CRTSⅢ道板模具设计与检测技术研究

于建军,肖 宏

于建军1,肖 宏2

(1.中铁九局集团有限公司科技处,沈阳 110013;2.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044)

轨道板模具是CRTSIII型无砟轨道板预制中的关键设备之一,模具的设计直接影响到高速铁路建设的平顺性与稳定性。结合盘营客运专线施工,介绍轨道板模具的设计要点,其中包括模具的组成及其各构件的结构形式。对CRTSIII型无砟轨道板的检测技术进行系统研究,并用ABAQUS软件对轨道板模具及基础进行强度和变形分析,确保模具的使用精度。

CRTSIII型无砟轨道板;模具;设计;检测

1 概述

随着我国高速铁路的建设及开通运营,我国已基本掌握了CRTSⅠ型、CRTSⅡ型无砟轨道板的模具设计及检测技术。CRTSⅢ型无砟轨道板是与Ⅰ型、Ⅱ型不同的一种轨道板,这决定了其不同的模具[1-2]。盘营客运专线是我国首次在300～350 km/h高速铁路上铺设CRTSⅢ板式无砟轨道的线路[3]。主要对比分析CRTSⅠ型、Ⅱ型模具的设计及检测技术,在此基础上研究CRTSⅢ无砟轨道板的模具设计和模具检测技术,为形成我国具有完全自主知识产权的无砟轨道板制造技术提供有力支撑。

2 CRTSⅢ模具基础设计及检测

2.1 模具基础设计

要想保证模具的性能稳定、尺寸精确,首先应有一个稳定、牢固的基础。经综合对比分析,中铁九局灯塔轨道板预制场模具基础采用:底部为片石混凝土,上部为钢筋混凝土,与模具的横向钢梁下模具基座连接处为钢筋混凝土柱,顶部为预埋钢板和预埋连接模具的钢筋。该基础的优点是既能满足承载力要求,又减少了混凝土的用量,减轻了自重[4-6]。如图1～图3所示。

图1 P5600型模具基础平面(单位:mm)

图2 P5600型模具基础立面(单位:mm)

2.2 基础的受力检算

图3 P5600型模具基础剖面(单位:mm)

基础施工前应进行地基承载力检算,一般地基应满足承受基础(片石混凝土、钢筋混凝土)、模具、混凝土轨道板等共同作用,如下式所示[7-12]。

为了有效避免因基础的不均匀沉降引起的模具变形,本板场的轨道板模具基础采用了单元整体式的基础[9-10]。

下面以P5600型模具基础为例,计算地基承载力。

经计算可以看出,P5600型模具地基承载力满足要求。同理可算出其他型号地基承载力均满足要求。

2.3 基础的沉降观测

为防止模具基础各个支撑点之间的不均匀下沉,需进行模具基础各个支撑点的沉降观测。

基础制作完成之后,每月使用水准仪对支撑点进行测量,进而观测支撑点的沉降情况,避免因其不均匀下沉引起轨道板模具变形。

3 CRTSⅢ轨道板模具设计

CRTSⅢ型轨道板模具由底模、侧模和端模组成。本节主要分析CRTSⅢ型板模具中关键部件的设计,包括底模、侧模、端模等的设计。

3.1 底模

模具底模主要由基座、底板、承轨槽、套管定位栓、振动器、灌注孔定位栓等组成。如图4所示。

(1)基座

图4 P5600模具平面(单位:mm)

模具通过底模下的8条基座支承模具。基座包括两个中间连接橡胶垫层的工字钢(图5),上面工字钢连接模具底板,下面工字钢与模具基础连接,为可调式减振座,浮动连接,内设橡胶垫为减振垫,防止生产时产生的振动力损坏混凝土基础,或引起模具损伤。

图5 模具基座

底板框架采用工字钢及钢板拼焊而成,制作时严格控制焊缝质量。面板厚度为30 mm钢板、承轨台部分镶嵌有40 mm厚钢板,内部结构采用型钢拼焊,形成框架结构,使得模具具有足够的强度、刚度及稳定性。采用此结构底模刚性好、质量小、不易变形,可大大提高模具的使用寿命,确保加工后轨道板各部形状、尺寸及预埋件的位置准确。底模与侧模连接处设有凹槽,用橡胶条进行防漏浆处理。

模具底模面板使用整块无氧化皮的钢板制造,底模在所有附件焊接完成校平后,电炉退火,数控加工中心加工,保证底模经机械加工后模具表面平整度在5.6 m范围内±0.5 mm,面板厚度不小于20 mm,承轨台模连接部分钢板厚度不小于15 mm。且面板上刻划有板中心线及轨距中心标记线,标记线位置偏差在±0.1 mm范围内。

(2)承轨槽

承轨槽(图6)是保证轨道板承轨台精度的关键部分,承轨槽的精密度决定着轨道的轨距等重要指标,对轨道的平顺性、耐久性均具有十分重要的作用,因此不论是从材料选用、加工,还是安装均必须严格进行,以防使用中发生变形。

