客運專線無砟軌道道岔精調(diào)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

全順喜,王 平,伍 曾

(西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

隨著我國客運專線的大規(guī)模建設(shè),無砟軌道已成為軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢。在無砟軌道的施工過程中為保證無砟軌道的施工質(zhì)量和精度,需要采用先進的測量手段對軌道的位置和高程等幾何形位進行精確測量和調(diào)整[1～2]。對于無砟軌道道岔,在道床板混凝土施工以后及其運營維護的精調(diào)過程中,一方面由于可調(diào)整的范圍極其微小；另一方面由于道岔結(jié)構(gòu)本身的復雜性,其幾何形位在線路縱向和橫向相互影響,調(diào)整一個位置的幾何形位,將引起鄰近部分的幾何形位發(fā)生變化,這使得在道床板混凝土施工以后及其運營維護過程中無砟軌道道岔的精調(diào)相對于普通線路來說要復雜得多,若只通過工程技術(shù)人員憑借自身的經(jīng)驗給出調(diào)整值,不但效率低,而且不能保證整個道岔系統(tǒng)的幾何形位快速達到相關(guān)技術(shù)標準的要求。因此,有必要開發(fā)客運專線無砟軌道道岔幾何形位精調(diào)系統(tǒng),科學、快速的計算出各鋼軌在對應(yīng)軌枕處的調(diào)整值,為無砟軌道道岔在道床板混凝土施工以后及其運營維護過程的精調(diào)提供幫助。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 調(diào)整后道岔幾何形位的模擬

為判斷調(diào)整方案是否合理,需要對調(diào)整后道岔的幾何形位進行模擬。鑒于國內(nèi)外無砟道岔鋪設(shè)和維修的經(jīng)驗,系統(tǒng)在岔區(qū)所考慮的幾何形位如表1所示[3]。其中軌道的平面偏差、高程偏差、軌距、水平、軌距變化和扭曲調(diào)整后模擬值的計算比較簡單,在此不再詳述,而重點介紹軌向和高低調(diào)整后模擬值的計算。

表1 岔區(qū)軌道所考慮的幾何形位

假定軌枕間距為0.625 m,則間隔為5 m的檢測點剛好是軌枕間距的8倍,軌向和高低的檢測如圖1所示。圖中以c1到c49表示軌枕編號,則c25與c33間的軌向和高低的檢測按式(1)計算。

(1)

圖1 30 m弦軌道平順性檢測示意

從式(1)可以看出，30 m弦長相隔5 m的正矢差的實質(zhì)是30 m弦長相隔為5 m的測點的矢距偏差的差值。根據(jù)軌檢小車的實測數(shù)據(jù)和調(diào)整值容易得出每一個測點高程偏差、平面偏差的模擬值,以p1到p49表示,則各個測點矢距偏差的模擬值為：Δpi≈pi-[(49-i)×p1+(i-1)×p49]/48,i表示測點枕號,且1≤i≤49。由于需要的是相隔為5 m的測點的矢距偏差的差值,且Δp1與Δp49為零,故此次拉弦可得測點2到40的矢距偏差的差值,如式(2)所示。新的弦線從已檢測的最后一個點40開始,高低和軌向模擬值的計算類似。

(2)

1.2 調(diào)整方案分析

由于無砟道岔在現(xiàn)場初步鋪設(shè)完成后,其本身結(jié)構(gòu)決定了在道岔的轉(zhuǎn)轍器區(qū)和轍叉區(qū)直、側(cè)股鋼軌是相互影響的,但為了確保道岔直股的平順性,將直股作為重點,通過調(diào)整先使直股各幾何形位都符合驗收標準,然后在直股各幾何形位滿足驗收標準的前提下調(diào)直股就側(cè)股,最后給出最終調(diào)整方案。

(1)直股調(diào)整方案。在直股的調(diào)整過程中,以高程偏差、平面偏差、高低和軌向作為控制基準軌空間絕對坐標的基本元素,并以水平、軌距、平面扭曲、軌距變化來控制同股軌道另一鋼軌的幾何狀態(tài)。為得到直股各測點的調(diào)整值,先調(diào)整基準軌使基準軌高程偏差、平面偏差、高低和軌向達到設(shè)定的驗收標準,在保證基準軌精度后,通過調(diào)整本直股的另一鋼軌使直股的水平、軌距、平面扭曲和軌距變化達到驗收標準的要求,其調(diào)整值的計算流程為：記錄平面偏差、高程偏差達標時基準軌的調(diào)整值→記錄高低和軌向達標時基準軌的調(diào)整值→記錄水平、軌距達標時非基準軌的調(diào)整值→記錄扭曲、軌距變化達標時非基準軌的調(diào)整值→形成直股調(diào)整方案。

