第二部分鐵路橋梁預應力管道自動壓漿2017/07鐵路工程信息化系統(tǒng)預應力施工自動化中國鐵道科學研究院目錄TABLEOFCONTENTS1.0

鐵路橋梁預應力壓漿技術現(xiàn)狀2.0

鐵路橋梁預應力自動壓漿技術的研發(fā)歷程3.0TGZY型鐵路橋梁預應力自動壓漿系統(tǒng)4.0自動壓漿工藝流程及實施要點5.0

自動化壓漿技術工藝特點6.0

前景展望1.0鐵路橋梁預應力壓漿技術現(xiàn)狀1.1

國內(nèi)外壓漿技術現(xiàn)狀及發(fā)展1.2目前自動壓漿技術存在的問題1.1

國內(nèi)外壓漿技術現(xiàn)狀及發(fā)展

預應力管道壓漿是后張法預應力混凝土橋梁工程預應力施工的主要環(huán)節(jié)和關鍵工序，壓漿質(zhì)量直接影響橋梁的承載能力和耐久性，作為隱蔽工程，壓漿施工過程的監(jiān)控一直是預應力橋梁施工的重點和難點。高質(zhì)量的管道壓漿可以提高預應力筋的防腐防銹能力，加強預應力鋼筋或鋼絞線與混凝土的粘接性，保證預應力度，減少預應力損失。

1.1

國內(nèi)外壓漿技術現(xiàn)狀及發(fā)展

國內(nèi)外壓漿技術體系，基本上都經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的簡單壓漿到真空輔助壓漿的過程。1986年，真空輔助壓漿技術誕生于瑞士，并在在歐洲和北美工程領域中取得了良好的應用效果，1996年英國運輸部采用此技術解決了由于壓漿不密實導致的預應力銹蝕的問題，從而解除了對后張法預應力混凝土結構的禁令，該技術于1999年被引入我國。同時，圍繞真空輔助壓漿技術體系，相關設備、工裝、預應力管道以及壓漿材料等方面的研究也在持續(xù)開展，取得的研究成果對于推動壓漿技術進步、解決實際工程問題具有積極的意義和作用。

現(xiàn)代壓漿設備的自動化、信息化研究和發(fā)展現(xiàn)代化工程技術和工程管理發(fā)展的主要方向，是相輔相成、缺一不可的。1.2

目前自動壓漿技術存在的問題目前國內(nèi)外自動壓漿設備主要包含攪拌制儲漿部分、漿液稱量部分以及壓漿泵、抽真空泵、配套電機、連接管路和閥件以及自動化控制系統(tǒng)組成，基本能夠?qū)崿F(xiàn)自動出漿和壓漿。自動壓漿設備的發(fā)展經(jīng)歷了從壓漿泵、控制系統(tǒng)、壓漿過程監(jiān)測系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)的升級和優(yōu)化，綜合分析國內(nèi)外預應力管道壓漿技術的現(xiàn)狀和發(fā)展，在解決壓漿質(zhì)量方面都進行了積極的探索和嘗試，也取得了一定的效果，但仍然存在以下缺陷和不足：1.2

目前自動壓漿技術存在的問題（1）自動化程度低，人為因素影響嚴重：目前的自動壓漿設備雖然能夠?qū)崿F(xiàn)自動壓漿，但是稱量、配料、壓漿和抽真空各部分基本上是各自獨立工作，特別是壓漿和抽真空，抽真空過程基本上還是人工操作和控制，各部分之間尚未實現(xiàn)在統(tǒng)一的控制系統(tǒng)下的協(xié)同工作，在各個環(huán)節(jié)之間的銜接轉(zhuǎn)換和過程狀態(tài)判斷方面尚需要人工干預，施工過程中不能對各種狀況作出及時、正確的判斷和反應，這些都造成壓漿質(zhì)量不穩(wěn)定、施工效率不高等問題，壓漿施工當前的自動化程度和水平尚需進一步完善提高。1.2

