CRTSⅡ型板式無砟軌道設(shè)計(jì)布板軟件研發(fā)

閆紅亮,伍衛(wèi)凡

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司線站處,天津 300142)

1 軌道幾何精確控制的主要技術(shù)特點(diǎn)

CRTSⅡ型板式無砟軌道由鋼軌、彈性扣件、預(yù)制軌道板、砂漿充填層及支承層(路基、隧道地段)/底座(橋梁地段)等部分組成(圖1)。

圖1 CRTSⅡ型板式無砟軌道簡圖

為實(shí)現(xiàn)高速鐵路的高平順性、高安全性和高舒適性,由各承軌槽通過扣件支承鋼軌形成的軌道幾何,必須滿足軌道靜態(tài)鋪設(shè)精度標(biāo)準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)不平順管理值的各項(xiàng)技術(shù)要求。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),采用彈性不分開式扣件，設(shè)置擋肩的Ⅱ型軌道板在模具制造和組裝、毛坯板生產(chǎn)和存放等各環(huán)節(jié)均規(guī)定了嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但工程實(shí)踐表明,受模具調(diào)整精度、預(yù)拱線形控制、支腳穩(wěn)定和剛度匹配、存放支點(diǎn)誤差、氣象條件、測(cè)量誤差和各種偏差累積以及各種工裝損耗等多種因素的綜合影響,即使按亞毫米級(jí)技術(shù)要求精調(diào)到位的模具生產(chǎn)的毛坯板,在存放一個(gè)月后,平整度、直線度等方面也會(huì)產(chǎn)生1～3 mm不規(guī)則的變形偏差,無法直接滿足高速鐵路高平順性的要求(圖2)。

圖2 毛坯板各承軌槽平整度、直線度示意

鑒于彈性不分開式扣件橫向和垂向形位需更換不同零部件才能實(shí)現(xiàn)級(jí)差為1 mm的調(diào)整,為避免鋪軌后大量的扣件調(diào)整工作量和眾多的備品備件,更重要的是避免由有級(jí)調(diào)整造成的橫向或垂向動(dòng)力不平順,實(shí)現(xiàn)高速鐵路高平順、高舒適運(yùn)營,需采用先進(jìn)的承軌槽磨削技術(shù),從而形成了CRTSⅡ型板式無砟軌道在幾何精確控制方面鮮明的技術(shù)特點(diǎn)。

(1)采用五軸數(shù)控機(jī)床，按設(shè)計(jì)的三維空間線形對(duì)承軌槽進(jìn)行精確磨削,軌道板按對(duì)應(yīng)的空間位置編號(hào),相對(duì)于線路具有唯一性。

(2)采用高精度的精調(diào)系統(tǒng)精確鋪設(shè)軌道板。軌道板精調(diào)完成后,即可獲得高精度的軌道幾何,鋼軌鋪設(shè)和調(diào)整工作量降至最低,列車運(yùn)行的平順性高。

工程實(shí)踐表明,CRTSⅡ型軌道板承軌槽磨削精度可達(dá)0.1 mm,軌道板高程、中線鋪設(shè)精度均為0.5 mm,實(shí)現(xiàn)了軌道空間三維幾何的精確定位,保證了高速列車運(yùn)行的高平順性、高安全性和高舒適性。

本文結(jié)合CRTSⅡ型板式無砟軌道技術(shù)的最新研究成果,對(duì)與軌道板打磨、精調(diào)密切相關(guān)的布板設(shè)計(jì)技術(shù)及設(shè)計(jì)布板軟件進(jìn)行簡要論述。

2 CRTSⅡ型軌道板設(shè)計(jì)、制造及鋪裝主要接口及專用軟件構(gòu)成

由CRTSⅡ型軌道板幾何精確控制的技術(shù)特點(diǎn)可知,為實(shí)現(xiàn)承軌槽精確磨削和施工現(xiàn)場(chǎng)的精確鋪設(shè),需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制、機(jī)械行業(yè)以及精密控制測(cè)量等不同單位、不同專業(yè)密切配合,協(xié)同完成。