在調(diào)整過程中,由于只考慮了直股,當某軌枕處測量數(shù)據(jù)超標后,可以有多種調(diào)整方法使此處數(shù)據(jù)滿足驗收標準,但是為了減少調(diào)整工作量,應(yīng)做到在調(diào)整工作量最小的情況下使道岔各幾何形位都滿足要求。為此可通過減少調(diào)整值的大小和選擇合理的調(diào)整位置來實現(xiàn)。圖2為一種為減少調(diào)整值大小的算法(圖中abs表示取絕對值,fix表示去掉小數(shù)部分),通過此算法確定的調(diào)整值既保證了模擬值在調(diào)整后滿足驗收標準的要求，又保證了調(diào)整值最小。

圖2 調(diào)整值大小的計算

在高低和軌向、扭曲和軌距變化超標后需要選擇合理的調(diào)整位置和調(diào)整值來保證調(diào)整工作量達到最小,例如,以軌枕號從小到大依次判斷高低和軌向是否超標,當在第i枕超過驗收標準時,由式(2)知,可以通過調(diào)整第i枕和第i+8枕處的基準軌使其滿足要求,圖3是一種為了獲取第i枕和第i+8枕基準軌最優(yōu)調(diào)整值的算法,可以看出其實質(zhì)是在保證高低和軌向滿足要求的同時,盡量使調(diào)整處的軌距和軌距變化也滿足要求,以減少下一步調(diào)整的工作量。

圖3 高低、軌向超標時調(diào)整值的計算

(2)最終調(diào)整方案。在道岔的轉(zhuǎn)轍器區(qū)和轍叉區(qū),在直股的可調(diào)范圍之內(nèi)調(diào)直股就側(cè)股,使側(cè)股也盡量滿足要求；在其他區(qū)域,按照直股的調(diào)整方法計算側(cè)股各枕鋼軌需要調(diào)整值,形成最終調(diào)整方案。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

客運專線無砟軌道道岔精調(diào)系統(tǒng)是針對客運專線無砟道岔鋪設(shè)和運營維護過程中道岔幾何形位的精調(diào)而開發(fā)的,須與客運專線測量系統(tǒng)(測量控制網(wǎng)-全站儀-軌檢小車)配合使用,以無砟軌道測量文件作為數(shù)據(jù)文件。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程是：以高精度的測量儀器對道岔直側(cè)股軌道的平面偏差、高程偏差、軌距、水平、扭曲、軌向、高低等幾何形位進行檢測[4～6],系統(tǒng)根據(jù)道岔本身的相關(guān)信息對檢測數(shù)據(jù)進行管理和處理,這包括數(shù)據(jù)的可視化顯示、調(diào)整值的計算、調(diào)整后道岔幾何形位的模擬、道岔幾何形位圖形的繪制等,同時,在手動修改各軌枕處鋼軌的調(diào)整值后,道岔幾何形位能夠在線模擬,這為技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場需要而修正調(diào)整方案提供了極大的方便。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

客運專線無砟軌道道岔精調(diào)系統(tǒng)的主界面由一個水平菜單和兩個表格組成。其中兩個表格可以顯示測量數(shù)據(jù)、模擬后數(shù)據(jù)和調(diào)整值,水平菜單由文件、道岔屬性、窗口、調(diào)整建議和幫助5個子菜單組成,分別實現(xiàn)不同的功能,系統(tǒng)的功能模塊如圖5所示,主要功能模塊簡要介紹如下。

圖5 系統(tǒng)功能模塊

(1)數(shù)據(jù)輸入模塊。客運專線無砟軌道道岔精調(diào)系統(tǒng)需要提交兩種不同類型的數(shù)據(jù),一種是道岔幾何形位的測量數(shù)據(jù),一種是道岔本身的屬性數(shù)據(jù)。其中測量數(shù)據(jù)包括直側(cè)股各軌枕處鋼軌的平面偏差、高程偏差、軌距和水平,此時讀入由測量系統(tǒng)導出的“*.csv”格式的數(shù)據(jù)文件即可；道岔本身的屬性數(shù)據(jù)包括所調(diào)道岔的名稱、道岔的開口(左開、右開)、道岔號、方向和高低的基準軌、道岔起終點里程、轉(zhuǎn)轍器區(qū)和轍叉區(qū)的起終點枕號以及各幾何形位的驗收標準,此時需用本系統(tǒng)中的道岔屬性信息輸入窗口來實現(xiàn)此數(shù)據(jù)的錄入。