图6 模具承轨槽装配图(单位:mm)

材料遴选铸钢精密铸造,并经完全退火,消除应力。经数控机床加工承轨台各安装面、承轨面钳口及预埋套管定位销安装孔等。承轨槽制作要求具较高的精密度,腔型采用数控加工,制作专用检具检测其加工精度。通过多个螺栓牢牢固定在底模上,振捣不变形。若承轨槽和底板上加工难度系数大,采用装配式承轨槽,可有效保证每个承轨槽组装之后模具合格。

(3)预埋套管定位栓

固定装置采用2种方式,一种是涨紧式(图7),另一种是螺纹连接——拨叉锁定式(图8)。涨紧式是通过螺栓将预埋套管定位栓固定在模具承轨槽上,外露部分有钢制滚花和防止进浆的橡胶圈,优点是安装套管方便,且拆模时可直接将轨道板顶起,减少了拆卸定位栓的工序,方便、快捷。预埋螺帽定位支架底部为限位底座,中部为胀紧橡胶圈,上部为起限位作用的螺母,预埋螺帽靠底部定位座和上部限位螺母限位,保证精度;靠中部的橡胶圈对预埋螺帽进行胀紧。

图7 涨紧式定位栓安装图(单位:mm)

预埋套管固定机构要求安装预埋套管时,在保证套管与承轨台垂直度的同时,与底模缝隙＜0.2 mm。而对混凝土振捣时套管如不锁紧,会产生上浮间隙,控制难度很大。设计采用胀套固定圆柱定位,胀套材料采用弹簧钢淬火热处理,保证足够而持久的胀紧力,解决了套管上浮问题。同时采用上下双圆柱定位,保证了安装垂直度。该机构仅需1人就可以在几秒完成1个套管的安装固定,同时保证了套管安装质量。并可通过对上部螺母的调整,调节橡胶圈的胀紧力的大小,可适应预埋螺帽的内径尺寸偏差,对螺帽起到很好的限位作用。由于橡胶圈的弹性作用,螺帽大些、小些都能很好地固定,解决了螺帽尺寸不一致而使螺帽定位固定效果不好的问题。

图8 螺纹连接-拨叉式锁定式定位栓(单位:mm)

采用此种方式固定的预埋套管在安装时把套管安装在定位栓上(图8),用0.2 mm的塞尺进行检查,套管与底面缝隙不大于0.2 mm。拆模顶升轨道板时,直接顶升轨道板,由于定位栓有橡胶圈,既能有效保护套管不被定位栓损伤,又能保护定位栓在顶升时不会被套管顶歪斜。能有效减少不必要的工作量,降低模具的占用周期,提高工效。

螺纹连接-拨叉式锁定式定位心栓与承轨台模的配合面为1∶30的圆锥面,可以解决顶升轨道板时由于承轨槽1/40坡度的脱模阻力。同时承轨台模加导向管脱模时压紧弹簧等被卡的问题。

将预埋套管旋进定位栓内,安装到位后旋上螺旋筋,放入承轨槽定位孔内,旋紧定位夹,即将套管进行固定在模具上。拆模顶升轨道板时,通过拨叉先松开固定螺杆,固定螺杆随轨道板同时脱开底模,再拆除固定螺杆。由于固定螺杆在设计时已考虑承轨台的轨底坡的角度限制因素,所以轨道板脱模时不受影响。这种结构能杜绝套管上浮,固定螺杆的密封又避免了套管进浆。

(4)振动器

模具采用底模侧部安装附着式高频振动器。按型号不同安装不同数量的振动器。P5600型模具设置8台振动器,每台振动器作用半径为1.5 m(图9),8台共同作用能确保无漏振现象。振动器布置在底模主横梁端部,通过加强筋板合理焊接,保证频繁振动的牢固性及振动力的传递。振动器的启动用控制柜进行自动控制,振动频率和时间长短可以通过设置进行调节。

图9 P5600型振动器安装传导示意(单位:m)

振动器各项参数见表1。振动器在混凝土浇筑一半时开始启动,当混凝土表面有泛浆现象,且不再下沉,即可停止振动,一般时间为2 min。振动器的启动与关闭均由振捣控制柜进行。

表1 振动器各项参数

(5)灌注孔成孔器

灌注孔成孔器采用钢制机械加工而成,呈圆锥形,中间预留φ20 mm的孔,直径大的一端紧贴模具,通过1根螺栓和模具固定,为防止在拆除成孔器时破坏灌注孔周边混凝土,在成孔器和模具之间用5 mm的橡胶板加垫。

3.2 端模、侧模

模型侧模及端模均采用钢板拼焊而成,面板采用Q235B钢板拼焊而成,并经机械加工,倒角均设在侧模及端模面板上。模具侧模上部筋板上预留有加装支撑时的螺栓过孔,并且均对应配有张拉锚穴预埋锥体及其它预埋件定位装置或定位孔。

