高速铁路CRTSⅢ型板充填层自密实混凝土灌注车的研制.pdf

1 3 O 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 文 章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 1 3 0 0 3 高速铁路 C R T SH I 型板充填层 自密实 混凝土灌注车的研制 牛怀军 ， 何 国华 ( 中国铁道科学研究 院 铁道建筑研究所 ， 北京 1 0 0 0 8 1 ) 摘要： C R T S 1 1 1 型无砟轨道板的 自密实混凝土灌注方式不同于 C R T S I、 C R T S U型轨道板， 需研制 C R T S 型无砟 轨道 板 充填层 自密 实混凝 土 灌注 车。根据 C R T S H I 型无砟 轨道 板 自密 实混凝 土施 工性质 ， 提 出 了灌注车的 系统组成和技术参数， 并成功研制出了 自密实混凝土灌注车， 为施工单位提供 了一种针对高 速铁 路 C R T S n I 型 无砟 轨道 板 充填层 自密 实混 凝土 灌注施 工 的设备 。 关键词 ： 高速铁路C R T S m轨道板充填层 混凝土灌注车 技术参数 中图分 类号 ： U 2 1 5 4 4文 献标 识码 ： A 新近研发出的 C R T S m型无砟轨道板 的 自密实混 凝 土灌 注方 式不 同于 C R T S I、 C R T S 1 1 型 轨道 板 ， 需研 制 新 型 的 灌 注 车 ， 以 满 足 C R T S m 型 轨 道 板 线 路 的 建 设 。 1 cRTS型 板 概 况 1 1 C RT SH I 型 无砟 轨道板 C R T S 1 1 I 型无砟 轨道板采用 门型钢筋 网同 自密实 混凝土结合 ， 形成复合板轨道板结构 ， 有效解决了因轨 道 C A砂浆不均匀收缩导致轨道线路不平顺的问题。 1 2 CR T S H I 型 板 充填层 自密 实混 凝土灌 注 C R T S m型轨 道 板 自密 实 混 凝 土 内 含 1 0 m m 砂 砾 ， 最大砂砾直径 1 6 mm， 黏度大于 C A砂浆。型轨 道 板是 新研 制 的 自主知 识 产权 产 品 ， 自密 实 混凝 土及 其灌注方法都不同于 I、 型轨道板 ， 型轨道板线路 尚未铺 设过 ， 没有 现成 的灌 注 车 。国 家轨 道 实 验 室 和 试验线路使用的都是非标设备。 2 自密实混凝土灌注车 的系统组成 2 1 灌 注车的 基本 功能 要求 C R T S m型轨道 板 自密 实 混凝 土 灌 注车 的功 能 应 包括 ： 自动走行( 道岔区除外) ； 慢速搅拌 ( 边灌注 边搅拌 ) ； 底 板 自润 湿 ； 砂 浆 搅 拌 温度 保 持 在 5 3 5 收 稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 2 - 1 5 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 2 - 0 3 - 2 0 作者简介 ： 牛怀军( 1 9 7 2 一) ， 男 ， 西藏林芝人 ， 助理研究员。 2 2灌注 车主要 系统 灌 注 车系统 主要包 括 ： 混凝 土搅 拌系统 、 混 凝土 灌 注 系统 、 喷雾润湿 和 清洗 系统 、 走行 系统 、 定位 系统 、 动 力 系统和 辅助 系统 。 混凝土搅拌系统主要 由搅拌罐 、 搅拌电机 、 搅拌叶 片等组成 。经 数次 调研 和用 户建议 采用 立式 搅拌 比较 合 理 ， 采 用重力 自流灌注 方式 ， 不需 要外加 混 凝土 泵加 压 ， 搅拌 罐灌 注 口和轨 道 板灌 注 口之 间 高 度 应该 保 持 2 0 0 5 0 0 m m， 以便保持足够 的灌注压力 ； 搅拌速度不 宜 过快 ， 以 防搅 人 更 多 气 泡 ， 应 该 在 54 0 r m i n左 右， 并根据物料的特性手动调整 ， 以搅出的物料不携带 大气 泡为 宜 。 