CRTSⅢ型軌道板自動化測量創(chuàng)新技術研究

李 強 汪家雷 王明剛 李 郴

(中鐵四局集團第五工程有限公司，江西九江 332000)

1 概述

CRTSⅢ型無砟軌道板是我國自主研發(fā)，具備完全自主知識產權的高速鐵路無砟軌道建造技術。測量控制是無砟軌道的核心技術之一，主要包括CPIII控制網的建立，軌道板的粗鋪、精調及長軌精調等。軌道板的精調是控制軌道平順性的關健工序之一。以往的板式無砟軌道施工過程中，軌道板鋪設完成后，由于工期緊，沒有對軌道板進行復測或只對每塊板的2號和8號承軌臺進行簡單復測，軌道平順性都集中在長軌精調階段來控制，雖滿足了時間節(jié)點的工期控制，但缺少對軌道板全面的復測，不能客觀真實地掌握軌道板灌漿后的內部結構變化，從而導致標準扣配件更換率非常高，給企業(yè)造成了較大的經濟損失。為了真實掌握CRTSⅢ型板灌注自密實混凝土后軌道板內部結構及相鄰板幾何狀態(tài)的變化，確保鋪設后軌道板的高平順性，減少后期長軌精調的工作量及扣配件的更換率，需要對軌道板的每個承軌臺進行全面系統(tǒng)的測量。

軌道板的測量工作量巨大，傳統(tǒng)的測量技術投入人力多、工效低。擬研發(fā)一套集自動行走、自動定位、自動測量、軟件處理于一體的智能測量系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的人工測量與數據處理方法。

2 傳統(tǒng)的測量技術

CRTSⅢ型板式無砟軌道常規(guī)測量方案：由人工將精調標架逐個安放到每個承軌臺的道釘孔中，用全站儀測量精調標架上棱鏡中心的三維坐標，再通過計算得出軌道板的實際位置與設計位置的偏差值。這種測量方法耗費人力多，測量效率低，標架安放精度受人為因素影響較大，不穩(wěn)定因素較多，測量精度得不到有效控制(如圖1、圖2所示)。

圖1 人工安放精調標架

圖2 精調標架法測量承軌臺絕對位置

3 CRTSⅢ型板精測小車自動化測量技術

3.1 測量原理

CRTSⅢ型板式無砟軌道測量創(chuàng)新技術主要包含以下4個部分。

(1)智能控制技術：通過激光傳感器與電機控制系統(tǒng)控制測量小車自動行走、準確定位、自動停止，以及控制測量模具自動升降、自動伸縮；通過自適應彈性連接裝置控制測量模具快速精確定位。

(2)自動測量技術：自動完成全站儀自由設站、自動跟蹤小車測量模具上的棱鏡、自動鎖定棱鏡中心、自動精準測量。

(3)無線傳輸技術：通過無線通訊模塊，實現全站儀與測量小車、全站儀與后臺管理系統(tǒng)之間的數據相互傳輸。

(4)后臺數據管理技術：通過開發(fā)的測量軟件，完成對測量數據與設計數據之間偏差值計算、線路平順性分析、優(yōu)化線形設計、軌道扣配件材料統(tǒng)計以及異常數據報警等數據管理。

具體測量設計流程及測量示意如圖3～圖5所示。

圖3 CRTSⅢ型板自動化測量創(chuàng)新技術設計流程

圖4 CRTSⅢ型板自動化測量裝置效果

圖5 測量模具精確定位效果

3.2 測量小車結構設計

ZFC-10型智能型測量小車由自行式車體、自由式伸縮升降測量模具、控制系統(tǒng)三部分組成，如圖6所示。

圖6 測量小車結構設計

車輪設計中采用了麥克納姆輪系，輪轂上安裝了多個橢圓柱形輥子，輥子軸線與車輪軸線設計成45°角，其特點為運動靈活、可全方位旋轉，提高了小車的定位精度；針對橋梁上軌道板鋪設后存在的梁縫間隙，設計了4對(8個)麥克納姆車輪，當小車通過板縫時，至少有3對(6個)車輪與板面接觸，避免了通過板縫時由于顛簸、凹限或單輪懸空等因素導致小車的行駛不穩(wěn)定(如圖7)。

圖7 車體輪系設計

控制系統(tǒng)是測量小車的核心部分，由多個不同功能的精密傳感器、通訊模塊、驅動調速模塊以及軟件組成，車體運動、停止、定位，以及測量模具的伸縮、升降、定位等都由控制系統(tǒng)來完成，如圖8所示。

圖8 CRTSⅢ型板全自動測量技術控制系統(tǒng)設計

3.3 測量小車的智能化導向和精確定位

傳感器設計采用了導向激光和定位激光傳感器，在小車兩側，設計了3個激光傳感器(如圖9所示)，傳感器A、B、C的測量數據實時傳輸到控制系統(tǒng)并進行計算分析，控制系統(tǒng)通過比較A、B傳感器的數據，判斷車體中線是否與板中線平行，從而對車體姿態(tài)進行調整；通過比較A、B、C傳感器的測量數據，判斷小車是否在軌道板左右承軌臺的正中間位置，從而對小車的左右橫向位置進行調整；傳感器C感觸到承軌臺時，同步向控制系統(tǒng)發(fā)出信號，控制系統(tǒng)則開始計算車體行進的距離，判斷小車的測量模具是否在承軌臺中心法線方向位置，從而對小車的前后里程位置進行調整。