(2)數(shù)據(jù)處理模塊。①數(shù)據(jù)的表格顯示：根據(jù)各軌枕處鋼軌的平面偏差、高程偏差計算出軌道的30 m弦相隔為5 m的測量點的矢距偏差的差值,以每一行對應(yīng)一個軌枕號的形式將所有數(shù)據(jù)和調(diào)整值以兩個表格進行顯示,并且以不同的底紋提示超限處。②直股調(diào)整建議值：給出只對應(yīng)于直股的調(diào)整值,并模擬出直側(cè)股調(diào)整后的相關(guān)數(shù)據(jù)。此調(diào)整方案只針對直股,調(diào)整后直股數(shù)據(jù)都會小于驗收標準,且調(diào)整量少,但由于沒考慮側(cè)股數(shù)據(jù),可能會導致側(cè)股數(shù)據(jù)會超過驗收標準,需要技術(shù)人員進行手動調(diào)整。③直側(cè)股調(diào)整建議值：給出對應(yīng)于直側(cè)股的調(diào)整值,并模擬出直側(cè)股調(diào)整后的相關(guān)數(shù)據(jù)。此調(diào)整方案在側(cè)重直股幾何形位的前提下還綜合考慮了側(cè)股幾何形位,追求在調(diào)整值最小的前提下使直、側(cè)股的幾何形位同時滿足驗收標準。故此時的建議調(diào)整值是相對于直側(cè)股的測量數(shù)據(jù)而給出的,一些調(diào)整值都是為了滿足側(cè)股的要求。④基于經(jīng)驗的手工調(diào)整的功能：技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場具體情況手動修改各軌枕處鋼軌的調(diào)整值,直側(cè)股調(diào)整后的相關(guān)數(shù)據(jù)能夠在線模擬。⑤圖形顯示：圖形中以岔枕號為水平軸,分別顯示了直側(cè)股調(diào)整前后的絕對偏差以及調(diào)整后的相對偏差。

(3)其他功能模塊。系統(tǒng)還具有打開、保存、另存為和打印調(diào)整方案以及手動輸入調(diào)整值時剪切、復制、粘貼和刪除多個單元格等功能。

3 工程實例

2009年6月在武廣鐵路客運專線韶關(guān)西站利用本系統(tǒng)指導了德國BWG18號無砟道岔在澆完混凝土后的精調(diào)工作,其測量數(shù)據(jù)由安博格公司的GRP1000測量系統(tǒng)所采集,現(xiàn)以2號道岔直股為例,其調(diào)整方案如下。

由于2號道岔直導軌在轍叉區(qū)有1處凹坑和1處凸坑,存在軌向不良,按照系統(tǒng)計算給出的調(diào)整值,經(jīng)過更改不同規(guī)格的偏心調(diào)節(jié)錐后,其軌向調(diào)整前后對比如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)經(jīng)過調(diào)整達到了削峰填谷的目的。

圖6 韶關(guān)西站2號道岔直股平面偏差調(diào)整前后對比

直股在89～92號枕、115～126號枕都存在軌距偏小的問題。按照系統(tǒng)計算給出的調(diào)整值,經(jīng)過更改不同規(guī)格的偏心調(diào)節(jié)錐后,其軌距調(diào)整前后對比如圖7所示。

圖7 韶關(guān)西站2號道岔直股軌距偏差調(diào)整前后對比

岔區(qū)各軌枕平面位置的調(diào)整值如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn),在89～96號枕在調(diào)整直股軌向時同時也調(diào)整了軌距超標項,且調(diào)整值的大小都是在調(diào)整工作量最小的情況下給出的,即達到了減少調(diào)整工作量的目的。

表3 韶關(guān)西站2號道岔各枕木平面位置實際調(diào)整值

4 結(jié)語

客運專線無砟軌道道岔精調(diào)系統(tǒng)以測量文件作為數(shù)據(jù)文件,能夠方便的用圖表顯示出道岔各幾何形位并提示出超限之處,具有快速的給出一個比較合理調(diào)整方案以及基于經(jīng)驗的手工調(diào)整的功能,整個系統(tǒng)用戶界面友好,可操作性好,響應(yīng)速度快,所計算出的調(diào)整建議值科學合理。它的研究與應(yīng)用不僅能夠減少現(xiàn)場技術(shù)人員計算各枕號調(diào)整值的時間而提高其工作效率,而且還減少了調(diào)整工作量,提高了現(xiàn)場的施工效益。實踐表明,本系統(tǒng)對于無砟軌道道岔在道床板混凝土施工以后的精調(diào)和運營維護過程中的精調(diào)都具有重要的實際工程意義,便于實際工程的應(yīng)用和推廣。

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