目前自動壓漿技術存在的問題（2）施工過程監(jiān)控困難，缺少壓漿密實度指標，難以判斷壓漿質(zhì)量：目前的技術水平對壓漿施工的過程參數(shù)，如溫度、壓力、真空度等關鍵參數(shù)無法自動記錄和查看，難以形成質(zhì)量追溯；由于壓漿施工屬于隱蔽工程，同時由于技術限制，因此目前缺少壓漿密實度的評判指標。比如管道壓漿材料主要由水泥、壓漿料和水嚴格按照一定的比例攪拌混合而成，壓漿施工現(xiàn)場對原材料的計量往往比較隨意，大多未進行準確計量，如采用水管直接加水、壓漿劑用量不過秤等等，甚至存在為了改善漿液的流動性而肆意增加用水量，導致泌水量過大，在管道內(nèi)形成泌水空洞的現(xiàn)象，直接威脅結構安全。1.2

目前自動壓漿技術存在的問題（3）缺少數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)交互條件，難以形成工程網(wǎng)絡化管理，在目前工程信息化大形勢下，管理效率和水平有待提高。（4）壓漿作業(yè)環(huán)境惡劣，粉塵污染嚴重，危害自然環(huán)境和作業(yè)人員健康安全。

1.2

目前自動壓漿技術存在的問題（5）《鐵路后張法預應力混凝土梁管道壓漿技術條件》（TB/T3192）等相關標準中規(guī)定了壓漿施工的工藝要求，包括：壓漿壓力為0.50MPa～0.60MPa，真空輔助壓漿的真空壓力為-0.06MPa～-0.08MPa，并規(guī)定了壓漿和抽真空的工序和時間要求等，考慮到施工現(xiàn)場條件的復雜性，為進一步控制并提高壓漿質(zhì)量，尚需更有針對性的、詳細的自動壓漿工藝方法和參數(shù)的研究。2.0研發(fā)歷程2.1

立項2.2執(zhí)行情況2.3現(xiàn)場試用2.4課題成果2.1立項總公司科技司于2016年設立科研重點課題，擬解決預應力傳統(tǒng)壓漿施工的弊端，提高我國鐵路橋梁的預制水平和管理水平。課題名稱：《鐵路工程建造技術研究—鐵路橋梁預應力管道自動壓漿系統(tǒng)應用技術研究》合同編號：2016G002-J

起止年限：2016.03-2017.06承擔單位：中國鐵道科學研究院參加單位：建設、施工、生產(chǎn)制造單位2.2

執(zhí)行情況通過了由總公司科技管理部組織的課題階段評審和驗收。2016年12月28日試用評審2016年9月19日方案評審2016年4月22日課題開題2.3

現(xiàn)場試用在鄭阜客專西華制梁場、魯南客專臨沂制梁場使用本設備進行管道壓漿開展了現(xiàn)場試用試驗，對自動張拉系統(tǒng)的功能性和現(xiàn)場適用性進行了充分驗證。2017年6月，在鄭阜客專西華制梁場組織召開了現(xiàn)場觀摩會，與會專家和領導給予了充分的肯定和積極的評價。2.3

現(xiàn)場試用2017年6月，在鄭阜客專西華制梁場組織召開了現(xiàn)場觀摩會，與會專家和領導給予了充分的肯定和積極的評價。2.3

現(xiàn)場試用40m跨度預應力混凝土簡支箱型樣品梁使用本設備進行管道壓漿。2.3

現(xiàn)場試用2017年5月，自動壓漿系統(tǒng)開始在京沈客專京冀段的潮白河特大橋、順義河特大橋展開應用，7月展開連續(xù)梁施工技術現(xiàn)場觀摩會，通過壓漿自動化提高了現(xiàn)場壓漿質(zhì)量，同時積累了豐富的現(xiàn)場工程經(jīng)驗。2.3

現(xiàn)場試用工程應用數(shù)據(jù)統(tǒng)計：水泥稱重偏差：0.00%～0.99%，準確率100%壓漿劑稱重偏差：0.00%～1.55%，準確率98.50%水稱重誤差：0.00%～1.11%，準確率99.50%抽真空度：在-0.094MPa～-0.061MPa區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)占98.50%保壓壓力：在0.5MPa以上、180s的有效數(shù)據(jù)占95.05%平均壓漿時間：32m梁480s/孔道、24m梁350s/孔道，有效數(shù)據(jù)占95.54%壓漿量計量：有效數(shù)據(jù)占98.77%2.4