簡要來講,首先針對(duì)具體的線路和線下工程設(shè)計(jì)情況,進(jìn)行軌道板空間布板設(shè)計(jì),相應(yīng)開展不同類型軌道板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；根據(jù)不同項(xiàng)目采用的扣件類型,計(jì)算所有承軌臺(tái)的打磨數(shù)據(jù)提供給板場(chǎng)進(jìn)行打磨作業(yè)；同時(shí)將包含軌道板布置等全部技術(shù)資料在內(nèi)的系統(tǒng)文件提供給施工現(xiàn)場(chǎng),作為鋪板的基礎(chǔ)。板場(chǎng)和鋪板單位在設(shè)計(jì)資料基礎(chǔ)上,分別應(yīng)用數(shù)控磨床或精密測(cè)量設(shè)備和專業(yè)工裝進(jìn)行打磨作業(yè)、線下工程施工精度評(píng)估以及底座放樣、軌道板鋪設(shè)和精調(diào)作業(yè)等。

上述工作涉及海量的三維幾何數(shù)據(jù)在不同部門間傳輸和處理,以某條高速鐵路為例,40萬塊軌道板包含約800多萬套承軌槽三維幾何數(shù)據(jù),每套數(shù)據(jù)又分為理論數(shù)據(jù)、打磨數(shù)據(jù)、精調(diào)數(shù)據(jù)以及不同類型、不同格式的計(jì)算和記錄數(shù)據(jù)等,必須研發(fā)設(shè)計(jì)、打磨、精調(diào)等不同專項(xiàng)軟件進(jìn)行精確處理,除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件外,還需在激光測(cè)量基礎(chǔ)上,編制專項(xiàng)軟件控制大型數(shù)控機(jī)床作業(yè)。

CRTSⅡ型軌道板軌道幾何精確控制技術(shù)及專項(xiàng)軟件技術(shù)集成程度極高,研發(fā)難度極大。鐵三院集團(tuán)公司組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)繪技術(shù)、自動(dòng)化控制、機(jī)械行業(yè)等專業(yè)人員進(jìn)行專項(xiàng)技術(shù)攻關(guān),研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)布板軟件(設(shè)計(jì)、施工)、打磨軟件、平差軟件、精調(diào)軟件,形成了有擋肩軌道板幾何精確控制的核心技術(shù)體系。見圖3、圖4。

圖3 CRTSⅡ型板式無砟軌道軟件結(jié)構(gòu)

圖4 CRTSⅡ型板式無砟軌道各軟件間數(shù)據(jù)流程

3 設(shè)計(jì)布板軟件自主研發(fā)

布板設(shè)計(jì)是軌道板制造、施工的基礎(chǔ),應(yīng)用設(shè)計(jì)布板軟件完成。該軟件主要功能為，計(jì)算形成軌道板布置、制造、鋪設(shè)等全部工序在內(nèi)的幾何數(shù)據(jù)或下部工序的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并通過與施工布板軟件、打磨軟件及精調(diào)和平差軟件的接口技術(shù),完成軌道板打磨制造和施工現(xiàn)場(chǎng)的精調(diào)作業(yè)。

3.1 研究解決的主要內(nèi)容

(1)根據(jù)線路平面幾何數(shù)據(jù)和縱斷面幾何數(shù)據(jù),建立空間幾何計(jì)算模型。

(2)研究補(bǔ)償板幾何數(shù)據(jù),建立補(bǔ)償板數(shù)據(jù)庫。

(3)研究并實(shí)現(xiàn)曲線超高在幾何計(jì)算模型單元上分布。

(4)研究沿空間線路軸線進(jìn)行軌道板布置的計(jì)算方法。

(5)研究并建立任意點(diǎn)在不同坐標(biāo)系間的變換矩陣。

(6)建立軌道板、軌道技術(shù)裝備等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

(7)繪制軌道板排布一覽圖。

(8)統(tǒng)計(jì)不同類型軌道板工程數(shù)量。

(9)進(jìn)行軌道板各承軌槽理論坐標(biāo)計(jì)算,生成生產(chǎn)管理軟件所需要的打磨接口數(shù)據(jù)。

(10)生成施工布板軟件需要的全部信息和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

3.2 主要模塊

除為施工布板軟件提供全部信息和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫外,設(shè)計(jì)布板軟件主要用于軌道板布置及打磨接口數(shù)據(jù)計(jì)算,主要由五大模塊組成：數(shù)據(jù)錄入管理、軌道板布置、打磨接口數(shù)據(jù)計(jì)算、圖形輸出、報(bào)表整理,詳見圖5。

