无砟轨道智能振捣设备研究及应用

卢定远

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 引言

国家“十四五”规划强调要加快健全完善高速铁路，加快推进“八纵八横”高速铁路主通道建设，有序拓展区域高铁连接线[1]。近年来高速铁路快速发展，无砟轨道已取代传统有砟轨道的主导地位，随着国民经济快速发展、国民对高速铁路需求增大及高速铁路的高质量持续发展，无砟轨道施工智能化和产业化必将迎来进一步的推广与大力支持[2]。

无砟轨道整体道床板混凝土传统振捣方法大多采用人工振捣[3-4]，存在振捣质量差、易发生混凝土开裂、振捣不均匀且消耗大量人力成本等问题，以致无法保障振捣质量及效率。

本文以实际工程为依托，研究一种用于无砟轨道混凝土振捣的智能振捣设备，可用于直线、曲线段混凝土振捣，兼具减振，斜插式振捣及可控式振捣功能。相较于传统无砟轨道振捣，具有振捣施工低成本、高效率、高质量、振捣参数可控等优点。从多功能、智能化机械设备方向解决人工振捣及简易振捣装置高成本、低效率问题。

2 项目工程概况

渝昆高速铁路全长699 km，速度为350 km/h。做为国家“八纵八横”高速铁路主通道之一“京昆通道”的主要组成部分，如图1所示，途径重庆省、四川省、贵州省和云南省[5-6]，其地理位置十分重要，不仅能够促进城市发展，同时也是国家高速铁路健全完善规划中不可或缺的部分。施工过程曲线段铁路干线大量增加，必然会增加无砟轨道施工难度。本着高效率、高质量混凝土振捣理念，研制无砟轨道混凝土智能振捣设备，在消除对轨排不利因素前提下，实现高效率、低成本、高质量的智能振捣。

3 无砟轨道智能振捣设备技术参数及结构组成

3.1 无砟轨道智能振捣设备技术参数

(1)步进行程:轨枕间距。

(2)工作行走速度:10 m/min。

(3)升降速度:工频状态升降速度为150 mm/s；由混凝土提出速度为80 mm/s。

(4)振捣棒额定转速:2 800 r/min。

(5)振捣棒工作频率:50 Hz。

(6)振捣工作循环时间:走行4 s；上升6 s；下降4 s；振捣 25 s。

(7)升降范围:0～600 mm。

(8)有效振捣深度:260 mm。

3.2 无砟轨道智能振捣设备结构组成

无砟轨道智能振捣设备主要用于高铁线路双块式无砟轨道整体道床板混凝土的智能化可控式振捣，主要由机架、走行装置、振捣系统、升降系统和电控系统等构成。机架采用铝合金构件，不仅满足实际工况强度与刚度要求，同时还符合轻量化设计理念，以减少振捣施工过程中对轨排的不利影响。走行轮采用铸钢件，强度刚度满足要求[7-8]，可适应曲线段振捣施工，极大提高了实用性。无砟轨道智能振捣设备结构组成如图2所示。

机架采用铝合金材料，材质密度小且要求其焊接性能好，以实现智能振捣设备的轻量化且可有效避免焊接缺陷、无法正常焊接等问题，同时在一定程度上可有效将振捣施工对轨排冲击的不利影响降至最低。行走装置由两组主动行走机构及两组从动行走机构组成，轨轮式走行结构装配于机架底部。两组主动行走机构分别由变频电机驱动，实现通过调整走行速度来调控混凝土振捣质量的目的。振捣系统主要由振动电机、振捣棒、减振器及升降扁担梁组成。振动电机用来驱动振捣棒进行振捣，每根振捣棒配一台振动电机，每台振动电机与水平面呈45°夹角安装于机架上，在振动电机安装板与机架之间装配减振器，以降低振捣过程驱动电机产生的振动对轨排的不利影响。振捣棒并排间隔安装在扁担梁上，既可通过同步振捣以实现混凝土振捣的均匀同步性，也可根据实际工况要求，单独控制一根或者几根振捣棒进行振捣施工，同时还可实现斜插式振捣。升降系统采用链传动柔性升降，分别安装于机架两侧，主要由升降减速电机、传动轴、主动链轮、导向链轮及链条等组成[9]。链条一端与链轮固定，另一端与扁担梁连接，升降减速电机驱动两侧主动链轮，利用链条带动扁担梁运动，通过升降减速电机正反转实现扁担梁的升降，上升时链条拉紧向上提升，下降时链条放松，扁担梁靠自重下落。升降减速电机为变频电机，升降速度变频可调，以实现振捣棒快速下插、慢速上提，从而保障混凝土振捣施工质量。