課題成果課題成果：（1）TGZY型鐵路橋梁預應力管道自動壓漿機2.4

課題成果課題成果：（2）相關標準3.0TGZY型預應力自動壓漿系統(tǒng)3.1

系統(tǒng)組成3.2

系統(tǒng)技術參數(shù)3.3

系統(tǒng)功能特點3.1

系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成：主控制、機械動力、傳感測量、數(shù)據(jù)管理和輔助等五大子系統(tǒng)構成，負責完成壓漿施工過程中的配料制漿、抽真空、壓漿以及安全輔助等功能的控制和執(zhí)行。3.1

系統(tǒng)組成機械動力系統(tǒng)：刮板式上料機主要由機頭、中間部和機尾部等三個部分組成。具有輸送效率高、結構簡單、堅實耐用、安裝維修方便、密封性能好、可正反向運行方便結構設計和故障排除等優(yōu)點。工作原理：壓漿劑和水泥（或壓漿料）分別放置于相應的料斗中，PLC控制系統(tǒng)控制電機轉(zhuǎn)動帶動皮帶和刮板，考慮到壓漿劑的上料精度要求較高，因此采用倒刮的方式由刮板推動粉料通過上料通道至出料口，進入高速制漿桶內(nèi)。3.1

系統(tǒng)組成機械動力系統(tǒng)：高速制漿桶自動壓漿系統(tǒng)的高速制漿桶配套稱重傳感器主要用于配料和制漿，將壓漿料或壓漿劑、水泥與水按照規(guī)定配比準確混合，高速攪拌可使粉料與水在規(guī)定時間內(nèi)得到充分攪合，具有制漿效率高、操作簡便、漿液均勻等特點準確稱量：在高速制漿桶下方安置精度比較高的稱重傳感器，能夠滿足壓漿劑、水泥（壓漿料）和水的稱量誤差±1%的要求，同時方便專業(yè)檢驗單位的檢定校準、方便用戶的自校。3.1

系統(tǒng)組成機械動力系統(tǒng)：低速儲漿桶可實現(xiàn)臨時存儲制成漿液，通過低速攪拌保證漿液的勻質(zhì)性，本研究將稱重傳感器引入低速儲漿桶配置，從而實現(xiàn)了對出漿量的準確掌握，進而判斷壓漿密實度。3.1

系統(tǒng)組成機械動力系統(tǒng)：壓漿泵雙向自動壓漿泵分為傳動機構和泵體兩大部分。兩個泵缸獨立對稱分設在壓漿泵兩側(cè)，內(nèi)部結構簡單，其維護修理的難度和工作量基本上等同于單缸泵。新型雙向連續(xù)壓漿泵具有出漿連續(xù)、壓漿壓力穩(wěn)定、清洗方便、使用壽命長的優(yōu)勢，漿體量計量功能，可以實現(xiàn)對密封管道漿體的穩(wěn)壓保壓，自動微量補漿作業(yè)工序，且可對壓入漿體量進行自動計量，可以保證管道內(nèi)漿體質(zhì)量，提高了出漿效率。3.1

系統(tǒng)組成機械動力系統(tǒng)：抽真空泵水循環(huán)泵屬于一般真空泵，主要由葉輪、進氣口、排氣口等結構組成，依靠泵腔容積的變化來實現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣的。試驗表明：在良好的管道密封條件下，使用水循環(huán)真空泵完全可以滿足現(xiàn)場的使用要求。3.1