圖5 設(shè)計(jì)布板軟件模塊組成

(1)數(shù)據(jù)錄入管理模塊

數(shù)據(jù)錄入管理模塊主要功能為管理各種線路設(shè)計(jì)資料的數(shù)據(jù)錄入和編輯,包括線路平面資料、縱斷面資料、斷鏈、軌道板類型、不同軌道結(jié)構(gòu)分界點(diǎn)、各種站后設(shè)備定義等。

(2)軌道板布置模塊

軌道板布置模塊主要功能為根據(jù)線路幾何數(shù)據(jù),按照不同軌道結(jié)構(gòu)分界區(qū)段及所定義的軌道板類型進(jìn)行軌道板布置并編號(hào),作為計(jì)算打磨數(shù)據(jù)、施工放樣數(shù)據(jù)以及精調(diào)數(shù)據(jù)等全部作業(yè)的基礎(chǔ)。

(3)打磨接口數(shù)據(jù)計(jì)算模塊

打磨接口數(shù)據(jù)計(jì)算模塊主要功能為根據(jù)編輯好的軌道板布置情況,計(jì)算各承軌槽需要打磨位置的理論數(shù)據(jù),供軌道板打磨軟件調(diào)用。

(4)圖形輸出模塊

圖形輸出模塊主要功能為繪制線路平面線位及軌道板沿線位布置圖。

(5)報(bào)表整理模塊

報(bào)表整理模塊主要功能為統(tǒng)計(jì)各種不同類型的軌道板工程數(shù)量及生成軌道板沿線路布置情況的分布表。

3.3 研究解決的關(guān)鍵技術(shù)及主要功能簡述

3.3.1研究建立線路平面模型、縱斷面模型及空間幾何計(jì)算模型

(1)空間任意點(diǎn)三維坐標(biāo)及空間方向的精確計(jì)算

線路中心線是由平面直線、平面緩和曲線、平面圓曲線和豎向緩和曲線、豎向圓曲線等疊加形成的三維空間曲線(圖6)。受平面線位、縱斷面坡度、縱斷面豎曲線和超高等因素的綜合影響,空間曲線上任意一點(diǎn)坐標(biāo)系的確定非常復(fù)雜(圖7)。

圖6 三維空間曲線示意

圖7 空間曲線坐標(biāo)系

通過研究,課題組基于右手法則建立了空間曲線坐標(biāo)系,根據(jù)CRTSⅡ型軌道板布置和精確計(jì)算各承軌槽坐標(biāo)的需求,提出并編寫了空間位置算法及專項(xiàng)程序,實(shí)現(xiàn)了線路上空間任意點(diǎn)的三維坐標(biāo)及由超高產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)和空間方向的精確計(jì)算。

(2)任意點(diǎn)在兩坐標(biāo)系間的坐標(biāo)變換矩陣

空間三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型解決空間某點(diǎn)在不同坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算問題,綜合了三維坐標(biāo)系平移和三維坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)兩項(xiàng)坐標(biāo)變換的計(jì)算功能。

設(shè)：大地坐標(biāo)系為O(X,Y,Z),局部坐標(biāo)系為O′(X′,Y′,Z′)。其中,X′為線路前進(jìn)方向,Y′為垂直于Z′的梁頂橫向,Z′為梁頂?shù)姆ň€方向。參見圖8。

圖8 局部坐標(biāo)系

空間某點(diǎn)P在局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x′,y′,z′),對(duì)應(yīng)的大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x,y,z)。