无砟轨道智能振捣设备电控系统主要包括变频器、继电器及遥控器等，可实现“自动”和“手动”两种振捣工作模式。“自动”控制模式是指升降和振捣过程完全通过PLC控制，即无砟轨道智能振捣设备从振捣棒下降、上升及整个设备走行的每个工作循环完全按照提前设定好的数据完成。“手动”控制模式是指使用遥控器进行控制，即无砟轨道智能振捣设备工作循环中的每个动作均通过操作人员把控完成；同时可通过调节PLC内部程序、变频器、升降限位等实现控制智能振捣设备走行速度、振捣速度、振捣深度、振捣时间等参数[10-12]，从而实现不同坍落度混凝土的密实性。

4 无砟轨道智能振捣设备工作原理及关键技术

4.1 无砟轨道智能振捣设备工作原理

无砟轨道智能振捣设备以机架为承载体，其他系统和机构均安装于机架上。走行机构采用蜗轮蜗杆减速机驱动轨轮式，走行电机通过变频器控制，走行速度可调，走行到位停机方式可为“手动”模式下的操作人员目测控制停机或“自动”模式下编码器计数控制停机。走行机构驱动整机每次步进一个轨枕间距，用于控制振捣棒的振捣位置。升降系统为蜗轮蜗杆减速机驱动的链传动提升装置，利用电机正反转控制链条带动安装于扁担梁上的振捣棒上升或下降，实现振捣棒在混凝土中插入和拔出功能，同时还能够调节振捣棒的振捣深度，升降的极限位置由行程开关控制。振捣系统由振捣电机、振捣棒和电机安装座组成，振捣棒通过振捣电机驱动且在升降系统控制下，完成混凝土振捣动作，振捣频率高、激振力大，可完全覆盖道床板横向宽度和前后轨枕间混凝土的振捣。减振系统安装于振捣电机座板与横梁之间，用于消减振捣棒工作过程中对轨排的影响，提升施工质量。电控箱安装于车架尾端，内部装配PLC及变频器等，用于控制走行、升降、振捣等系统的动作。振捣时间通过编程控制，针对不同坍落度的混凝土使其振捣参数更合理，可有效避免混凝土振捣不足或过振现象。

在施工过程中，无砟轨道智能振捣设备整机吊放于精调好的轨排轨道上，振捣棒位于前后轨枕中间位置。根据轨枕间距、混凝土坍落度，调节PLC及变频器，设定走行速度、升降速度、振动频率等参数。混凝土浇筑完成后，启动振捣车走行系统，整机前进一个轨枕间距(此时振捣棒位于前后轨枕中间位置)，启动升降系统和振捣系统，开始混凝土振捣作业，振捣完成后，升起振捣棒，关闭振捣电机；整机向前步进一个轨枕间距，进行下一个工作循环。

4.2 无砟轨道智能振捣设备关键技术

无砟轨道智能振捣设备机架轻，结构强度及刚度满足实际工况需求，保证实现对轨排影响程度低的智能振捣；智能振捣设备具有5根振捣棒，振捣棒既可同步振捣，保证振捣的均匀一致性，同时可根据曲线段混凝土不同坍落度，单独控制单根或者几根振捣棒进行混凝土振捣，以实现可控式智能振捣；智能振捣设备可边走行边振捣，走行及振捣速度均可通过变频调节，进一步调节振捣速度及频率，可广泛适用于不同坍落度混凝土及不同地质条件的振捣；智能振捣设备采用链轮柔性升降及减振器，有效降低了振捣过程振动对轨排的不利影响及对设备本身的影响，对于施工质量及设备长久使用具有较深意义。

使用无砟轨道智能振捣设备不仅能够实现高速铁路直线段振捣，还能实现高速铁路曲线段振捣，根据不同混凝土坍落度及坡度工况，可调整为斜插式振捣模式，从而有效提高振捣施工质量。

5 应用效果

无砟轨道智能振捣设备应用于渝昆高速铁路施工，明显降低了振捣施工成本、提高了道床板混凝土振捣施工质量及施工效率，解决了传统人工振捣不均匀、密实度欠缺、振捣质量差、易发生混凝土开裂且振捣效率低的问题。现场施工如图3所示。

6 结论

为解决无砟轨道混凝土人工振捣效率低、质量差、成本高等问题，本文结合实际工程项目，研制了无砟轨道智能振捣设备，能实现边走行边振捣的可控式智能振捣。

(1)该设备走行于轨道上，重量轻且兼具减振功能，能够在保证振捣质量及效率的基础上，进一步减少走行振捣过程中对轨排的不利影响。

(2)无砟轨道智能振捣设备结构设计及电控原理可以推广至高速铁路施工中的更多相关领域。