軌道狀態(tài)粗調(diào)機(jī)的研制與應(yīng)用

何 震

(中鐵六局集團(tuán)天津鐵建公司，天津300222)

工具軌法是雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)的施工方法之一，軌道幾何狀態(tài)的測(cè)量與調(diào)整技術(shù)對(duì)保證線路的平順性滿足設(shè)計(jì)要求至關(guān)重要。研發(fā)一套集測(cè)量與調(diào)整為一體的、具有自動(dòng)化、機(jī)械化的軌道狀態(tài)粗調(diào)設(shè)備用于軌道粗調(diào)作業(yè)，可以更高的提高粗調(diào)精度，顯著地減少勞動(dòng)人員、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高施工效率［1］。

1 總體構(gòu)造

軌道狀態(tài)粗調(diào)機(jī)的總體構(gòu)造是由一個(gè)動(dòng)力牽引單元和四個(gè)調(diào)整單元以及測(cè)量?jī)x器組成，各調(diào)整單元功能相同，彼此順序相接，最后與動(dòng)力牽引單元相連，如圖1所示。動(dòng)力牽引單元始終處于前方的未調(diào)整的工具軌上，四個(gè)調(diào)整單元在后面的一根工具軌上，兩邊的調(diào)整單元靠近軌端，中間的兩個(gè)調(diào)整單元均勻分布［2］。

圖1 粗調(diào)機(jī)總體構(gòu)造

2 系統(tǒng)構(gòu)成

粗調(diào)機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成主要有動(dòng)力系統(tǒng)、牽引走行系統(tǒng)、軌道調(diào)整系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)為整機(jī)作業(yè)提供電力及配電控制，包括靜音發(fā)電機(jī)、總配電柜、分配電柜、控制電器等。粗調(diào)機(jī)屬于野外移動(dòng)設(shè)備，工作范圍在幾千米至十幾千米范圍內(nèi)，不便于使用工業(yè)電源，必須配備發(fā)電機(jī)設(shè)備為粗調(diào)機(jī)的作業(yè)提供動(dòng)力。采用靜音發(fā)電機(jī)可以大大降低施工噪音，改善人員工作環(huán)境的噪音污染，提高作業(yè)效率。

2.2 牽引走行系統(tǒng)

牽引走行系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)粗調(diào)機(jī)自主走行和移位，主要包括牽引機(jī)架、驅(qū)動(dòng)輪、液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、液壓泵站，走行機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在動(dòng)力牽引單元上，前后各布置兩軸，以方便跨越軌縫，通常在布置工具軌時(shí)為了保證雙塊式軌枕的正確安裝，在兩端要留有一定的縫隙，便于調(diào)整，該縫隙為5～200 mm，牽引車在工具軌上走行時(shí)要有跨越最大300 mm軌縫的能力。

通常，調(diào)整單元在工具軌上走行，見圖3(a)，當(dāng)走行遇到軌縫時(shí)，由于已經(jīng)調(diào)整好的軌道和落在下部結(jié)構(gòu)上未調(diào)整的軌道會(huì)有較大的錯(cuò)位，此位置的調(diào)整單元就需要使用兩側(cè)的邊輪在下部結(jié)構(gòu)上走行，見圖3(b)，跨越軌縫后再落在軌道上走行。每個(gè)調(diào)整單元需要以這兩種方式走行，因此，在粗調(diào)機(jī)整機(jī)移位時(shí)，需要采取這兩種走行方式交替走行。

圖2 牽引走行示意

圖3 調(diào)整單元行走方式

2.3 軌道調(diào)整系統(tǒng)

軌道調(diào)整系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)軌道的中線、高程、水平或超高位置的調(diào)整，由夾軌裝置、橫向(中線)調(diào)整裝置、豎向(高程)調(diào)整裝置、超高調(diào)整裝置組成。