X′與X,Y,Z軸的夾角分別為α1,β1,γ1,Y′與X,Y,Z軸的夾角分別為α2,β2,γ2,Z′與X,Y,Z軸的夾角

圖9 三維直角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)中的角度關(guān)系

分別為α3,β3,γ3。

θ1(方向角)：X′在大地坐標(biāo)中的方向,是從X軸開始順時(shí)針轉(zhuǎn)向Y軸方向轉(zhuǎn)至線路中心線(X′)在水平面內(nèi)投影的角度；

θ2(縱坡角)：從水平面上X′的投影開始依逆時(shí)針轉(zhuǎn)向線路中心線X′的角度。

θ3(橫坡角)：Z′與Z之間的夾角。

則存在下列空間三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算模型

x=x0+x′cosα1+y′cosα2+z′cosα3

y=y0+x′cosβ1+y′cosβ2+z′cosβ3

z=z0+x′cosγ1+y′cosγ2+z′cosγ3

(3)二線投影里程計(jì)算方法

由于線路平面里程、縱斷面坡度及左右線不同軌道分界點(diǎn)里程都是以左線作為基準(zhǔn)線進(jìn)行設(shè)計(jì),因此在進(jìn)行右線軌道板布置時(shí),需要計(jì)算右線軌道板起終點(diǎn)里程在左線上的投影里程及二線控制點(diǎn)在一線上的平面投影和空間投影,以判斷右線軌道板布置是否滿足要求。

通過研究,課題組研究提出并編寫了平面投影和空間投影計(jì)算的算法和專項(xiàng)程序,實(shí)現(xiàn)了二線投影里程的精確計(jì)算。

3.3.2研究建立軌道板類型及標(biāo)準(zhǔn)板、補(bǔ)償板數(shù)據(jù)庫

軌道板類型包括標(biāo)準(zhǔn)板、特殊板及補(bǔ)償板,標(biāo)準(zhǔn)板兩板端接縫的長度為6.5 m。當(dāng)不同區(qū)段間線路長度與標(biāo)準(zhǔn)板長度不對(duì)應(yīng)時(shí),則需要設(shè)置一定數(shù)量的補(bǔ)償板,相應(yīng)需建立與補(bǔ)償長度相對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償板數(shù)據(jù)庫及詳細(xì)定義,以在程序中實(shí)現(xiàn)合理布板。

由于補(bǔ)償板長度均小于6.5 m的標(biāo)準(zhǔn)長度,而軌道板承軌槽間距按0.65 m或0.60 m布置,對(duì)于某一補(bǔ)償長度,需要對(duì)0.65 m及0.60 m承軌槽間距的承軌槽個(gè)數(shù)、板端距離進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算、組合,以滿足不同補(bǔ)償長度的要求。

經(jīng)詳細(xì)的計(jì)算分析,課題組研究解決了軌道板類型定義、標(biāo)準(zhǔn)板和補(bǔ)償板數(shù)據(jù)庫編輯等關(guān)鍵技術(shù)。

3.3.3 沿三維空間線形布置并編輯軌道板

為保證軌道板在線路上的位置具有唯一性,需要根據(jù)定義好的標(biāo)準(zhǔn)板、補(bǔ)償板等數(shù)據(jù),按照不同軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段范圍及定義的軌道板類型、傾斜角度和扣件類型,布置標(biāo)準(zhǔn)板和補(bǔ)償板,計(jì)算軌道板在對(duì)應(yīng)空間位置的幾何屬性,同時(shí)根據(jù)站后設(shè)備需求和板端類型編輯軌道板結(jié)構(gòu)屬性,相應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

軌道板分布計(jì)算完成后會(huì)生成如下信息：軌道板編號(hào)、線路中線標(biāo)注里程,線路中線連續(xù)里程、軌道板長度、軌道板類型、扣件類型、軌道板前后縫隙及開窗類型等,見圖10。

圖10 軌道板布置完后數(shù)據(jù)信息顯示

3.3.4 打磨數(shù)據(jù)計(jì)算

打磨數(shù)據(jù)計(jì)算即在軌道板空間布置基礎(chǔ)上,根據(jù)各承軌槽的理論位置,計(jì)算每一個(gè)承軌槽的絕對(duì)坐標(biāo)和局部坐標(biāo),提供給打磨軟件。最后由打磨軟件(生產(chǎn)管理軟件、磨床控制軟件、打磨操作軟件、激光測(cè)量軟件以及刻字軟件)操控?cái)?shù)控磨床,實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道板承軌槽按理論位置的精確磨削加工，見圖11。