混 凝 土 灌 注 系统 主 要 由 阀 门 、 管 路 、 灌 注 口等 组 成 。混 凝 土灌注 车经 过 粗 略定 位 后 ， 采 用 人 工 调 整 对 准灌注口， 灌注管道采用 防水帆布实现与灌注 口的柔 性连 接 。设 有混凝 土 控制机 械 阀 门及 手动 阀 门 。 喷雾 润 湿 和清 洗 系统 主 要 由水 箱 、 高 压 泵 、 管 路 、 喷 头等部 分组 成 。水箱 注水采 用外 部供 水车 通过 水箱 上的快速接头对接供水 ， 水箱具有液位显示。喷雾润 湿和清洗采用高压泵 ； 喷雾润湿作业采用人工对准定 位灌注 口， 并通过设定喷雾时间调整润滑程度， 润湿过 程 由程序 自动完成 。润湿过程 中喷头不 应有滴水现 象 ， 确保 板顶 的充 分 润 湿且 板 底 无 积 水 。清 洗 作业 采 用人工 、 自动清洗或者二者混合方式 ； 清洗后的污水应 该 能够 收集 ， 并集 中排 放 。 走 行系 统 由车架 、 轮 系 和驱 动 总 成组 成 。底 盘 高 度 应 该 高 于 8 0 0 m m， 以便 于 通 过 1 7 5 m m 超 高 最 高 点 车架 应该 具 有 足 够 强 度 ， 能 够 承 受 至 少 1 4 t 的 全 2 0 1 2年第 6期 高速铁路 C R T S型板 充填 层 自密实混凝土灌注车的研制 1 3 1 重 ， 车架 采 用梁 式或 者箱式 结构 ； 悬 挂包括 走行 导 向装 置 ， 能固定安装轮系， 固定驱动 电机； 轮系采用单轮 的 四轮组走行方式 ， 轮子采用直径为 8 0 0 mm的聚氨酯 包胶 钢轮 ， 提高 通过 能力 ； 轮距 在 3 1 0 03 3 0 0 i n m范 围内可调 ， 便于通过最大规格轨道底板宽度 ， 车体最大 宽度 限制 在 4 0 0 0 m m 以 内 ， 以满 足 隧 道建 筑 限界 ； 驱 动 总成采 用两 个减 速 机 ， 安 装 在前 轮 座 上 直 接 驱 动前 轮 ， 车辆 自走 行 速 度 52 4 m rai n 。转 向采 用 4个 减 速机驱动， 经初步计算设定 电机功率 为 I 1 k W， 转 向 极 限角度 为 5 。 ， 导 向采 用超 声 波测 距 控 制行 走 轮 与轨 道板底座之间的距离 ， 在前后轮处各设有一个测距控 制 ， 轮组 可 以 自动 左右 转动 调整 走行 方 向 ， 导 向轮距 可 调 ， 适 用于 2 9 0 0 3 1 0 0 1 1 2 1 1 1内规 格 的轨道 底板 宽度 。 定 位 系统包 括走 行 控 制 、 视 频 监 控 和 自动 测 距 等 组件 ， 以便能够实现灌注管 和轨道板灌注 口及润湿喷 头与灌注 口、 观察口的粗略定位。 动力系统的发电机组提供全车动力 ， 发 电机组应 该达 到 I P 6 5标 准 。 辅助系统包括照明和警示 电铃等部分。 此外还应设计相应的人机操作装置， 以方便发 电 机组、 搅拌灌注、 喷水润湿等系统的作业操作 。 3 C RT S n l 型 板 自密 实 混 凝 土 灌 注 车 技 术 参数 3 1 主 要参 数分 析 3 1 1 混凝 土容 积和 质量 混凝土灌注车每次灌注一块轨道板 ， 灌注容积定 为 1 6 m 。混 凝土 密度为 2 3 t m ， 混凝 土质量 为 3 6 8 t 。考虑到混合主机的装载系数为 0 8 ， 初步设定 混 合 主机 的全 容积 为 2 I l l 。 3 1 2水容积 和质 量 型板施 工 时的润 湿要求 应充 分浇 湿轨 道板 和底 座上下表面 ， 清洗需要把用完的灌注设备清洗干净， 考 虑富余量 ， 水量初步定位为 2 m ， 水的密度为 1 t m ， 水 的质 量为 m =2 t 。 