地铁预应力长轨枕钢模的设计与应用

杨 阳

(汝州郑铁三佳水泥制品有限公司,河南 汝州 467500)

1 研究背景

地铁预应力长轨枕(以下简称地铁长枕),作为地铁线路常用的基础部件,随着地铁建设里程的快速延长,需求量也日益增多,但目前在流水机组法地铁长枕的生产过程中,普遍存在套管位置精度超标、坡度不合格、外观质量差,特别是横孔周围和端部因为密封不严漏浆造成的外观质量差,有时甚至发生被施工单位退货的情况,影响地铁线路的正常施工。

我公司有幸中标了郑州地铁2号线的地铁长枕、短轨枕和岔枕的供应。由于地铁和大铁的业主不同,所以对产品要求的理解也不尽相同,地铁相对于大铁对于产品的外形尺寸的要求基本相同,但外观要求更为严格一点。我公司在大铁普通预应力混凝土轨枕和高速岔枕钢模型的基础上,集各种钢模型的优点,研制出了一种新型地铁长枕钢模型,其主要创新在于：①使用机加工的端平板和定位螺栓,保证其塑料套管的位置和承轨面坡度；②利用橡胶复合铁挡板中橡胶的特性对轨枕端部进行密封；③利用充气后横孔成孔器的膨胀对钢模侧孔实现密封,放气后成孔器收缩又可顺利取出。通过以上措施的实施,生产出的地铁长枕,外观基本没有气孔,非常漂亮。得到了同行和业主、监理的高度评价。研制出的一种橡胶成孔器已经申请了国家专利(专利号ZL 2016 2 1326772.5)。

2 地铁长枕的钢模研制

2.1 地铁长枕简介

地铁长枕分2.1米和2.2米两种型号,由四根高强度螺旋肋钢筋、数道箍筋、4个塑料套管和C60混凝土组成。塑料套管根据扣件系统要求设置在轨枕中心线两侧,相对尺寸公差小于±1mm,两承轨面向内设1∶40的坡度,表面缺陷(气孔、粘皮、麻面等)的长度≤10、深度≤5,要求十分严格。

2.2 国内生产工艺现状及存在的问题

目前国内生产地铁长枕的生产基本上全部采用流水机组法生产工艺,钢模为2×5的结构形式,为成本考虑,采用6mm的Q235钢板拼焊而成,塑料套管直接安装在上面,铁挡板与钢模壳体之间采用大间隙配合,横孔成孔器采用钢管加工而成,与钢模侧孔采用小间隙配合。这种结构的钢模生产出来的产品存在承轨部位平面度超标,套管位置不准确,外观蜂窝麻面多等诸多问题。

2.3 钢模及工艺配件的方案设计

经过分析,承轨部位套管位置、坡度平面度超差的根本原因,在于钢模相应位置的刚度不足在焊接过程中变形所致,端部和横孔周围蜂窝麻面的主要原因在于钢模和工艺配件之间的缝隙过大,混凝土在振动过程漏浆严重造成的。为此,我们分别制定了如下技术方案并进行了深入讨论。

2.4 方案研究和确定

2.4.1 模壳设计

模壳提出了如下两种方案：①沿用国内通用的结构形式,采用6mm钢板拼焊而成,只是在承轨部位使用20mm厚的经过机械加工的钢板。②基于成本和质量的双重考虑,采用五段折弯模壳焊接成型,承轨部位结构同方案①。

方案①的优点在于工艺成熟、成本较低,承轨部位尺寸保证率高,但缺点在于焊接和打磨工人技术参差不齐,难免出现模壳纵向拼焊处坑凹不平,产品在放松应力过程中造成掉角掉块,影响外观。方案②大大减少了纵向的焊缝长度,可有效避免方案①出现的问题,但难点在于模壳折弯时的精度控制。不过经过试验,技术熟练的工人使用数控弯折机可以轻松实现标准要求。

为产品外观考虑,选择方案②。

2.4.2 套管定位方式的设计

套管定位方式有三种方案：①涨套定位,即套管套在圆锥弹簧卡上,利用弹簧卡向外的涨力实现套管的定位。②橡胶螺栓定位,在灌注混凝土之前把套管旋转固定在钢模壳体的橡胶螺栓上面。③螺栓定位,也是在灌注混凝土之前,两人配合,将螺栓穿过钢模底板的定位套,一人固定螺栓,一人旋转固定套管,将套管固定在钢模上面。