圖11 軌道板承軌槽編號(hào)及打磨計(jì)算點(diǎn)示意(單位：mm)

計(jì)算打磨機(jī)數(shù)據(jù)界面見圖12,生成的打磨機(jī)數(shù)據(jù)接口文件見圖13。

圖12 打磨數(shù)據(jù)計(jì)算界面

圖13 設(shè)計(jì)布板軟件生成的打磨數(shù)據(jù)文件

圖14 軌道板布置

3.3.5 繪制軌道板布置圖(圖14)

根據(jù)軌道板在線路上的布置信息,繪制軌道板布置圖,并和線路平面圖疊加到一起形成帶有線路平面信息的軌道板布置圖。軌道板布置圖可直觀反映出軌道板中心線和線路的相對(duì)關(guān)系,道岔板、補(bǔ)償板等在線路上的幾何位置,可通過軌道板起終點(diǎn)里程和線路平面里程的關(guān)系來快速檢查軌道板布置是否正確,能否滿足精度要求。

3.3.6 生成軌道板布置表(圖15)

為保證軌道板鋪設(shè)位置正確,軟件還提供了軌道板布置表輸出功能,可便于施工單位對(duì)全線軌道板布置信息全面了解,并可按照軌道板布置表組織和管理全線軌道板施工。

圖15 軌道板布置表示例

結(jié)合工藝流程,CRTSⅡ型軌道板施工放樣測(cè)設(shè)數(shù)據(jù)計(jì)算,如定位錐和軌道基準(zhǔn)點(diǎn)放樣數(shù)據(jù)計(jì)算、路基上支承層放樣數(shù)據(jù)計(jì)算、橋梁上底座放樣數(shù)據(jù)計(jì)算、橋梁孔跨布置及變形數(shù)據(jù)處理以及軌道板精調(diào)數(shù)據(jù)計(jì)算等功能納入施工布板軟件中實(shí)施。

3.3.7 數(shù)據(jù)文件接口

設(shè)計(jì)布板軟件涉及的數(shù)據(jù)類型及與其他軟件或工序的接口數(shù)據(jù)情況見表1。

表1 數(shù)據(jù)文件接口情況

4 結(jié)語

在無砟軌道技術(shù)創(chuàng)新成果及京滬高速鐵路等工程實(shí)踐基礎(chǔ)上,自主研發(fā)的CRTSⅡ型板式無砟軌道設(shè)計(jì)布板軟件在實(shí)現(xiàn)軌道板空間布置、打磨數(shù)據(jù)計(jì)算等重要功能,并預(yù)留與既有專項(xiàng)軟件的接口模塊基礎(chǔ)上,結(jié)合我國路情,圓滿解決了以往軟件存在的線路平面斷鏈處理、軌道板編號(hào)、線路平面及縱斷面數(shù)據(jù)輸入等方面的不足。

目前,設(shè)計(jì)布板軟件、施工布板軟件、打磨軟件以及精調(diào)軟件等已通過部科技司組織的鑒定,并在京滬高速鐵路等國家重點(diǎn)工程建設(shè)中實(shí)施,滿足了CRTSⅡ型板式無砟軌道建設(shè)的需要,同時(shí)為新型有擋肩板式無砟軌道技術(shù)研究和配套包含布板在內(nèi)的系列專項(xiàng)軟件奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 鐵道部科技司.CRTSⅡ型板式無砟軌道布板軟件自主研發(fā)階段技術(shù)審查意見[Z].北京：2009．

[2] 鐵建設(shè)[2009]209號(hào) 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].

[3] 科技基[2008]173號(hào)，客運(yùn)專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道混凝土軌道板(有擋肩)暫行技術(shù)條件[S].

[4] 閆紅亮.京津城際鐵路無砟軌道設(shè)計(jì)綜述[J].鐵道建筑,2008(S)．

[5] 鐵建設(shè)函[2005]754號(hào)，客運(yùn)專線無砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南[S].