摘要：针对高速铁路CRTSⅢ型板流水机组先张施工技术，设计出一套车载型预应力筋自动张拉机，其主要包括行车系统、滑动架、液压系统以及张拉台等结构。通过调整不同输入电压，控制系统最终稳定的拉力输入值为80kN，此时对应的输入电压为13.92V，张拉机的输出拉力上升速率为14.36kN/s，相对超调量为4.9%，均满足设计要求。由此表明张拉机各项性能较佳，可在CRTSIII型无砟轨道生产中推广运用。
关键词：高速铁路；CRTSIII型无砟轨道；张拉机；先张法；试验
近些年来，我国的高速铁路技术取得了突飞猛进的发展，方便了人们的出行，同时也促进了各地区间的经济发展。与有砟轨道相比，板式无砟轨道具有稳定性好、维修工作量小等优点，已经成为高速铁路轨道的主要结构形式[1-2]。无砟轨道目前已先后历经了三代，最早的CRTSI型板式无砟轨道起源于日本，随后德国研究出CRTSII型博格板式无砟轨道，而CRTSIII型无砟轨道是我国自主研发的新型轨道板。在轨道板台座法、流水机组法以及传送带法生产工艺下，其具有生产成本低、生产效率高等诸多优势，已近乎实现全部工艺设备的国产化[3-4]。由于采用先张工艺生产的无砟轨道，在各项性能方面均优于后张法，因此在实际工程中先张应力无砟轨道板施工成为最常用的施工工艺[5-8]。张拉机是实现先张法施工的重要一环，其工作性能关系着无砟轨道施工质量的好坏。目前，已有部分学者关于张拉机做了专项研究[9-10]，但针对CRTSIII型无砟轨道张拉机的设计还比较少见，本文开展了高速铁路CRTSIII型无砟轨道张拉机的设计与试验研究，以期能为CRTSIII型无砟轨道先张工艺的成套设备设计提供参考。
1先张法施工工艺优点
众多研究成果表明，当轨道板中的横、纵向钢筋所受预应力在80kN左右，且加载速率小于20kN/s时，轨道板的使用寿命将得到明显提升，并大大减少裂纹度。给轨道钢筋进行张拉有先张法和后张法2种。先张法是使钢筋先承受一定大小的预应力，然后再进行混凝土浇筑。后张法是先进行浇筑混凝土，待轨道板成型后，再进行钢筋张拉施工。与后张法相比，先张法施工具有如下优势：通过预张拉，可以对轨道板的电气性能起到改善作用；预应力损失比例小，且轨道板的整体受力更加均匀；先张法的横向和纵向钢筋采用对称配制，有利于减小轨道板翘曲发生的几率；可以保证钢筋与混凝土之间的有效黏结和包裹，克服钢筋易氧化的缺陷，充分发挥钢筋的刚韧弹塑性能；生产工序少，生产效率高，施工方便，具有较高的经济效益。先张法和后张法轨道板施工工艺对比结果见表1。
2张拉机整体结构及参数设计
2.1整体结构设计
单个CRTSIII型轨道板长×宽×厚为5.58m×2.48m×0.16m，横向布置24根钢筋，纵向布置2层共16根钢筋。自动张拉机设计需具有如下功能：张拉台能够自动调节高度和位置，以完成对不同钢筋的张拉施工；张拉台在垂直框架梁方向具有移动功能，以保证张拉杆和螺母可以顺利进入六角杆的内孔之中，从而使螺纹套和连接杆可以顺利连接；通过控制输入比例压力溢流阀的电流大小，对张拉机的张拉力进行调节，同时要保证张拉力基本呈线性增长，且不超过规定的上限；张拉完成后，通过马达、传动机构等带动螺母运动，起到自动锁紧功能，达到保持额定张拉力的效果。自动张拉机采用液压系统实现预期功能，压力参数是自动张拉机的重要参数。电液比例阀具有性价比高、压力流量可调节、抗污能力相对较强等优势，故设计中采用电液比例溢流阀来控制压力。自动张拉机主要结构包括车轮、车轴、车架、箱体、锁紧马达、驱动马达、升降液压缸、联轴器、螺纹套、张拉台、张拉台基座、链轮、链轮轴、滑动架、轴承等，自动张拉机整体结构组成如图1所示。自动张拉机实物图如图2所示。
2.2主要结构参数设计
液压系统工作压力不宜过高，也不宜过低，由于张拉机属于小型设备，故工作压力选为15MPa。其中，执行元件最大工作压力为14.6MPa，管路压力损失为0.4MPa。电动机功率为1.25kW，取泵的效率为0.75，查阅相关手册，选用Y112M-6型电动机。旋合马达型号为YM-A19B-JL，额定压力大小为6MPa；锁紧马达型号为PJM6-400B，额定压力为25MPa；行走马达型号为BYM-80，最大工作压力为12MPa。溢流阀额定流量为63L/min，额定压力为16MPa。油箱有效容积为0.34m3，采用循环水强制冷却方式。小齿轮齿数为17，采用45Mn淬火处理。大齿轮齿数为34，采用Q235焊后退火处理。采用No8A型链条。轴直径为40mm（联轴器），材料选择45CrNi合金钢。
3实验分析
3.1实验设备
为了验证自动张拉机的工作性能，在室内进行了实验分析，实验主要设备包括Y2-180-4型电动机、PVS-46-A3-FR型液压泵、DBETR-108/315型比例溢流阀、SY-YTFL-SA15型流量传感器、SY-PG1205-40MPa-GB型压力传感器、VT-5003型比例放大器以及USB-4716型数据采集卡。
3.2实验原理
