宋海磊，吳元文，2*，王進(jìn)戈 ，王紅亮,毛 勁,馮衛(wèi)東

(1．西華大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，四川 成都 610039；2．宜賓普什集團(tuán)有限公司 ，四川 宜賓 644007；3.中鐵二十三局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610072)

隨著高速鐵路在中國的快速發(fā)展，中國研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新CRTSIII軌道板。中鐵二十三局根據(jù)鐵道部項目要求，提出后張結(jié)構(gòu)先張工藝、同步張拉同步放張的理念，而目前世界上尚未解決先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋同步放張的施工難題；因此，需要設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)同步卸荷的同步放張器。高速鐵路軌道板先張預(yù)應(yīng)力同步放張器是中鐵二十三局承擔(dān)的高速鐵路先張軌道板關(guān)鍵技術(shù)研究項目中的關(guān)鍵放張器。

本文研究的氣液聯(lián)動自動同步放張器是根據(jù)鐵道部試驗項目要求設(shè)計的新產(chǎn)品。該產(chǎn)品能夠解決軌道板制作過程中先張鋼筋不同步卸荷的難題，保證了各張拉鋼筋同時放張且放張速度無級可調(diào)，這不僅提高了效率，也減輕了現(xiàn)場工人的勞動強(qiáng)度。

1 同步放張器工作原理

高速鐵路新CRTSIII軌道板按先張法制作時鋼筋上要承受80 kN的預(yù)拉力，而2根鋼筋的距離僅有54 mm，空間狹小，軌道板生產(chǎn)車間的環(huán)境惡劣；因此，采用氣液聯(lián)合控制來完成放張。采用同一空氣壓縮機(jī)通入的氣源，能夠保證各個放張器同時開啟，達(dá)到先張預(yù)應(yīng)力同步卸荷[1]的目的。工作原理簡圖如圖1所示。

1—缸蓋；2—氣缸活塞；3—中活塞；4—油缸活塞；5—單向閥小球；6—彈簧；7—缸筒；8—連接頭。

圖1 放張器工作原理圖

氣液聯(lián)動自動同步放張器利用液壓油缸內(nèi)的封閉液壓油來承受鋼筋80 kN的拉力，放張時高壓氣推動空氣腔的活塞2使其頂開單向閥小球5，高壓油流出卸荷，液壓腔活塞4軸向移動完成放張。之后，油腔活塞4受到壓縮彈簧6的推力而自動復(fù)位，完成一個工作循環(huán)。多個放張器在同時通氣時同步開啟，完成所有鋼筋的放張器同步放張的功能[2]。

液壓油的不可壓縮性保證了其受力時極小的變形。連通管道內(nèi)氣體壓強(qiáng)處處相等保證了多個放張器在與氣源相接時氣壓相等，放張器能夠同步開啟，達(dá)到同步卸荷。液壓油通過較小的細(xì)孔流過，小孔的直徑改變，可以保證卸荷速度可以調(diào)節(jié)，避免瞬間卸荷造成對混凝土構(gòu)件的沖擊，影響軌道板強(qiáng)度。

2 整體設(shè)計

2.1 油缸活塞桿的設(shè)計

放張器用在較小的空間中不能超過54 mm，其缸體及活塞桿在滿足強(qiáng)度要求及安全系數(shù)的情況下，尺寸要盡可能的??；因此，選取強(qiáng)度較高的合金鋼[3]。

活塞桿的直徑應(yīng)滿足

(1)

式中：d為活塞桿直徑，mm；F為活塞桿所受的拉力，N?；钊麠U內(nèi)要鉆孔放單向閥小球，因此選定活塞桿的直徑為15 mm，以保證強(qiáng)度。

2.2 缸筒的設(shè)計及驗算

缸筒的外徑要小于54 mm，同時要保證缸筒壁有足夠的強(qiáng)度；因此，內(nèi)徑初步選定為35 mm。油腔內(nèi)的壓力

(2)

式中：p為缸筒內(nèi)油壓的最大工作壓力，MPa；F為缸筒所承受的最大拉力，N；D為缸筒的內(nèi)徑，m；d為活塞桿直徑，mm。按38CrMoAl材料的力學(xué)性能參數(shù)和靜載荷計算，安全系數(shù)n=3。計算的缸筒厚度最小值為7.746 9 mm，選取壁厚8 mm滿足要求。

缸筒底部為平面，其厚度為σ1，按照四周嵌住的圓盤強(qiáng)度公式對缸筒底部厚度進(jìn)行近似計算

(3)

式中：σ1為缸筒底部厚度，m；p為缸筒內(nèi)油壓的最大工作壓力，MPa；σp為筒底部材料許用應(yīng)力，Mpa。由式(3)可知，只要缸筒底部的厚度大于8.3 mm即可，故選取13 mm。

由于工作時為高壓狀態(tài)，為保證工作安全，額定壓力必須要小于一定極限值，因此，應(yīng)對額定壓力進(jìn)行驗算

(4)

式中：σs為材料的屈服點，MPa；D為缸筒的內(nèi)徑，mm；D1為缸筒的外直徑，mm。額定壓力必須在塑性變形的范圍內(nèi)，要與完全的塑性變形壓力有一定的關(guān)系從而避免發(fā)生塑性變形，保證缸筒能夠在安全范圍內(nèi)工作[4]。

PN≤(0.35～0.42)prlPN≤111.82 MPa

(5)