系統(tǒng)組成傳感測量系統(tǒng)：自動壓漿系統(tǒng)具備準確稱量、壓力監(jiān)控和溫度測試功能，各測試模塊在PLC系統(tǒng)控制下協(xié)同工作，將實時數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)形成指令，控制壓漿設備完成相應操作，實現(xiàn)壓漿全過程的自動控制。3.2系統(tǒng)組成主控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)自動壓漿控制系統(tǒng)的功能性、穩(wěn)定性和耐久性是安全、優(yōu)質(zhì)、高效制梁的基本要求，控制系統(tǒng)的硬件和軟件之間應相互兼容、協(xié)同工作。硬件應性能穩(wěn)定、牢固可靠以適應復雜的現(xiàn)場制梁環(huán)境，包括天氣環(huán)境、電磁環(huán)境和網(wǎng)絡環(huán)境；軟件應具備功能齊全完善、人機交互便捷、指示準確及時、界面清晰簡潔的特點，確保系統(tǒng)的運行控制、壓漿過程的實時監(jiān)控和設備運行狀態(tài)跟蹤監(jiān)測等。3.2系統(tǒng)組成主控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)整個控制系統(tǒng)硬件主要由中央管理模塊（工業(yè)電腦、人機界面）、控制模塊（可編程控制器PLC、外圍低壓控制開關元件）、電源模塊（變壓器、開關電源）、信號采集模塊（壓力、稱量、溫度、轉(zhuǎn)速、計時等傳感器和采集模塊、A/D模塊）、驅(qū)動模塊（控制輔助元器件）、執(zhí)行模塊（攪拌桶、壓漿泵、抽真空泵及輔助設備）等組成。控制系統(tǒng)的硬件設計主要考慮到控制處理器和相關電器元件的功能性、兼容性、穩(wěn)定性和耐久性?？刂葡到y(tǒng)主要部件為工業(yè)電腦和PLC可編程控制器。軟件設計采用C#編程語言3.2系統(tǒng)組成輔助系統(tǒng)：（1）自診斷、自保護系統(tǒng)（2）預報警系統(tǒng)（3）清洗系統(tǒng)（4）斷電保護和續(xù)點工作系統(tǒng)（5）平衡支腿裝置（6）除塵環(huán)保系統(tǒng)3.2

系統(tǒng)技術參數(shù)

制漿技術參數(shù)高速桶制漿量200kg～400kg高速攪拌機轉(zhuǎn)速

≥1000r/min葉片線速度 10m/s～20m/s過濾網(wǎng)格尺寸 3mm×3mm稱量誤差

≤1%稱重傳感器精度≤0.50%F.S3.2

系統(tǒng)技術參數(shù)

壓漿技術參數(shù)低速桶儲漿量250kg～500kg保壓壓力0.50MPa～0.60MPa壓漿流量≤35L/min真空度-0.09MPa～-0.06MPa壓力表精度等級

不低于1.6級真空表精度等級不低于1.6級3.3

系統(tǒng)功能特點

基本功能①全自動控制，一鍵啟動，自動和手動控制切換便捷。②配料制漿和真空壓漿過程各自獨立完成，統(tǒng)一控制，無縫對接，實現(xiàn)連續(xù)壓漿作業(yè)。③上料、配料準確，制漿過程可預先設置，自動完成，符合國家和行業(yè)技術標準。④壓漿連續(xù)穩(wěn)定、自動調(diào)速、自動保壓，真空壓漿過程可預先設置，自動完成，符合國家和行業(yè)技術標準。⑤壓漿量自動計量，確保壓漿飽滿密實。⑥狀態(tài)提示，語音播報和動態(tài)顯示制漿和壓漿狀態(tài)。⑦除塵環(huán)保，綠色施工。3.3

系統(tǒng)功能特點

數(shù)據(jù)功能①參數(shù)預設（錄入或?qū)耄üこ绦畔?、橋梁信息、設備信息、材料信息和工藝參數(shù)等。②自動記錄過程參數(shù)，包括制漿進度、真空壓力、壓漿壓力、漿液溫度、環(huán)境溫度和時間等。③自動測量并記錄制漿和壓漿結果，包括配料數(shù)量和誤差、壓漿壓力時程曲線、實際壓漿量等，并自動生成數(shù)據(jù)報表。④自動存儲全部過程數(shù)據(jù)和結果數(shù)據(jù)，方便隨時查閱。⑤支持部分數(shù)據(jù)的人工錄入，如漿液流動度等。⑥支持數(shù)據(jù)遠程傳輸至梁場和上級工程管理平臺，方便各級管理者實現(xiàn)信息化、網(wǎng)絡化工程管理，提高管理水平和效率。3.3