3 1 3 灌注 车 总质 量 灌注车承载的质量主要由混凝土和水组成 ， 其他 部 分 的质量 还 有 搅 拌 系 统 约 1 t ， 动 力 及 控 制 系统 约 1 t 、 车 辆 6 t 灌注 车满 载 时的总 质量按 1 4 t 计 。 3 2 动 力 系统 功率估 算 动力系统主要由发电机组组成 ， 提供全车动力 。 3 2 1 走行 功 率分析 满载时走行功率应该 以启动走行所需的最大功率 计算 。 1 ) 走 行功 率分 析 轮周牵 引力 在启 动 的时 候 是一 个 静 摩擦 力 ， 所 以 极限值就是最大静摩擦力 ， 称为轮轨间黏着力的最大 值 ， 其极限值接近于轮轨间的静摩擦力 ， 即一个动轴黏 着力最大值为 F黏 =1 0 0 0( 。 式 中 ， F 黏 为 由轮 轨 间的黏 着条 件 决定 的一 个动 轴 黏 着力 ， N； 为轮轨间最大物理黏着系数 ( 接近静摩擦 系数 ) ； Q为 动轴荷 载 ， k N 。 关于尼龙一水泥路面的摩擦系数还没有正式的文 献资料 ， 而轮胎一路面滚动摩擦系数最大为 0 3 ， 由于 设计采用高强度聚氨酯 ， 其硬度远大于普通轮胎 ， 则其 动摩擦系数更小 ， 可以取 肛 = 0 2 5 ； 设每个轮子承载 力 为 4 t ， Q ：3 5 x 9 81 0 N =3 4 3 k N 。 F 黏 = 1 0 0 0 =1 0 0 0 x 3 4 3 0 2 5=8 5 7 51 0 N， 粗 略估算 ， 轮径 D：8 0 0 mi i l ， F 黏 =F 驱， 则所需扭距 为 M =F 黏 D 2= 8 5 7 5 1 0 0 4： 3 4 31 0 N。 m， 保 持速度 V= 2 5 m mi n ， 则单个驱 动轮所需功率 P 盥： F 黏 V ， P 单=8 5 7 5 2 51 0 6 0=3 5 7 k W， 取 两轮 为 主动轮 ， P 总 驱 动= 4 P=1 4 2 k W， 可得两个 主动轮的情 况下 每个 驱动轮 功率 为 7 1 k W。 2 ) 转 向 电机 功率 分析 4个行走轮 ， 采用 4个电机驱动， 前后轮组各 自用 机械连杆确保 同步 ， 根据试验得 1 1 k W 电机驱动转 向时的 电机 电流 为 1 4 A。则 P 总 转 向： 4 P=4 4 k W。 3 2 2搅 拌功 率分析 混凝 土灌 注 车应容 纳搅 拌 的混 凝 土 量 为 2 m ， 密 度为 2 3 t m ， 最大需要搅拌 4 6 t 。把水泥搅拌车和 水泥搅拌站相同重量 昆凝土的搅拌功率进行类 比， 并 考 虑灌 注 车慢速 搅拌 的工 况 ， P 搅 拌=7 5 k W 功率 可满 足使用要求 。 3 2 3 总功率分 析 其 他 有功耗 的 系统还 有喷雾 润 湿 、 清洗 、 控 制等 作 业 ， 由于清洗、 喷雾润湿 、 走行 和搅拌一般不会 同时作 业 ， 而且这些系统的功率 比较小 ， 走行和搅拌功率有富 余 ， 所 以4 k W 足够， 故 P 总 功 率：P 总 驱 动+P 搅 拌+ P清 洗+ P滑湿 +P总转向 =3 0 k W 。 3 3 限界 、 车辆 尺 寸 、 上料 和 卸料参 数 3 3 1 限 界 混凝土灌注车应该满足高速铁路的限界要求 ， 经 过研究 比较如果可 以满足高速铁路隧道建筑 限界 ， 便 可 以满足高速铁路其他建筑限界要求 ， 避免侵界 。 3 3 2上料 和卸 料 在灌注施工作业 中灌注车上料 主要采用 吊送 、 桥 下 向上 泵送 方式 ， 对 灌注 车搅拌 罐 高度没 有严 格 限制 ， 极少情 况 下使用 混凝 土搅 拌 车直接 在路基 桥 面上泵 送 1 3 2 铁道建筑 料方式， 因为泵送管 口高度最大为 l 8 0 0 t ri m。 