侧模及端模通过直线轴承平移机构与底模完成开合模动作(开合尺寸150～300 mm),通过锥形定位销与底模进行定位,通过螺杆与底模进行拉紧。侧模与底模、端模与底模之间采用直线轴承平移机构相连接,直线轴承平移机构配合精度高,在模具侧、端模开合动作时不会产生与底模相对错位,保证了侧、端模开合动作时与底模的精确配合。上述结构使模具侧模及端模的开合过程非常简单、轻便,能确保2人在5 min内完成拆模或合模工作。

轨道板端板、侧板接缝处采用45°对称直角模或弧角模,消除端、侧板脱模时的咬边、卡滞现象,降低端板和侧板脱模阻力。侧板、端板侧装于底座上,其下部设有导向及定位装置,能轻松实现开模、合模动作并准确复位。定位装置内部设有自动脱模装置,配合先脱锚方式,松开紧固螺栓后侧板、端板与制件自动分离,脱模顺畅、方便、可靠。

4 模具有限元分析

模具有限元分析所采用的荷载与实际情况相同,主要考虑模板自重、混凝土与钢筋重量、振捣设备及产生的动荷载、其他附加力等。最不利载荷工况为全部混凝土浇筑完毕,振捣设备仍在振捣。

(1)模具基础分析

如图10所示,模具基础的最大应力出现在工字钢支腿位置,最大为6.84 MPa,远低于Q235B钢材的抗拉强度;图11所示为模具基础的竖向位移最大为1.33 mm,出现在中间两个工字钢支腿处。

(2)模具分析

图10 模具基础等效应力云图

图11 模具基础竖向位移云图

模具的受力情况较为复杂,在重力、等效压力和激振力的作用下,模具的等效应力如图12所示。模具最大等效应力为6.188 MPa,出现在侧模上部,底模的等效应力较为均衡,远低于Q235B的抗拉强度,无明显应力集中部位。可见,模具的设计合理,强度符合要求。

图12 模具等效应力云图

模具在荷载作用下的最大竖向位移为1.49 mm,最大位移出现在模具底板中部(图13),满足《盘营客运专线CRTSⅢ型板式无砟轨道混凝土轨道板暂行技术要求》的规定,CRTSⅢ型轨道板成品板的变形要求允许偏差为±3 mm,因此,在最不利的组合荷载作用下,模具的变形应控制在轨道板成品板变形值的1/ 2范围左右,故模板的变形范围为1.5～2 mm。经过分析计算可知,模具的最大竖向位移为1.49 mm,小于模具所允许的最大变形量,说明该模具的变形量是符合轨道板预制要求的。

图13 模具竖向位移云图

5 结论

在进行系统研究的基础上,研制了CRTSⅢ型轨道板生产模具。对该模具进行简单的拆装能实现盘营客运专线3种不同型号无砟轨道板的制造,经济性优越;对侧模及端模通过直线轴承平移机构与底模完成开合模动作,实现了2人5 min快速的拆模、合模工作,大大提高了功效。利用ABAQUS软件对模具和基础进行应力、位移分析,结果表明,模具基础强度、位移满足要求;模具设计合理,强度和变形量均符合要求。

[1] 刘春杰,孙玉霞.CRTSⅠ型无砟轨道板模具设计及应用[J].施工技术,2011,40(4):84-86.

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[3] 铁道部工程管理中心.盘营客专CRTSⅢ型板式无砟轨道混凝土轨道板暂行技术要求[S].北京:铁道部工程管理中心,2011.

[4] 鲁宁生,王红亮.高速铁路CRTSⅢ型无砟轨道板钢模系统设计与应用[J].铁道建筑,2012(5):158-161.

[5] 王浩.CRTSⅡ型轨道板场的设备配置研究[J].铁道标准设计, 2012(7):5-8,12.

[6] 孟庆荣.CRTSⅡ板式无砟轨道板预制作业工艺研究[J].大观周刊,2012(45):222,230.

[7] 张建超,胡德杰,王军,等.基于ANSYS软件的CRTSⅡ型轨道板模具设计[J].混凝土与水泥制品,2011(9):35-37.

[8] 欧亦盛.哈大客专CRTSⅠ型板式无砟轨道板模具工装振动时效工艺[J].西部探矿工程,2010,22(3):193-196.

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[10]赵根田.CRTSⅡ型板式无砟轨道制造技术[J].铁道建筑技术, 2010(6):62-65.

[11]赵秀丽.CRTSⅡ型轨道板高性能混凝土性能试验研究[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

北京市科技新星计划(Z12111000250000);客运专线(350 km/h)CRTSⅢ型无砟轨道混凝土轨道板预制施工综合技术研究(C12L00990)

于建军(1971—),男,教授级高级工程师,博士研究生, 1994年毕业于西南交通大学土木工程专业,工学学士;2003年毕业于西南交通大学,工学硕士。