实验的主要目的，是通过比例溢流阀控制液压缸来检测自动张拉机的输出拉力。其实验原理如下：Y2-180-4型电动机为PVS-46-A3-FR型液压泵提供动力，液压泵在电动机驱动下给系统提供持续不断的液压油。DBETR-108/315型溢流阀主要起保护液压元件的作用，并控制系统压力的增长速率（在规定4～8s内达到设计要求值），同时保持拉力输出时呈线性关系。SY-YTFL-SA15型流量传感器主要是对液压油流量起到监控作用。SVT-5003型比例放大器能够通过对输入电压（0～24V）进行调节，对比例对溢流阀的输入电流进行调节，进而控制整个系统的油压大小，最终起到调节输出拉力的作用。Y-PG1205-40MPa-GB型压力传感器是将压力信号转化为电压信号，并通过USB-4716型数据采集卡实时记录，可得到压力时程曲线。实验的最终目标是保证张拉缸的输出拉力上升速率不超过20kN/s，钢筋所受的实际预应力值与设计额定值（80kN）之间的绝对值不能超过额定拉力值的6%。
3.3实验结果
实验过程中，通过不断调节比例放大器的输入电压值来不断修正输出拉力。首先，将输出电压设置为9V和18V，进行初调测试，得到的压力-时程曲线见图3。从图3中可以看到，当输入电压为9V时，压力值在0～6s内近似呈线性增长，在6s时达到压力峰值6.45MPa；之后（6～9s）压力值略有降低并呈动态振荡变化特征；当时间超过9s后，压力值基本达到稳定值，稳定的压力值约为6.11MPa，压力峰值与稳定值之间相差0.34MPa，相对超调量仅为5.6%。当输入电压为18V时，压力值在0～6s内也近似呈线性增长，在6s时达到压力峰值22.9MPa；在6～9s时间内，压力值略有降低并也呈动态振荡变化特征；当时间超过9s后，压力值基本达到稳定值，稳定的压力值约为22.05MPa，压力峰值与稳定值之间相差0.85MPa，相对超调量仅为3.7%。从实验结果可以看出：随着输出电压的增大，系统控制的液压油压力值也越大；压力线性增长时间均在6s内完成，压力稳定时间均在9s左右完成，系统压力稳定值分别为6.45MPa和22.9MPa。而设计执行元件最大工作压力大小为14.6MPa，故可以预见，设计输入电压介于9～18V之间。采用上述方式，继续对比例放大器的输入电压进行不断调节，经多次调节后，最终确认输入电压值为13.92MPa，其获得的压力-时程曲线见图4。从图4中可以看到：压力-时程曲线在0~6s中呈线性增长，最大值出现在6s处，压力最大值为15.32MPa，稳定值为14.6MPa，最大值与稳定值之间相差0.72MPa，相对超调量为4.9%。将图4中的压力-时程曲线转化为拉力-时程曲线，结果见图5。从图4中可以看到：张拉机的实际输出拉力值在前6s呈线性增长，拉力上升幅度为14.36kN/s，小于设计要求的20kN/s的限值；拉力峰值为83.95kN，稳定值为80kN，两者相差3.95kN，相对超调量为4.9%，小于设计要求6%的限值。由此可见，本文设计的张拉机在张拉作业中的各项参数均满足相关要求，具有较好的工作性能。
4结论
先张法在高速铁路CRTSIII型无砟轨道预应力钢筋施工中较为常用，具有抗裂性好、抗翘曲性佳、经济高效等优点。本文针对先张施工工艺，设计出一套以液压系统控制的自动张拉机，通过室内性能检测实验，得到该款张拉机的输出拉力上升速率为14.36kN/s，相对超调量为4.9%，均满足不大于设计要求的20kN/s和6%，各项性能较佳，可在CRTSIII型无砟轨道生产中推广使用。
参考文献
[1]姚志清.CRTSⅡ型板式无砟轨道长桥上底座板张拉连接技术[J].石家庄铁道大学学报（自然科学版），2014，27（S1）:153-157.
[2]刘运红.先张法预制CRTSⅢ型轨道板工艺及经济性分析[J].铁路工程技术与经济，2018，33（04）:21-24.
[3]王梦，王继军，赵勇，等.CRTSⅢ型先张法预应力轨道板流水机组法生产工艺预应力筋张拉力锁紧方式研究[J].铁道建筑，2019，59（01）:81-83+133.
[4]杨永明.CRTSⅢ型轨道板流水机组生产工艺预应力筋张拉方式研究[J].铁道建筑，2017（07）:119-122.
[5]荣慧明.先张预应力CRTSⅢ型无砟轨道板预制施工技术研究[J].工程建设与设计，2019（02）:116-117.
[6]蒋成名，刘玉波，杨乐明，等.CRTSⅢ型无砟轨道板下埋式先张法张拉台座施工控制[J].安徽建筑，2017，24（06）:105-109.
[7]王梦，王继军，赵勇，等.CRTSⅢ型先张预应力轨道板设计及制造技术[J].中国铁路，2017（08）:16-20.
[8]王红亮.郑徐客运专线CRTSⅢ型先张无砟轨道板创新技术及生产工艺[J].高速铁路技术，2015，6（03）:41-45.
[9]姜大伟，费树明，陈立岩，汪成林.轨枕预应力张拉机设计[J].长春工业大学学报（自然科学版），2010，31（03）:305-308.
[10]邝润锡.张拉机全自动控制系统设计[J].机电工程技术，2018，47（07）:106-108+205.
