雙塊式軌枕智能運輸與養護技術研究與應用

馮棟梁

（中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030001）

隨著互聯網技術、信息技術的迅速發展，全球眾多優秀制造企業相繼建設智能工廠，促使工廠智能化成為可能[1]。2017 年，中國正式啟動智能京張、智能京雄等重大工程建設，并提出建設智能高鐵的發展目標。鐵路制造業相繼開始自動化、智能化的偉大實踐，面臨著機遇與挑戰。

雙塊式軌枕是埋在無砟軌道混凝土道床板中的重要部件，其精確度要求較高[2]。軌枕運輸及養護是其生產的重要環節，傳統的軌枕運輸及養護模式投入的人力資本較高，容易造成軌枕的破碎與龜裂[3]，同時易造成環境污染，嚴重影響軌枕的質量。針對以上傳統方式存在的問題，通過對比和借鑒其他行業技術，本文提出了軌枕生產過程中運輸和養護的智能化技術，推進雙塊式軌枕高品質、高質量生產，同時也預示著智能化、信息化、自動化是雙塊式軌枕運輸及養護技術發展的必然趨勢[4-5]。

1 智能運輸技術研究與應用

1.1 傳統工藝及存在問題

雙塊式軌枕脫模后需將其送至二次養護間繼續保溫、保濕養護，運送過程中需借助一些機械設備用于軌枕的運輸與碼放。傳統作業主要采用叉車將軌枕運送至養護區域并將其碼放整齊。人工操作叉車存在很大的安全隱患，且對司機要求較高，搬運過程中極易造成軌枕邊角破損和外露桁架鋼筋變形等問題，嚴重影響軌枕的外觀質量和后期布設安裝[6]。另外，叉車需要使用柴油驅動，產生的廢氣和噪音都會造成環境污染。

1.2 AGV 小車工作原理

針對傳統工藝及存在的問題，結合無人駕駛和自動搬運技術，設計以AGV 小車進行搬運軌枕的智能系統[7]，可以保證軌枕擺放整齊、控制系統增加安全防護系統，保證運送過程安全平穩、減少軌枕破損情況、減少燃油使用和廢氣的排放，保證運輸過程安全、合理、有序進行。AGV 小車如圖1 所示。

圖1 AGV 小車

AGV 小車系統由計算機、電控設備、磁氣感應傳感器、激光反射板等控制，當生產好的雙塊式軌枕脫模后需要運輸到養護區域進行養護時，AGV 小車通過布設在車間內的傳感器接受到命令。以生產車間為基礎建立運輸網，通過預設在車間內反光柱定位到AGV 小車當前位置，系統內自動規劃路線。AGV 小車起動按照規劃路徑行走，行走過程中通過對反光柱不斷反射識別定位AGV 小車位置并保證AGV小車按照規劃路徑行走。當AGV 小車行走至碼垛區前停止，對碼垛區雙塊式軌枕確認后，緩慢將一組雙塊式軌枕叉起一定高度，然后根據系統內自動規劃路徑將雙塊式軌枕運至二次養護區域，將雙塊式軌枕緩慢下降擺放整齊。AGV 小車在行走過程中光感反射實時定位監測自身位置，當通過路口等位置時AGV 小車自動減速緩慢通過，如在行進中發現有人員和障礙物出現在AGV 小車周圍，AGV 小車立即停止，待人員或障礙物移除后繼續規劃路徑行走[8]。AGV 小車在電量不足或無命令時自動返回充電位置進行充電。

1.3 應用效果

AGV 小車在京張高鐵軌枕生產開展示范應用，通過現場測試及使用，效果如下：①無人叉車搬運勻速穩定且能消除人工駕駛安全隱患；②無人叉車采用電能源為主動力，能夠減少環境污染，增加環境效益；③軌枕擺放整齊，擺放位置準確一致，使得雙塊式軌枕受力一致，保證了雙塊式軌枕質量。

2 智能養護技術研究與應用

雙塊式軌枕智能養護分兩個階段，第一階段為加快生產節拍，提前脫模采用的蒸汽養護，第二階段為軌枕脫模后采用的二次養護。

2.1 蒸汽養護技術研究與應用

2.1.1 傳統工藝及存在問題

雙塊式軌枕養護是決定軌枕預制施工的關鍵環節，軌枕的養護效果直接決定了軌枕的質量，所以要嚴格遵守軌枕養護要求。雙塊式軌枕通常采用蒸汽養護的方式[9]，傳統方法是將澆筑完成的雙塊式軌枕放到養護倉或養護窯內，通過人工定時檢測溫度，從而進行軌枕蒸汽養護作業。但是傳統方法存在養護不到位、升溫速度過快、溫度控制不準確等問題，軌枕蒸汽養護效果較差。

