雙向受力下模具的變形問題，以及開發模具在軌道上流動生產所需要的關鍵設備，實現了更高效的生產工藝，達到了降低成本、節能環保、提高功效的目的[8－10]。包含的專有技術工序包括模具身份識別、雙向預應力鋼筋同步張拉及鎖定、三維在線掃描檢測、大型分體式混凝土振搗、同步預應力放張、自動脫模以及各工位作業的中央控制[11]。但是其生產過程中仍需根據軌道板尺寸人工進行鋼筋籠綁扎，不但綁扎工作量大，而且鋼筋定位和綁扎效率對工人的綁扎手法和經驗有很強的依賴性，一定程度制約了軌道板工廠化生產的質量和效率。

本文通過4軸機器人、機器人夾具、可移動式平臺及電氣控制系統，在軌道板機組流水生產線中實現了智能鋼筋自動綁扎，以保證縱橫鋼筋交叉點綁扎力道的一致，不但成功減少了人機配合作業工序，還提高了綁扎質量和效率。通過對軌道板智能流水線中涉及的軌道板模具、智能張拉、雙向同步放張、蒸養風幕系統及流水線信息化智能控制等關鍵建造設備進行系統闡述和分析，與智能流水線生產工藝研究互補，形成了制造設備層面的集成化智能管控技術，有助于先進制造設備、智能控制技術以及信息技術在裝配式構件生產中的推廣應用。

2 機器人自動鋼筋綁扎

（1）技術原理

如圖1所示，可移動式平臺設置在預制鋼筋籠的綁扎工位，4軸機器人通過自動捆扎槍實現多個位置同時捆扎安裝。平臺移動可依次為4軸機器人提供預制鋼筋籠的全部縱橫鋼筋交叉點，再通過配合運動，實現鋼筋籠自動綁扎。配置電氣控制系統具有配置參數（板料類型調整）、產品自動配型、桿件到位信號確認、故障信號提醒及流程自動控制等功能。本系統使用8個自動捆扎槍同時進行捆扎，鋼筋綁扎時間約為10 s，每段捆扎時間約為20 s。整個軌道板鋼筋籠綁扎完成時間為5～7 min。

圖1 鋼筋籠自動綁扎示意

（2）系統組成

如圖2所示：①為鋼筋安裝層；②為模具板層；③為連接平臺；④為移動軌道。首先將鋼筋安裝層直接定位安裝在模具板層；然后在模具板層，可實現不同型號軌道板的冶具托架更換，底面采用插銷固定；最后通過平臺連接移動軌道，軌道移動距離在2 500 mm左右，用于切換安裝工位。

圖2 可移動式平臺示意

3 關鍵設備

（1）大噸位雙向受力模具

軌道板模具在單模張拉時，縱橫鋼筋張拉力全部由側模和底模共同承擔。以P5600規格為例，模具橫向受張拉力1 920 kN、縱向1 280 kN，承擔著巨大的雙向張拉與錨固力。同時模具還受到混凝土振搗時激振，以及蒸養時溫度和濕度交替變化等因素影響[12]。因此，必須提高模具的強度、剛度、穩定性和抗疲勞性，以滿足軌道板批量生產的要求。如圖3所示，模具由側模、底模、錐桶、承軌臺、定位孔等組成，采用Q345B高強度鋼材進行全鋼結構設計制造。橫向側模、縱向側模及底模的厚度分別為35 mm、50 mm及20 mm。模型底部為箱梁結構，邊側模焊接在模型上，總重量小于12.5 t。

圖3 軌道板模具示意

張拉時，側模上所承受的部分荷載將會傳遞給底模，可能導致底模向上撓曲過大，影響軌道板成型后的平整度。因此需要在底模下關鍵薄弱部位設置若干道小箱梁來進行加固，橫向共有10道，縱向共有4道（如圖4所示），1為張拉孔，2為側模加勁肋，3為張拉力自鎖裝置，4為底模加勁小箱梁，5為加勁鋼板。

圖4 縱向張拉模具側面

考慮模具總重量要求和現場空間布局，在底板厚度加厚受限的前提下，在模具底部增設4根體外預應力拉桿，每根拉桿施加20 t張拉力。同時通過在底模板設置反向預拱度、在張拉桿設置自導向柔性橡膠套及柔性內襯墊層等措施，保證模具受力后變形小于±1 mm，滿足平整度誤差要求。

（2）預應力筋張拉與鎖定設備

如圖5所示，CRTSⅢ型先張軌道板機組流水線張拉方式為雙向單根單側同時張拉，實現了在多頭張拉時可單獨控制每根預應力筋張拉力，并由模具承受張拉反力的目的。整套自動張拉設備包括端面張拉機構、側面張拉機構、電氣控制系統、液壓系統、氣動壓緊裝置等。

圖5 縱向張拉設備

張拉前由模型升降設備和張拉設備共同完成張拉連接對位工作，精度要求控制在±2.5 mm內。張拉方式為單向，每個千斤頂控制一根預應力鋼筋。張拉千斤頂的前端安裝測力傳感器，張拉力和伸長量的測量通過高精度傳感器進行測定，并至少安裝兩只位移傳感器。