夾軌裝置的作用是在調(diào)整作業(yè)時(shí)抓牢工具軌，但不能對(duì)調(diào)整的工具軌的軌向有約束作用，影響調(diào)整精度。每個(gè)調(diào)整單元都具有橫向、豎向、超高調(diào)整裝置，分別實(shí)現(xiàn)軌排中線、高程、水平或超高位置的調(diào)整，豎向調(diào)整是通過兩側(cè)的支腿缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)的，在調(diào)整時(shí)兩個(gè)支腿同步升降，見圖4(a)。為了適應(yīng)下部結(jié)構(gòu)設(shè)有超高的路段，兩側(cè)的支腿缸可以單獨(dú)控制，見圖4(b)。橫向調(diào)整是通過橫移小車帶動(dòng)夾軌機(jī)構(gòu)和軌排一起做橫向左右移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，橫移小車靠橫移缸驅(qū)動(dòng)，見圖4(c)。

2.4 數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)的功能是通過對(duì)精密數(shù)控電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道的精確定位。包括工控機(jī)、可編程序控制器和數(shù)控電機(jī)、控制網(wǎng)絡(luò)。

控制網(wǎng)絡(luò)包括戶外用便攜式電腦、無線通訊模塊、遙控器、網(wǎng)線及插接件，實(shí)現(xiàn)電腦、全站儀、調(diào)整單元三者之間的測(cè)量數(shù)據(jù)和調(diào)整數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

2.5 測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)的作用是測(cè)量各調(diào)整單元處的軌排實(shí)際位置，為軌排的調(diào)整提供原始數(shù)據(jù)。包括高精度全站儀、反射棱鏡、鞍型支架、測(cè)量小車、超高傳感器、軌距傳感器。

超高傳感器用于測(cè)量軌道的水平或超高狀態(tài)，軌距傳感器用于測(cè)量軌距。

為了提高測(cè)站精度，棱鏡、鞍型支架、CPⅢ標(biāo)記在使用前應(yīng)作篩選，選出一組相對(duì)精度高的組合，全站儀應(yīng)定期標(biāo)定、校準(zhǔn)。

2.6 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括測(cè)量數(shù)據(jù)分析處理軟件和調(diào)整量數(shù)據(jù)處理軟件兩部分，測(cè)量數(shù)據(jù)分析處理軟件用于得出軌道當(dāng)前位置與設(shè)計(jì)位置的偏差值;調(diào)整量數(shù)據(jù)處理軟件是控制調(diào)整裝置將軌道的位置偏差值實(shí)現(xiàn)可靠、精確的調(diào)整。

測(cè)量數(shù)據(jù)分析處理軟件包括線路設(shè)計(jì)參數(shù)的輸入、軌道實(shí)際狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集分析和處理、測(cè)量成果的輸出。

3 作業(yè)過程

全站儀利用線路沿線布置的精測(cè)加密基樁(線路兩側(cè)，間距約60 m)自由設(shè)站(一般采用6～8個(gè)點(diǎn))［3］，見圖5。

軌排粗調(diào)機(jī)定位系統(tǒng)借助測(cè)量小車來實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)軌排的空間位置測(cè)量，由于裝配在軌排粗調(diào)機(jī)上的測(cè)量小車為剛性工字結(jié)構(gòu)，四角有能和軌頂面精密接觸的測(cè)量輪，所以測(cè)量小車的空間姿態(tài)就是與之相接觸的軌排的空間位置的真實(shí)反映。

為便于測(cè)量，測(cè)量小車中央上方位置需安裝一棱鏡桿，用于安放測(cè)量用棱鏡，在小車中央位置處橫向安放一精密傾斜傳感器。由于棱鏡和測(cè)量小車測(cè)量輪的幾何關(guān)系固定，傾斜傳感器和測(cè)量小車的縱橫向姿態(tài)固定，所以在使用全站儀對(duì)各棱鏡進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量和使用傾斜傳感器獲得相對(duì)應(yīng)的傾角后，利用相關(guān)數(shù)學(xué)模型即可真實(shí)再現(xiàn)所有測(cè)量輪與軌頂面接觸處的空間位置信息。