卸料也就是指混凝土灌注 ， 由混凝 土搅拌罐下部 混凝 土灌 注装 置来实 现 ， 利用混 凝 土 自重 的势 能 ， 实 现 自流 密实 ， 灌 注 口要 高 于 轨 道 板 2 0 0 mi l l 以 上 ， 1 0 0 0 mm 以下 。 3 ， 3 3 车辆尺 寸 经 过初步 三维 布 图 ， 可 以得 知 灌 注 车基 本 尺 寸 为 7 5 0 0 ( 长 ) 4 0 0 0 ( 宽 ) 3 4 0 0 ( 高 ) mm。 4 自密实混凝土灌 注车技术方案 4 I主 要部件 选型 1 ) 驱动电机选型。根据计算参数， 可以选择 K系 列 的电机减 速器 总成 ， 见表 1 。 表 1 电机 选 择 列 表 2 ) 动 力 系统 ( 发 电机组 ) 选 型 根据 计算 的总 功率 P 总 功 率=3 0 k W ， 可 以选择 康 明 斯 柴油发 电机 ， 常 用功率 3 0 k W。 4 2结 构布 局设计 用户的需求 、 轨道参数和轨道作业要求决定车辆 的整体布局 ， 灌注车基于功能全面、 自动作业并兼顾手 工作业进行布局设计 ， 一方面包括润湿 、 搅拌和灌注三 大必要功能 ； 另一方面包括监控 、 自动定位 、 自动走行 和照 明等辅 助功 能 ； 突 出 自动 化 功 能又 兼 顾 手工 操 作 功 能设 计 ， 还 应具 备 临线作业 装置 和功 能 。 4 2 1 手 工作业 工 况下的 灌注 车 润湿 、 清 洗 、 定 位 、 灌 注等 作 业 采用 人 工辅 助 的方 式 。主要是 人工 对 准 ， 自动润 湿 ， 临线 手 工 润 湿 ， 人 工 清洗 ； 灌 注 对 准 也 是 人 工 对 准 ， 人 工 密 封 ， 加 上 自流 灌注 。 4 2 2 自动作 业工 况下 的灌 注车 灌注车通过超声波定位， 自动控制行走 中轮系的 转 向， 完成初步定位 ； 然后人工操作线控板 ， 通过视频 监控将灌注管 口自动定位在轨道板孔 ， 并 自动探入轨 道板孔规定深度进行润湿和灌注作业 ， 见图 1 。 图 1 自动灌注作业 位置 5 结 论 对 C R T S 型无 砟 轨道 板 充 填层 自密 实 混 凝 土灌 注车 进行 了全 面的测 试 ， 灌 注车 发 电机功 率 、 走 行性 能 以及搅拌 、 灌注 、 润湿等主要作业性能均能满足设计要 求 ， 实现了 C R T S I U 型无砟轨道板 自密实混凝土灌注施 工 ， 可 以推 广使 用 。 参 考 文 献 1 张洪欣 汽车设计 M 北京 ： 机械工业 出版社 ， 1 9 8 1 2 何华武 无 砟轨 道技术 M 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 5 3 田奇 混凝 土搅 拌楼及 沥青混凝 土搅拌 站 M 北京 ： 中国 建材工业 出版社 ， 2 0 0 5 4 尚晓峰 混凝土工程 M 北 京 ： 化学工业 出版社 ， 2 0 0 8 5 刘 枚 ， 孙 雨露 电机 与拖 动 M 北京 ： 机械 工 业 出 版社 ， 2 0 09 6 中华人 民共和 国铁 道部 铁 建设 2 0 0 5 1 6 0号 客运专 线 铁路轨道工程施工质量验收暂行标准 S 北京 ： 中国铁道 出版 社 ， 2 0 0 5 7 中华人民共和国铁 道部 T Z 2 1 6 -2 0 0 7 客运专 线无 砟轨道 铁路工程施工技 术指南 S 北京 ： 中国铁道出版社 ， 2 0 0 5 8 顾秋来 C R T S l 型板式 元砟轨道水泥乳化 沥青 砂浆充填层 施工技术 J 铁道建筑 ， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 1 0 6 1 0 8 ( 责任 审编 王红)