CRTS Ⅲ型軌道板平整度檢測方法對比研究

馬元清

(上鐵蕪湖軌道板有限公司， 蕪湖 241012)

CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的一種軌道型式[1]。作為無砟軌道結(jié)構(gòu)的主要傳力構(gòu)件，CRTSⅢ型軌道板是結(jié)合高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道受力特點和我國南北環(huán)境條件差異較大的狀況而研制的一種雙向預應力混凝土軌道板[2]。京沈、成貴、昌吉贛、商合杭等鐵路項目均采用CRTSⅢ型混凝土軌道板。根據(jù)軌道板長度和鋪設(shè)部位，CRTSⅢ軌道板通常有P5600、P4925和P4856共3種板型，軌道板寬度、厚度分別為 2 500 mm和200 mm。

板頂面平整度是軌道板外形尺寸的一個重要檢測指標，平整度超差過大，將導致軌道板精調(diào)時軌道高低調(diào)整量增大，使用的扣件調(diào)整件增多，對建設(shè)成本和工期進度造成不利影響。依據(jù)Q/CR567-2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道先張法預應力混凝土軌道板》標準要求：板頂面平整度包括軌道板四角的承軌面水平和單側(cè)承軌面中央翹曲量，允許偏差分別為±1.0 mm和≤2.0 mm，且均為全檢項目[3]。目前，應用最多的軌道板平整度檢測方法是基于馬達驅(qū)動型全站儀+特殊裝置的方式，該檢測方式是在CRTSⅡ型軌道板尺寸檢測的基礎(chǔ)上，對裝置進行改進，對全站儀數(shù)據(jù)采集和分析軟件進行升級，實現(xiàn)CRTSⅢ型軌道板外觀尺寸的直接檢測。全站儀法檢測完成1塊軌道板的平整度檢測時間約25 min，效率上很難滿足軌道板廠的實際生產(chǎn)需求[4]。此外，部分軌道板生產(chǎn)企業(yè)也采用水準儀法進行軌道板平整度檢測。水準儀水準測量是利用水準儀提供的水平視線，借助于帶有分劃的水準尺，直接測定軌道板承軌面上兩點間的高差，然后根據(jù)已知點高程和測量的高差，計算出軌道板平整度。

針對全站儀法檢測軌道板平整度效率低的缺點，開發(fā)快速、準確的軌道板平整度檢測設(shè)備成為熱點。目前，除普遍認可的全站儀外，還相繼研制出了六工位測量機、 激光PSD檢測儀等平整度快速測定設(shè)備。本文通過介紹幾種平整度測試儀器，分析其測試原理和性能特點，為軌道板平整度快速檢測提供借鑒。

1 六工位測量機快速測定法

六工位測量機是為軌道板平整度快速測試而研制的一種測量設(shè)備，測量范圍僅針對測定軌道板兩側(cè)承軌臺的翹曲量。該平整度測量方法的優(yōu)點在于檢測效率和精度較高，操作方便，缺點在于實用范圍較小，不能檢測軌道板全部外形尺寸。

1.1 設(shè)備構(gòu)造及測試原理

六工位測量機框架采用三角框架結(jié)構(gòu)布局，用 20 mm×20 mm鋁型材接組合，觸摸式顯示屏，PLC控制模板，鋰電池集成在中間鋁鈑金內(nèi)。測試原理是以測量單側(cè)承軌臺中心線高度差代替平整度，以承軌臺上兩個預埋套管及承軌臺面(三點式接觸面)定位，每個承軌臺上用兩個接觸式傳感器(測量精度為 0.005 mm)測量承軌臺坡度的高度差，用以計算單個承軌臺中心線的高度，再比較單側(cè)每個承軌臺中心線高度的差值。六工位測量機如圖1所示。

圖1 六工位測量機示意圖

1.2 測試方法和數(shù)據(jù)處理

每次同時檢測單側(cè)6塊承軌臺，每次至少重復檢測2個承軌臺，單側(cè)承軌臺需測2次，每塊軌道板測試時間約為4 min。具備數(shù)據(jù)無線傳輸功能，可通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳測量數(shù)據(jù)。

2 快速檢測平臺檢測法

快速檢測平臺是中國鐵道科學研究院針對CRTSⅢ型軌道板研制的一款測量精度高、可對軌道板進行全尺寸高效率測試的設(shè)備[5]。

2.1 設(shè)備構(gòu)造及測試原理

檢測平臺由高精度檢測框架、光電檢測模塊和可控走行機構(gòu)組成，如圖2所示。軌道板就位后，走行機構(gòu)帶動光電檢測模塊實現(xiàn)對軌道板的精確測量。采用激光圖像技術(shù)生成軌道板三維圖像與數(shù)據(jù)。

圖2 快速檢測平臺示意圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

運板機具將被測軌道板運至檢測平臺處，測量模塊沿軌道板縱向Y連續(xù)檢測，得到不同位置Y處的斷面數(shù)據(jù)X、Z(高度值)。結(jié)合縱向位置Y和斷面輪廓數(shù)據(jù)X、Z值，對軌道板三維數(shù)據(jù)進行解算處理，生成需要的軌道板關(guān)鍵尺寸信息。1塊軌道板的全尺寸檢測時間約5 min。