系統(tǒng)功能特點

安全輔助功能①斷電恢復、續(xù)點工作，系統(tǒng)在工作過程中突然斷電，可自動保存當前數(shù)據(jù)，重新上電后可由斷點處繼續(xù)完成自動上料、制漿和壓漿過程。②預警報警，對電源錯相和壓漿壓力超限報警并停止壓漿。③在線故障診斷，實時監(jiān)測全過程各部件工作狀態(tài)，及時進行故障診斷。④系統(tǒng)自配膠輪和支腿，實現(xiàn)移動方便、平衡固定。⑤自動清洗和手動清洗，避免管道堵塞，確保下次使用。4.0自動壓漿工藝流程4.1

施工前準備4.2

系統(tǒng)操作4.3施工后清洗4.1施工前準備

系統(tǒng)標定1）稱量系統(tǒng)標定：委托檢定或校準：1次/年自檢：系統(tǒng)自帶校準程序，每次使用前校準1次2）壓力表、真空表委托檢定或校準：1次/半年自檢：系統(tǒng)自帶校準程序，每次使用前校準1次3）其他委托檢定或校準：1次/年4.1施工前準備

其他準備工作①現(xiàn)場供電、供水和網(wǎng)絡條件是否滿足要求。②設備部件是否齊全、完好；管道、線路是否有破損。③設備電路、氣路、水路是否完好，是否正確連接安裝。④設備支撐是否穩(wěn)固。⑤真空泵和壓漿泵密封是否完好，格蘭是否壓緊盤根，有無卡頓、堵塞現(xiàn)象.⑥傳感器狀態(tài)是否完好，是否已檢定/校準，是否在有效期內(nèi)。⑦物料狀態(tài)是否良好，水泥和壓漿劑有無結塊，水溫是否合適。⑧正式工作前，手動點動試運行。4.2系統(tǒng)操作

開機啟動：工程信息4.2系統(tǒng)操作

設備材料信息4.2系統(tǒng)操作

制漿工藝參數(shù)4.2系統(tǒng)操作

壓漿工藝參數(shù)4.2系統(tǒng)操作

施工界面4.2系統(tǒng)操作

數(shù)據(jù)通信4.2系統(tǒng)操作

數(shù)據(jù)結果4.3

施工后清洗

①管路拆卸、泄壓、放漿。②清洗高速桶和低速通，高速桶加水100kg～200kg，高速攪拌1min～2min，放至低速通攪拌清洗，反復清洗3次～4次，至低速桶出清水為止。③各閥門反復打開、關閉，防止堵塞。④針對桶壁和攪拌軸上的漿液，可拆卸桶蓋，使用高壓水槍清洗。⑤設備外表使用高壓水槍沖洗。⑥料倉內(nèi)剩料如短期內(nèi)使用，可不清洗，需注意防潮；長期閑置時,應及時清理料倉，防止水泥和壓漿劑凝結成塊。⑦清理除塵過濾系統(tǒng)：a）水沖洗濾芯，需待濾芯完全干燥后再使用，建議備用濾芯1套。b）或氣沖洗濾芯，吹掉吸附的粉塵。c）清洗除塵管路。5.0自動化壓漿技術工藝特點5.1

工藝特點5.2

工藝流程5.1工藝特點

當前壓漿工藝問題（1）目前壓漿工藝規(guī)定在上料稱量方面沒有考慮制漿桶攪拌過程對稱量精度的影響。（2）目前的真空輔助壓漿技術，抽真空過程從壓漿前持續(xù)至出漿端出漿，使得出漿端排氣排漿非常充分，而進漿端排氣不足，特別是正彎曲管道，易在進漿口附近形成空洞。（3）在壓漿泵出漿量連續(xù)、穩(wěn)定的前提下，壓漿速度對壓漿過程中的排氣效果有直接影響，過快的壓漿速度會導致漿液填充不充分，同時也給設備造成較大的負擔，現(xiàn)行壓漿工藝對壓漿速度尚無規(guī)定。（4）目前尚無成熟可行的技術和方法對壓漿質(zhì)量進行事后判定。5.1工藝特點

解決方案：（1）本研究在原工藝過程中增加了靜態(tài)稱量階段，將壓漿劑和水泥（或壓漿料）的上料分為兩次，一次上