高速铁路CRTSⅢ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 100081)

高速铁路CRTSⅢ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 100081)

CRTSⅢ型无砟轨道板的自密实混凝土灌注方式不同于CRTSⅠ、CRTSⅡ型轨道板，需研制CRTSⅢ型无砟轨道板充填层自密实混凝土灌注车。根据CRTSⅢ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CRTSⅢ型无砟轨道板充填层自密实混凝土灌注施工的设备。

高速铁路 CRTSⅢ轨道板充填层 混凝土灌注车 技术参数

新近研发出的CRTSⅢ型无砟轨道板的自密实混凝土灌注方式不同于CRTSⅠ、CRTSⅡ型轨道板，需研制新型的灌注车，以满足 CRTSⅢ型轨道板线路的建设。

1 CRTSⅢ型板概况

1.1 CRTSⅢ型无砟轨道板

CRTSⅢ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CA砂浆不均匀收缩导致轨道线路不平顺的问题。

1.2 CRTSⅢ型板充填层自密实混凝土灌注

CRTSⅢ型轨道板自密实混凝土内含10 mm砂砾，最大砂砾直径16 mm，黏度大于CA砂浆。Ⅲ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、Ⅱ型轨道板，Ⅲ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

CRTSⅢ型轨道板自密实混凝土灌注车的功能应包括:①自动走行(道岔区除外);②慢速搅拌(边灌注边搅拌);③底板自润湿;④砂浆搅拌温度保持在5℃～35℃。

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200～500 mm，以便保持足够的灌注压力;搅拌速度不宜过快，以防搅入更多气泡，应该在5～40 r/min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800 mm，以便于通过175 mm超高最高点;车架应该具有足够强度，能够承受至少14 t的全重，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800 mm的聚氨酯包胶钢轮，提高通过能力;轮距在3 100～3 300 mm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4 000 mm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5～24 m/min。转向采用4个减速机驱动，经初步计算设定电机功率为1.1 kW，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2 900～3 100 mm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IP65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 CRTSⅢ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 m3。混凝土密度为2.3 t/m3，混凝土质量为3.68 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 m3。

3.1.2 水容积和质量

Ⅲ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 m3，水的密度为1 t/m3，水的质量为m水=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14 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

式中，F黏max为由轮轨间的黏着条件决定的一个动轴黏着力，N;μmax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，kN。

关于尼龙—水泥路面的摩擦系数还没有正式的文献资料，而轮胎—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μmax=0.25;设每个轮子承载力为 4 t，Q=3.5 ×9.8×103N=34.3 kN。F黏max=1 000 Qμmax=1 000×34.3×0.25=8.575×103N，粗略估算，轮径 D=800 mm，F黏max=F驱，则所需扭距为M=F黏maxD/2=8.575×103×0.4=3.43×103N·m，保持速度V=25 m/min，则单个驱动轮所需功率P单=F黏maxV，P单=8.575×25×103/60=3.57 kW，取两轮为主动轮，P总驱动=4 P=14.2 kW，可得两个主动轮的情况下每个驱动轮功率为7.1 kW。

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 kW电机驱动转向时的电机电流为1.4A。则P总转向=4P=4.4 kW。

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 m3，密度为2.3 t/m3，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混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 kW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 kW 足够，故 P总功率=P总驱动+P搅拌+P清洗+P润湿+P总转向=30 kW。

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料方式，因为泵送管口高度最大为1 800 mm。

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200 mm以上，1 000 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7 500(长)×4 000(宽)×3 400(高)mm。

4 自密实混凝土灌注车技术方案

4.1 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=30 kW，可以选择康明斯柴油发电机，常用功率30 kW。

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CRTSⅢ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CRTSⅢ型无砟轨道板自密实混凝土灌注施工，可以推广使用。

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U215.4+4

A

1003-1995(2012)06-0130-03

2012-02-15;

2012-03-20

牛怀军(1972— )，男，西藏林芝人，助理研究员。

(责任审编 王 红)