3 激光PSD檢測儀快速檢測法

激光PSD檢測儀是目前最為常見的快速檢測設(shè)備，其優(yōu)點在于可快速、簡便測量軌道板平整度，缺點在于設(shè)備易受軌道板光潔程度、環(huán)境溫度等客觀因素的影響[6-7]。

3.1 設(shè)備構(gòu)造及測試原理

利用“激光準直”原理，在軌道板的1號承軌槽內(nèi)安裝激光發(fā)射器的發(fā)射端，逐次在2～9號承軌槽上插放PSD接收器，即可得到一條與軌道板頂面平等的激光基準線，PSD的垂直方向上得到的讀數(shù)差即為軌道板的翹曲變化量[8]。激光PSD檢測儀設(shè)備構(gòu)造如圖3所示。

圖3 激光PSD檢測儀設(shè)備構(gòu)造示意圖

圖4 激光PSD快速測試方法圖

3.2 測試方法和數(shù)據(jù)處理

3.2.1測試方法

激光PSD檢測儀快速測試方法如圖4所示。先將激光發(fā)射端和PSD接收端安放于圖①位，微調(diào)至PSD的X、Y接近0，移動PSD 接收端至同側(cè)各個承軌槽位，記錄PSD位于同側(cè)各個承軌槽的X、Y讀數(shù)；再將①位的激光發(fā)射端和PSD接收端移至②位的承軌槽，微調(diào)至PSD 的X、Y接近0，移動 PSD 接收端至同側(cè)各個承軌槽位，記錄 PSD 位于同側(cè)各個承軌槽的X、Y讀數(shù)；最后通過對測量數(shù)據(jù)的終端計算，得出 CRTS Ⅲ型軌道板的變形值。

3.2.2數(shù)據(jù)處理

以一側(cè)發(fā)射端坐標(0，0)與最遠接收端坐標(X9,Y9)或(X8，Y8)，建立一條直線，其他承軌臺測出的坐標(Xn,Yn)，與其增量計算值的差值即為各測點的直線度。1塊板平面度的測試時間約3 min。

將現(xiàn)階段5種CRTS Ⅲ軌道板平整度檢測方法(全站儀法、電子水準儀檢測法、六工位測量機快速測定法、快速檢測平臺法、激光PSD檢測儀快速檢測法)的優(yōu)缺點進行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 CRTS Ⅲ軌道板平整度測試方法優(yōu)缺點對比表

由表1可知，在檢測效率和檢測精度上，六工位測量機快速測定法、快速檢測平臺法和激光PSD檢測儀快速檢測法較全站儀法和電子水準儀檢測法的檢測效率提高了5～6倍，且操作簡便，對檢測人員技能要求也較低，但設(shè)備精確性受環(huán)境、溫度等因素的影響較大。

4 精度分析

為了驗證六工位測量機快速測定法、快速檢測平臺法、激光PSD檢測儀快速檢測法3種檢測方法的可靠性，以P5600型軌道板為測試對象，與傳統(tǒng)全站儀和水準儀檢測方法進行對比，檢測單側(cè)各承軌臺翹曲量，檢測結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，不同檢測設(shè)備處理數(shù)據(jù)的方式不同，全站儀、激光PSD檢測儀采用第1個和第9個承軌面為基準面，水準儀和六工位測量機采用第2個和第8個承軌面為基準面，檢測結(jié)果中，各承軌面翹曲量雖有所不同，但計算得出的單側(cè)承軌面中央翹曲量結(jié)果基本相同。

表2 平整度檢測結(jié)果精度對比表

注：快速檢測平臺法將平整度檢測作為全尺寸檢測的一個項點，故在檢測結(jié)果中不體現(xiàn)各承軌臺翹曲量

5 結(jié)論及建議

(1)全站儀法和快速檢測平臺法均可對軌道板進行全尺寸測試，電子水準儀檢測法、六工位測量機快速測定法、激光PSD檢測儀快速檢測法僅能測試軌道板的平整度。

(2)全站儀法和電子水準儀檢測法對軌道板鋪放要求較高，且需反復吊鋪，不僅增加檢測成本，降低工作效率，而且還增加了軌道板磕碰的風險。

(3)全站儀和電子水準儀可進行有效檢定，可作為判定其他檢測方法準確性的依據(jù)。

(4)現(xiàn)階段各種測試方法都未將快速檢測設(shè)備嵌入軌道板生產(chǎn)流程，并不能實現(xiàn)流水作業(yè)和信息化管控?？焖贆z測平臺法和激光PSD檢測儀快速檢測法可逐步作為工藝潛入、信息化測試方法；全站儀法和水準儀檢測法可作為標準測試方法；其他方法可作為內(nèi)控和軌道板交接時的平整度快速測定方法。