在已知該點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)的情況下，系統(tǒng)對(duì)相關(guān)的兩坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，然后計(jì)算出經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換然后的差異量，這也就是最終需要的各粗調(diào)機(jī)左右抓鉗的三維調(diào)整量(待調(diào)的軌排和前一安裝好了的軌排已經(jīng)銜接，前后位置基本不需調(diào)整)，最后將該調(diào)整信息發(fā)送至PLC上，用它來控制各粗調(diào)機(jī)進(jìn)行軌排粗調(diào)工作，上述過程可能需要反復(fù)進(jìn)行兩到三次，直至各軌排的實(shí)際位置與理論位置偏差小于規(guī)定限差。

全站儀對(duì)前進(jìn)方向的首臺(tái)粗調(diào)機(jī)的測(cè)量小車上的棱鏡進(jìn)行初次測(cè)量后，即可以獲得該粗調(diào)機(jī)的實(shí)際三維坐標(biāo)，在已知線路的平縱面定線參數(shù)和曲線段的超高參數(shù)設(shè)計(jì)值的前提下，利用后續(xù)各軌排粗調(diào)機(jī)順序沿線路走向延伸和各粗調(diào)機(jī)之間的距離基本已知的條件，用相關(guān)數(shù)學(xué)模型就可以算得位于各粗調(diào)機(jī)中心的棱鏡的概略坐標(biāo)，全站儀就可以依據(jù)這些概略坐標(biāo)依次自動(dòng)對(duì)后續(xù)各軌排粗調(diào)機(jī)上的棱鏡實(shí)施測(cè)量，以獲取實(shí)際的精確坐標(biāo)。軟件自動(dòng)計(jì)算出這些點(diǎn)偏離線路中心線的橫向和縱向偏離值，結(jié)合軌排空間分布信息和曲線段的超高參數(shù)，系統(tǒng)就可以獲得各粗調(diào)機(jī)實(shí)際應(yīng)該調(diào)整的橫向和左右垂向調(diào)整量。

圖4 軌道調(diào)整系統(tǒng)

圖5 CPⅢ控制網(wǎng)自由設(shè)站示意(單位:m)

4 性能參數(shù)

某型粗調(diào)機(jī)性能參數(shù)。工具軌最大長(zhǎng)度15 m;最大軌道結(jié)構(gòu)高度630 mm;最大超高180 mm;平曲線最小半徑2 800 m;最大縱向坡度2.5%;最大提升工作高度400 mm;最大橫向移動(dòng)行程±120 mm;最大軌道超高200 mm;定位精度≤5 mm。

5 結(jié)束語

軌道狀態(tài)粗調(diào)機(jī)是由自動(dòng)控制技術(shù)、傳感技術(shù)、工程測(cè)量技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、無線及有線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等綜合而成的產(chǎn)品。在開發(fā)、研制過程中，一方面吸收了國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，另一方面也進(jìn)行了多方面的創(chuàng)新。樣機(jī)試制成功后，進(jìn)行了數(shù)月的模擬試驗(yàn)，獲得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，使得產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定可靠。通過在武廣客運(yùn)專線的正式粗調(diào)作業(yè)，產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn)，調(diào)整精度高，性能穩(wěn)定、可靠，操作方便，取得了良好的效果。

［1］平桂玲.人工雙塊式無砟軌道軌排粗調(diào)精調(diào)施工技術(shù)［J］.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，21(3):10-12.

［2］韋作善.雙塊式無碴軌道工具軌法施工裝備之粗調(diào)機(jī)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2008(2):18-19.

［3］賈磊.CPⅢ網(wǎng)在CRTSI型雙塊式無砟軌道施工中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2009，35(23):362-363.