張拉結束后，模具先上升，然后張拉油缸縮回，張拉力通過鎖緊墊片的鎖定預應力施加到模板上。張拉力的鎖定通過楔形卡板完成，其技術原理為物體的摩擦自鎖現象。張拉完成后，張拉桿軸承與模具側模之間留有空隙，楔形卡板自動下滑填充該空隙。當楔形卡板在自動氣錘的錘擊下不能再下降時，認為張拉力鎖緊。升降裝置如圖6所示。

圖6 升降裝置

（3）混凝土澆筑與振搗設備

為保證混凝土入模均勻，布料機通過螺旋攤鋪器實現混凝土在模具內均勻布料。振動臺如圖7所示，由支座、振動電機、沉降軌道、變頻控制器、壓緊螺栓等組成，實現了臺架模具與振動臺的協調振動，可有效保證混凝土振搗密實。模型運行至振動臺后，軌道下沉，模型鎖定，振搗開始時間在鎖定后延遲5 s進行。

圖7 振動臺

（4）雙向同步放張設備

如圖8所示，預應力筋放松設備由端放張機構、側放張機構、泵站、電控制柜、定位機構等組成。通過模板定位、就位反轉、正轉放張實現同步放張。四個方向的放張梁可進行精確平移定位，同時以較慢翻轉轉速，配合放張套筒端頭與張拉桿端頭的對位咬合。放張套筒旋轉連接桿直接放松預應力筋，避免了“先超張拉再放松”的傳統預應力筋放松手段，實現了預應力筋放松的快速、安全。

圖8 放張設備

（5）蒸汽養護風幕系統

蒸汽養護風幕系統主要由高壓循環風機、噴淋設備、溫度傳感器等組成。而噴淋設備主要由高壓蒸汽儲罐、儲水罐、噴頭、管道、電磁閥等組成。養護窯利用高壓循環風形成風幕墻，將不同溫度區域進行有效隔離，同時利用高壓風機內部蒸汽盤管控制通入風機的蒸汽量，進而調控風機內空氣溫度。借助噴淋設備實現升溫區、恒溫區與降溫區溫度和濕度的控制與調節。

（6）脫模設備

脫模設備如圖9所示，主要包括壓緊平衡裝置、定位油缸、脫模油缸及相應配套的泵站和電控制柜等。通過設置壓緊平衡裝置，有效增加了壓緊裝置與軌道板之間的接觸面，可更好地維持脫模過程中軌道板的平衡，防止偏載脫模現象發生。

圖9 脫模設備

模具進入脫模工位后，用千斤頂頂升250 mm，通過頂升軌道板灌注孔，模型四角千斤頂下降，中間千斤頂不動，使產品與模型分離。

4 控制系統

4．1 在線檢測系統

基于三維激光與雙目視覺在線檢測系統，軌道板流水線在線檢測系統由2套3D掃描傳感器、1套雙目立體視覺系統及導軌、滑臺、伺服電機、鋁合金桁架、在線檢測控制與分析軟件等組成。通過攝影測量和結構光三角掃描測量的方式建立軌道板或模具的三維模型，從而對模型（軌道板產品）進行相應指標檢測與分析，預測產品趨勢，調整相關作業參數，保證產品質量。

4．2 流水線控制系統

（1）中央控制系統

基于流水線功能需求，將中央控制系統設計為過程控制模塊和工序控制模塊。過程控制模塊用于設備狀態監控及限位顯示、流水節拍參數設置及運行監控、各工序信息傳輸、誤操作報警與故障處理、歷史數據收集與歸檔等功能；工序控制模塊用于各工序設備控制、工藝參數設定與運行、數據的采集與分析評定等功能。

（2）智能張拉控制系統

智能張拉控制系統包括測值傳感器、張拉泵控系統和分析軟件等。張拉泵控系統采用以液壓缸流量控制實現壓力間接控制的“變頻液壓泵控系統”，可根據設定加載曲線控制張拉過程。

首先，通過“自抗擾控制算法”實現步進式壓力輸出，使預應力筋緩慢而均勻受力張拉，有效保證了各根預應力筋張拉速率同步；其次，測量數據采集系統由傳感器通過電信號采集至各對應控制柜，各控制柜內的控制模塊通過以太網相聯，將數據集中采集至服務器統一處理。利用GCS-Contrix軟件及VxSCADA組態軟件，將張拉工況數據采集顯示和命令通過人機界面顯示，并下達操作指令。通過預應力筋雙向同步智能張拉控制系統，實現軌道板雙向預應力筋的同步張拉與錨固。

5 結論

根據CRTSⅢ型雙向先張預應力軌道板智能流水線的生產工藝特點，本文結合濟青、魯南高速鐵路無砟軌道板機組流水法的產業化工程實踐，對其配套的關鍵設備展開研究。針對關鍵工序，開發出智能制造生產線的關鍵設備。通過智能鋼筋自動綁扎技術，結合大噸位雙向受力模具、三維在線檢測設備、雙向同步張拉與放張、大型分體式混凝土振動臺、風幕隔斷蒸養等專用設備實現了軌道板的自動化、智能化生產。研究成果不但提高了雙向先張預應力軌道板流水機組的生產工藝水平，還帶動了相關產業共同發展，具有顯著的經濟效益和社會效益。