圖9 測量小車定位調整設計

控制系統(tǒng)軟件設計采用了PID算法實時計算小車姿態(tài)和小車位置的偏差值。由于麥克納姆輪在小車行進中和靜止狀態(tài)下均可進行糾偏，故當測量小車進入傳感器感應區(qū)時，傳感器測量的數據就實時地傳送到控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)則根據軟件數據對小車進行實時糾偏，提高了小車的定位功效和定位精度。PID控制法計算公式如式(1)所示，算法示意如圖10。

圖10 PID控制算法設計

(1)

通過理論計算與實際模擬測試，全自動承軌臺復測小車導向與停位精度可達到±2 mm之內。

測量模具的精確定位：軌道板制造誤差、表面瑕疵等原因會導致車體定位傳感器出現測量誤差，車體需要進行多次微調，才能確保測量模具在定位時與承軌臺面完全密貼，這樣會導致測量效率下降。為了提高測量模具的定位效率和定位精度，設計了一套具有自適應功能的彈性連接裝置(如圖11)。該裝置固定在支架與測量模具之間，依靠彈性體的彈力對測量模具進行調整，減少車體本身調整次數，從而提高了測量模具的定位效率和定位精度。同時，在測量模具底部設計安裝了傾斜傳感器，用來對測量模具的定位精度進行檢測。

圖11 自適應彈性裝置

測量模具為精加工制造，內部結構制造精度為0.2 mm，定位后觸點與承軌臺接觸面誤差小于0.2 mm。

測量小車上還設計了聲光報警裝置，便于現場技術人員及時查找原因，避免了異常數據存入到控制系統(tǒng)中，確保了測量數據真實、準確、可靠。

3.4 軌道板配件材料配置計算軟件設計

(1)軌道板平順性檢測設計標準(TQI綜合指標值)

為了滿足時速350 km動車的高平順性要求，應對軌道板施工測量精度進行嚴密控制，并對軌道板的平順性進行評估，控制標準如表1、表2。

表1 軌道板位置控制標準偏允許偏差

表2 無砟軌道平順性檢測重要參數控制標準

30 m弦短波及300 m弦長波平順性檢測計算方法如圖12～圖14所示。

圖12 軌向、高低平順性檢測示意

圖13 30 m弦短波平順性檢測計算方法

圖14 300 m弦長波平順性檢測計算方法

(2)軌道扣配件材料配置計算方法

為了減少CRTSⅢ型板軌道精調工作量，減少標準扣配件的更換率，開發(fā)了一套軌道精調扣配件材料計算分析與報表軟件，在滿足表1、表2的條件下，該軟件可自動計算出每個承軌臺相對標準扣配件規(guī)格的調整量偏差值(即橫向軌距擋塊調整值I和豎向墊片調整值V)，并生成扣配件材料計劃表和對應承軌臺(ID號)的扣配件安裝作業(yè)表。具體計算思路和數學模型設計如下：

根據測量小車實測的軌道板承軌臺的數據并結合CRTSⅢ型板軌道結構高度，可計算出該承軌臺位置上軌道中線點IDi的三維坐標(Xi，Yi，Zi)，按逐步趨近試算法進行一元七次方程的精確求解，從而計算出IDi點對應設計線形法向位置的中樁里程(DKi)、橫向偏差(Ii)和縱向偏差(Ji)，計算公式為

(2)

(3)

Ii=hypot(X-Xi，Y-Yi)

(4)

(5)

Ji=sin(αi-1.570 796 326 794 9)-

αtan(yi-yi，xi-x)

(6)

當樁號增量W足夠小的時候結束循環(huán)，得到該點坐標對應的設計線路中線里程DKi和該點偏離設計線路中線位置的橫向偏差Ii；根據實際軌道中線任一點IDi對應優(yōu)化后設計線形法向位置中樁里程的DKi值，利用設計坡度、縱曲線要素及其計算公式，計算出IDi點處的設計高程Hi，同時可計算出IDi點位置設計高程與實際測設的高程之偏差值Vi

Hi=H0+in×(DKi-DK0)±x2/(2R)

(7)

Vi=Hi-Zi

(8)

上述計算生成全部的(IDi，Ii，Vi)即是扣件配置計劃表，可用于指導扣配件材料采購和現場安裝。

4 創(chuàng)新技術應用效果

精測小車自動化測量技術依托昌贛客運專線CGZQ-2標已施工的無砟軌道段進行研發(fā)、改進和完善。與傳統(tǒng)測量方法在直線段、緩和曲線段及圓曲線段不同條件下的測量數據對比表明，該系統(tǒng)的測量效率是傳統(tǒng)測量方法的3倍以上，測量精度與傳統(tǒng)測量方法基本一致，完全滿足無砟軌道測量精度控制要求。