式中：prl為缸筒發(fā)生安全塑性變形的壓力，MPa，prl≤2.3σslg(D1/D)。其設(shè)計效果，如圖2所示。

1—缸蓋；2—氣缸活塞；3—中活塞；4—油缸活塞；5—油缸彈簧；6—缸筒；7—連接頭。

圖2 放張器設(shè)計效果圖

為確保徑向變形在允許的范圍內(nèi)，應(yīng)對缸筒的徑向變形進(jìn)行驗算

(6)

式中：D為缸筒內(nèi)徑，mm；D1為缸筒的外直徑，mm；υ為缸筒材料泊松比，υ=0.3。計算變形量為53.385 μm。變形量在密封圈的允許范圍內(nèi)不會出現(xiàn)油液泄漏，能夠保證密封性。

為保證絕對的安全，需要對缸筒的爆裂壓力PE進(jìn)行驗算

(7)

式中：σb為缸筒材料的抗拉強(qiáng)度，MPa；D為缸筒的內(nèi)徑，mm；D1為缸筒的外直徑，mm。只要使用時壓力小于pE就不會發(fā)生爆裂。設(shè)計的油腔內(nèi)的壓力最大為102 MPa，遠(yuǎn)小于pE(376.05 MPa)，故絕對安全，不會發(fā)生爆裂。

2.3 整體密封的設(shè)計

在活塞桿承受80 kN的軸向拉力后，油腔內(nèi)的液壓油達(dá)到102 MPa，超高壓對密封的相對難度增加[5]。

在超高壓時，O型密封圈所受到的壓力很大，產(chǎn)生的擠壓變形較大。為減輕變形后磨損，需要在密封圈的非承壓側(cè)加單邊的擋圈，以免密封圈變形后被擠進(jìn)缸筒和活塞的間隙中。

高壓密封圈選擇的是全氟橡膠自制專用的O型圈，以減小密封圈在受到高壓時的變形。上面計算的徑向變形量在密封圈的變形范圍內(nèi)，能夠滿足密封性要求。

2.4 所需氣壓計算

卸荷時空氣腔活塞桿推力打開單向閥，氣壓對氣缸活塞的推力要大于或等于單向閥小球受到的力[6]。

推力及空氣腔活塞所受到的力與有效面積有關(guān)。有效面積S就是氣缸內(nèi)徑D的面積，與活塞的面積相等

(8)

氣腔活塞所受到的力跟活塞所接觸的零件摩擦力有關(guān)[7]。氣腔大活塞與缸筒接觸存在摩擦力F1，經(jīng)過多次試驗調(diào)節(jié)為136.1 N；大活塞與中間活塞接觸存在摩擦力F2，經(jīng)試驗調(diào)節(jié)為90.1 N；開啟單向閥需要與鋼珠接觸，受到彈簧彈力F3，設(shè)定為7.75 N；高壓的油液形成對小鋼珠的推力F4，為

F4=pS=628.07 N

(9)

各力的合力F為832 N，因此需要氣壓為0.86 MPa。壓縮空氣的壓力達(dá)到0.87MPa以上時就能夠保證所有放張器開啟，使鋼筋預(yù)應(yīng)力同步放張。

最后，為增加強(qiáng)度以及防止裝置在潮濕工作環(huán)境中工作時出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，還應(yīng)對零件進(jìn)行防銹處理[8]。

3 活塞桿有限元分析

在整個裝置的所有零件中，油缸活塞桿受到的力最大且中部還有鉆孔，是最關(guān)鍵零件；因此只要它能滿足強(qiáng)度要求，其他零件也都能滿足要求。油缸活塞桿的分析圖，如圖3所示。

圖3 活塞桿的受力變形位移圖

由圖可知：活塞桿受力時產(chǎn)生變形，最大位移為0.12 mm，能夠滿足設(shè)計要求；活塞桿在突變處會產(chǎn)生應(yīng)力集中，但局部小范圍的較大應(yīng)力集中不影響零件整體性能強(qiáng)度。

4 拉伸試驗

在完成零件裝配后，為確保放張器能夠?qū)崿F(xiàn)其功能，對放張器進(jìn)行拉伸試驗。零件拉伸曲線，如圖4所示。

圖4 拉伸試驗的拉斷曲線圖

由圖可知，裝置密封較好，沒有出現(xiàn)泄漏情況，中間平緩段為油液變形。拉伸試驗結(jié)果與軟件分析得到的變形量基本一致，能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能，設(shè)計是合理的。在拉伸機(jī)的拉伸試驗中，拉斷時受力121 kN，遠(yuǎn)大于設(shè)計要求的80 kN，因此設(shè)計符號安全規(guī)定。

經(jīng)過設(shè)計及驗證后的放張器在齊齊哈爾嚴(yán)寒條件下使用，能夠達(dá)到所有鋼筋同步放張的要求，實現(xiàn)了設(shè)計功能。圖5為在齊齊哈爾軌道板廠的試驗現(xiàn)場圖。

圖5 齊齊哈爾軌道板廠連接實用圖

5 結(jié)論

本文介紹了一種高速鐵路先張軌道板鋼筋預(yù)應(yīng)力同步放張器。其結(jié)構(gòu)巧妙，體積較小，能夠?qū)崿F(xiàn)各種場合先張鋼筋預(yù)應(yīng)力的放張，且已成功運(yùn)用在高速鐵路新CRTSIII軌道板先張法的生產(chǎn)過程中。該產(chǎn)品為我國高速鐵路新CRTSIII軌道板采用先張工藝的技術(shù)改造提供理論參考，具有一定的實用意義。

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