2.1.2 技術原理

通過對其他行業的借鑒，發現箱梁的自動噴淋養護可以實現定時定量自動控制[10]，保證箱梁表面濕度，可以應用到軌枕蒸汽養護當中。

雙塊式軌枕養護采用蒸汽鍋爐、蒸汽管道、溫度探針、溫控系統對養護窯內溫度進行實時檢測和有效控制，如圖2所示。當養護窯池內放置滿模具后，養護窯池門自動關閉，溫控系統開啟，開始養護的四個階段。整個養護過程通過系統設定和劃分嚴格遵循靜停、升溫、恒溫、降溫環節[11]，通過控制蒸汽電磁閥比例調整池內溫度。保證混凝土振搗密實之后在5 ℃以上的環境中靜置不少于2 h。升溫控制在2 h左右，升溫速度不應大于10 ℃/h 且不大于5 ℃/20 min，恒溫控制在6 h 左右，枕芯溫度不應大于55 ℃，養護室溫度控制在30～40 ℃，降溫控制在2 h 左右，降溫速度不應大于10 ℃/h 且不大于5 ℃/20 min。保證脫模時雙塊枕表面與環境溫差不應大于15 ℃。

圖2 蒸汽養護控制系統

在對每個養護池的軌枕進行養護完成后，可生成每個養護池的蒸汽養護曲線以及蒸汽養護報表，如圖3、圖4 所示，作為蒸汽養護的記錄，供后續檢查和校核。

圖3 蒸汽養護曲線

圖4 蒸汽養護報表

2.1.3 應用效果

通過現場對雙塊式軌枕智能蒸汽養護技術的應用發現，與傳統的人工控制蒸養相比，主要有以下優點：①減少了用水量及養護過程人工投入，消除了人為因素產生的漏養和養護不到位造成的質量缺陷等問題，減少了水電資源的浪費；②避免人工控制及外界溫度的干擾，提高溫度變化的精度，從傳統4 ℃降低至1 ℃之內；③養護各階段劃分清楚，保證養護各階段養護質量，合理提升雙塊式軌枕強度，從而保證了雙塊式軌枕養護質量。

2.2 二次養護技術研究與應用

2.2.1 傳統工藝及存在問題

雙塊式軌枕傳統二次養護是將軌枕存放到室外用土工布覆蓋，并用人工灑水的方法進行保濕養護。外界環境對軌枕二次養護的影響較大，溫度變化較大，極易使得軌枕產生收縮裂紋，不利于軌枕的二次養護，無法保障軌枕的質量；另一方面，傳統工藝無法實時監測二次養護的溫度、濕度。

2.2.2 技術原理

結合相關標準，混凝土養護應進行保溫保濕養護且環境溫度低于5 ℃時禁止灑水養護，通過對不同行業借鑒發現蔬菜大棚的霧化加濕可以保證環境濕度[12]，可以利用到軌枕二次養護中；另一方面，根據軌枕蒸汽養護的溫度監測系統啟發，可以利用系統監測溫濕度及其變化。

控制系統采用溫濕度傳感器實時監測環境溫濕度，并對霧化加濕器進行控制。如監測到溫濕度未達到設定要求，系統發出命令直接控制超聲波霧化加濕器進行保溫和加濕，形成溫濕度變化曲線。超聲波霧化加濕器將水進行霧化，水霧均勻分布在二次養護區域各個角落，保證雙塊式軌枕各部位濕度一致，從而保證雙塊式軌枕后期強度。二次養護車間布置如圖5 所示。

圖5 二次養護車間布置

軌枕現場養護如圖6 所示，二次養護完成后也生成二次養護記錄，供后續的查閱和校核。

圖6 二次養護工藝

2.2.3 應用效果

軌枕二次養護技術是利用超聲波霧化加濕器、加濕管道、溫濕傳感器和溫濕控制系統，合理化自動控制緩存車間溫濕度。通過溫濕控制系統通過溫濕傳感器對緩存環境進行溫濕度檢測，并控制超聲波霧化加濕器對緩存環境進行保溫保濕養護[7]。通過現場測試及使用，達到如下效果：①二次智能養護減少2 名養護人員，節省了大量人工費用，同時避免了人工灑水養護不均勻、人為因素干擾大等問題；②二次智能養護系統的應用改變了噴淋養護模式，減少水電資源的浪費，每班可節省用水20 t，經濟效益和節能環保效益顯著；③二次智能養護提高了軌枕后期強度，消除了軌枕表面的收縮裂紋，使得雙塊式軌枕后期強度和外觀質量得到很大的提升，保證了雙塊式軌枕質量。

3 結語

本文基于雙塊式軌枕生產過程中的運輸、蒸汽養護和二次養護三個重要生產工序，提出了優于傳統工藝的智能化技術：①智能運輸。基于AGV 小車進行搬運軌枕的智能系統，遵循信號識別、信號接收、AGV 小車啟動、定位、行走、搬運的作業流程，消除安全隱患、減少環境污染、減少能源消耗，增加了經濟效益和社會效益。②智能蒸汽養護。整個蒸汽養護過程分為靜停、升溫、恒溫、降溫四個環節，通過蒸汽鍋爐、蒸汽管道、溫度探針、溫控系統對養護窯內溫度進行實時檢測和有效控制，節約水電資源、提升軌枕強度、提高養護質量。③智能二次養護。基于超聲波霧化加濕器、加濕管道、溫濕傳感器和溫濕控制系統，通過溫濕傳感器對緩存環境進行溫濕度檢測，并控制超聲波霧化加濕器對緩存環境進行保溫保濕養護，經濟效益和節能環保效益顯著，軌枕強度和質量得到顯著提升。

智能運輸和養護技術的研究響應著中國鐵路制造業向著智能化、自動化發展，符合“精品工程、智能京張”的建設理念，具有良好的推廣應用前景。同時，為進一步推廣和發展鐵路工程的信息化提供了重要保障。