板式无砟轨道三轴同向精调爪及配套辅助装置

王 金，傅重阳，苏雅拉图，武永珍，万云乾，薛泽民

（1.中铁三局集团有限公司，山西 太原 030001；2.中铁三局集团第五工程有限公司，山西 晋中 030600）

随着我国高速铁路建设的快速发展，研发具有自主知识产权的板式无砟轨道成套技术已成为当务之急。2009 年在成都至都江堰城际客运专线，开展了具有完全中国自主知识产权的板式无砟轨道成套技术工程实验与设计创新工作，并取得了成功，于2010 年12 月正式定型为CRTS Ⅲ型轨道板。在“新基建”的背景下，利用信息化手段、工装设备研发、工艺技术革新服务于铁路建设，为工程建设提质增效，是铁路智能建造的大趋势。按照“机械化换人、自动化减人、信息化替人”的思路，2022 年度中铁三局集团有限公司在行业内首次提出了基于末端反馈的板式无砟轨道智能精调思路，开展板式无砟轨道智能精调设备的研究与应用，主要包括基于末端反馈的轨道板精调系统及配套传感器固定装置，三轴同向低扭力新型精调爪，精调爪驱动系统及配套助力装置、四驱四转同步走行系统及辅助设备。

1 板式无砟轨道精调爪及调整技术现状

目前，CRTS Ⅲ型轨道板施工精调设备是“精调爪+扭力扳手”，每块轨道板4 个角点位置各安装1 个精调爪（图1），配置4 名精调工人（图2），各位置的工人根据轨道板测量调整数据，凭借着以往调整经验转动精调爪调节螺杆上的扭力扳手，先调节高程螺杆，再调节横、纵向螺杆，调节过程中高程和横、纵向调节量相互影响，需经多次测量、调整才可完成整个精调作业。

图1 传统精调爪

图2 “人工+精调爪+扭力扳手”调整方式

2 传统精调爪及调整技术存在的问题

传统板式无砟轨道精调爪及调整技术主要存在的问题如下。

1）工人通过经验转动精调爪调节螺杆上的扭力扳手，通过转动次数，来判断精调爪螺杆丝扣上升或下降圈数，依据丝扣距离，进而推算出具体上升或下降的距离，操作工人的熟练程度决定了调整的准确性。

2）调整过程中，需要先调节高程螺杆，再调节横、纵向螺杆，导致高程和横、纵向调节量相互影响，需经多次测量、调整才可完成整个精调作业。

3）整个施工过程中轨道板铺设工序人员参与频繁，工作时间受限且施工劳动强度大。

3 三轴同向精调爪及配套辅助装置设计原理

三轴同向低扭力新型精调爪如图3 所示，优化精调爪的传动方式，大幅降低精调爪所需的扭矩，同时将3 个传动轴设置于同一平面，提高精调电机与精调爪的连接效率。

图3 新型三轴同向大扭矩精调爪结构示意图及实物图

新型三轴同向精调爪主要包括底座、横向调整机构、纵向调整机构、高程调整机构等。

1）横向调整机构 底座上开设有凹槽，凹槽内横向调整机构，横向调整机构包括横向架，横向架与横向保护壳通过螺栓紧固连接，横向保护壳上设有横向旋钮，横向旋钮下方设有横向连接轴，且横向连接轴贯穿横向保护壳，并向内延伸，横向连接轴上套设有横向动力锥齿轮，横向动力锥齿轮的一侧设有横向传动锥齿轮，横向动力锥齿轮与横向传动锥齿轮相啮合，横向传动锥齿轮上设有横向螺纹杆，横向螺纹杆贯穿底座，并延伸至凹槽内，且端面与凹槽转动连接，凹槽上方设有纵向调整机构。

2）纵向调整机构 包括纵向架，纵向架底部设有弧形块，弧形块套设置在横向螺纹杆外，并与横向螺纹杆相配合，弧形块与横向螺纹杆螺纹配合，且弧形块与凹槽相适配，纵向螺纹杆与纵向架转动连接，纵向架上设有纵向保护壳，纵向保护壳上设有纵向旋钮，纵向旋钮下方设有纵向连接轴，且纵向连接轴贯穿纵向保护壳，并向内延伸，纵向连接轴外套设有纵向动力锥齿轮，纵向动力锥齿轮一侧设有纵向传动锥齿轮，纵向动力锥齿轮与纵向传动锥齿轮相啮合，纵向传动锥齿轮上设有纵向螺纹杆，纵向螺纹杆贯穿纵向架，纵向螺纹杆上套设有移动座，移动座与纵向螺纹杆螺纹配合，移动座上设有顶盖，顶盖上设有高程调整机构。

3）高程调整机构 包括高程架，高程架上设有高程保护壳，高程保护壳上方设有主旋钮，主旋钮下方设有高程连接轴，高程连接轴贯穿高程保护壳，并套设有主齿轮，主齿轮底面设有高程螺纹杆，高程螺纹杆贯穿高程架，并向下延伸，高程螺纹杆与顶盖转动连接，高程螺纹杆外套设有移动块，移动块与高程螺纹杆螺纹配合，移动块端面设有调整板，高程架背面设有背板，移动块上呈相对状设有延长板，延长板与高程架相配合，主旋钮的一侧设有副旋钮，副旋钮下方设有副轴，且副轴贯穿高程保护壳，并套设有副齿轮，副齿轮与主齿轮相配合，具体的，主齿轮与副齿轮采用1：2 平齿轮，有利于放大末端扭矩。