以上三种方案安装在20mm厚的钢板上都能保证套管的定位精度,但由于是流水机组法生产工艺,在放松应力时,轨枕会相对于钢模壳体沿纵向移动,所以方案①是行不通的。方案②的缺点在于脱模时需要通过产品自身重量和橡胶螺栓脱离,如果脱模困难,翻模机多次起降容易造成产品掉角掉块。方案③的缺点是施工过程复杂,需要两人配合。

经过试验,单根橡胶螺栓要脱离套管,需要40kg的力量,所以使用方案②在脱模环节还有可能存在脱模困难的问题,故最终选择方案③。

2.4.3 铁挡板的设计

通常,轨枕长模设计时在两节轨枕之间预留40-60mm的间隙,为避免混凝土在浇筑振动过程中漏浆,生产过程中使用铁挡板四周与模壳端部内侧进行密封。铁挡板则为中部钻有通过预应力钢丝孔的4mm钢板,地铁长枕在脱模后要使用钎子和锤子使铁挡板与轨枕脱离,清理完毕后,同预应力钢丝一起放入钢模,再次利用。经过多次反复,铁挡板势必发生变形,与钢模壳体之间产生缝隙,导致混凝土浆体在振动过程中外流,端部出现蜂窝麻面。

经过反复讨论,决定在轨枕与轨枕之间采用全截断框加铁挡板复合橡胶的方案进行这个问题的解决,原理是用铁挡板靠近边部的部分紧贴轨枕模壳端部形成密封,密封面积大大增大,另外在铁挡板与模壳接触的一面复合上4mm厚的橡胶,利用橡胶的弹性和两铁挡板之间橡胶挡板向外的涨力,将铁挡板紧紧的顶在模壳端部,使铁挡板与模壳之间没有一点间隙。

2.4.4 成孔器的设计

地铁长枕钢模在产品图纸相应位置,或钻或割加工有分别穿过钢模主梁、模壳等6块钢板的圆孔,生产地铁长枕的厂家全部都是在混凝土浇筑前使用钢管穿入钢模的圆孔中,这6个圆孔为了和钢管配合好,保证在混凝土振动过程中不漏浆或少漏浆,都要把配合间隙做的很小,这样就导致混凝土振动完毕后,钢管拔出困难或者拔不出来,再次穿入时也很困难的情况。随着生产的延续,就不得不把圆孔孔径扩大,导致漏浆,横孔周围出现大量的蜂窝麻面,外观十分难看。

我们发明的充气气囊式橡胶棒,和自行车轮胎一样,但也具有一定强度,在插入横孔后,将气充到一定压力,橡胶棒把钢模上的孔密封起来,等到混凝土振动完毕,将气放掉,很容易就能把它从钢模内抽出来。即降低了劳动强度,由提高了产品质量和生产效率。

3 地铁长枕钢模的主要技术特点

(1)使用经过机械加工的端平板和定位螺栓的套塑料套管定位方式,保证了承轨部位的平面度和塑料套管的定位精度;(2)铁挡板复合了橡胶,解决了轨枕因端部漏浆产生的蜂窝麻面;(3)发明的充气式橡胶棒,创新性的解决了地铁长枕生产过程中成孔器安装移出困难,周边漏浆严重的问题。

4 生产工艺和注意事项

使用本钢模及工艺配件生产地铁长枕的生产过程和使用通用地铁长枕钢模的生产工艺基本相同,但应注意以下几点：①安装铁挡板前,需要检查铁挡板是否变形严重,复合的橡胶是否与铁挡板脱离,并在有橡胶的一面涂上脱模剂备用；②铁挡板安装时,把复合有橡胶的一面朝向模壳；③橡胶棒在班后要充气存放,使用前要检查其是否漏气。如果出现漏气,则不得使用。

5 结论

通过新型地铁长枕钢模的成果研制,实现了塑料套管的精确定位,铁挡板与模壳端部及橡胶棒与横孔的良好密封,完全避免了因为混凝土漏浆原因产生的蜂窝麻面。使用新型钢模后,不仅产品质量得到了有效控制,生产效率明显提高,工人劳动强度明显降低,每套钢模的生产节奏从8分钟缩短到了5分钟。生产出的产品得到了业主、监理和施工单位的一致好评,使地铁长枕的产品质量迈上了一个新的台阶。经过相关单位的广为宣扬,许多兄弟厂家到我公司进行参观学习,此技术现已被广泛使用。