精调爪驱动系统及配套助力装置采用气动助力臂作为新型精调爪驱动、对位及压紧结构（图4），有效提高了套筒与精调爪顶部螺母的对位效率，同时有效降低了施工成本，增加了设备的实用性。

图4 新型精调爪驱动装置对位及压紧结构

轨道板精调辅助装置（图5），主要包括电机保护盒、电机、助力连接构件，助力连接构件与电机保护盒固定相连，助力连接构件上设有与助力臂连接的接头和用于握持的把手；电机竖向安装在电机保护盒内、输出轴向下，电机保护盒的下端设有卡槽结构，卡槽结构与精调爪的垂直端头适配，通过卡槽结构将电机保护盒与精调爪卡扣式连接实现转矩传递，电机的输出轴上连接有转换套筒，转换套筒端口与精调爪驱动轴适配。

图5 轨道板精调辅助装置结构示意图

4 精调爪及配套辅助装置操作要点

4.1 新型精调爪安装

1）轨道板粗铺满足要求后，分别在轨道板预埋套筒处安装新型三轴同向精调器爪（图6）。精调爪安装前，横向调整螺丝调到2.5cm，纵向和高度调整螺丝调到中间位置。

图6 安装新型精调器爪

2）轨道板安装完成后在灌注孔及观察孔处安装防尘盖，防止灰尘杂物落入污染板腔（图7）。

图7 安装防尘盖

4.2 三轴同向精调爪驱动系统就位

1）利用气动助力臂带动新型精调爪驱动装置与新型三轴同向精调爪顶部螺帽进行对位（图8）。

图8 利用气动助力臂进行对位

2）利用助力臂操作把手处微调按钮，提高套筒与精调爪螺帽对位效率。

3）对位完成后，打开气动助力臂锁定按钮（图9）。

图9 打开气动助力臂锁定按钮

4.3 轨道智能精调三轴同向新型精调爪使用

1）轨道板智能精调施工采用“高程→横向→纵向”的调整循环方式。

2）利用助力装置带动精调驱动装置与z轴（高程）螺母定位，高程旋钮转动时，带动高程螺纹杆转动，利用延长板可对移动块进行限位，有利于移动块沿高程螺纹杆运动，实现高程调节。

3）利用助力装置带动精调驱动装置与x轴（横向）螺母定位，当横向旋钮转动时，带动横向动力锥齿轮与横向传动锥齿轮相互啮合，使横向螺纹杆转动，带动纵向架连接的弧形块沿凹槽内滑动，实现横向调节。

4）利用助力装置带动精调驱动装置与y轴（纵向）螺母定位，当纵向旋钮转动时，由纵向动力锥齿轮与纵向传动锥齿轮相互啮合，带动纵向螺纹杆转动，使移动座沿纵向螺纹杆运动，实现纵向位置的调整。

5 主要特点

1）高程调整采用带台阶加厚大齿轮平齿结构+小齿轮平齿结构配合驱动结构，有效降低了精调爪所需的扭矩，同时更改平齿轮接触面板位置形状，并增加衬套，与上下固定钢板间形成了有效间距，有效提高了齿轮使用寿命。

2）顶部高程调整平尺组固定结构采用公母扣连接，有效降低了精调爪调节过程中，内部扭力过大造成固定结构变形，导致齿轮固定轴不同轴造成断裂、卡死等问题。

3）将精调爪横向调整齿轮组和纵向调整齿轮组优化为密封精密结构，有效减少了由于齿轮晃动造成的齿轮损坏问题，提高了整个精调爪的使用寿命。

4）将精调爪部分构件进行打孔处理，有效减少了精调爪整体重量，提高了实用性。

5）采用气动助力臂作为新型精调爪驱动装置、对位及压紧结构（最大扭力可达到200Nm），与协力臂+三维对位系统相比，虽然降低了自动化程度，但有效提高了套筒与精调爪顶部螺母的对位效率，同时有效降低了施工成本，增加了设备的实用性。

6）在助力臂操作把手处增加微调按钮，进一步提高套筒与精调爪螺帽对位效率，同时，当发生精调爪浮空的问题（翘板）时，可快速利用微调按钮，使精调爪下落到底座板上。

7）助力臂行程及活动范围大，可适用于P4825、P4925、P5600 等多种常用轨道板及非标轨道板的精调作业，增加了轨道板精调设备的通用性。

8）助力臂行走端及旋转端设计制动装置，通过拨动气动开关，可快速锁死助力臂，保证了末端搭载精调电机套筒与精调爪螺帽的紧密连接。

6 结语

通过板式无砟轨道三轴同向精调爪及配套辅助装置的研究与应用，解决轨道板智能精调过程中，采用助力臂将电机直接与精调爪直接连接，电机在无人工辅助的状态下，自转幅度大且回转易脱离精调爪或因扭力过大损伤精调爪结构、破坏电机和助力臂（机械臂、液压臂等其他助力设备）设备，同时精调过程中晃动大，无法限位，影响精调数据的稳定等问题，提高了轨道精调效率，各项指标符合设计要求，为同类型设备的研制提供参考。