搗固車前端軌道偏差自動測量技術研究

徐濟松 張世紅 高春雷 何國華

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

有砟線路開通運營后，由于道砟破碎、道床板結等因素，導致軌道線路會出現(xiàn)不同程度的沉降、偏移、長波不平順等問題。國內外研究表明，隨著旅客列車速度的提高，線路的長波不平順成為影響車輛平穩(wěn)性與舒適度的主要因素［1-2］。當速度達到200 km/h時，應解決波長70～100 m 線路不平順的問題；速度達到350 km/h 時，則應解決波長90～120 m 線路不平順的問題［3-5］。而搗固車本身測量系統(tǒng)的基準測量弦長度只有21 m，因此，需要建立能夠引導搗固車進行自動起道、撥道的長基準測量系統(tǒng)，以滿足高速鐵路作業(yè)精度要求。

圖1 激光準直系統(tǒng)

目前，國內鐵路軌道主要采用大中修模式對軌道線路進行周期性養(yǎng)護維修，基本滿足了軌道線路的運營需求。進口型和國產化的搗固車前端均配置了激光準直系統(tǒng)，如圖1 所示。其主要分為一維激光準直系統(tǒng)和兩維激光準直系統(tǒng)。利用激光弦的準直特性可以較好地解決線路長波不平順問題［6-8］。另外，利用軌道檢查儀、全站儀、水準儀等軌道幾何檢測設備，配合和指導搗固車進行數(shù)字化搗固維護作業(yè)，基本能滿足線路周期性養(yǎng)護需求。但大中修結束后，線路仍會出現(xiàn)軌道幾何尺寸偏差，需要工務段臨時維修，具有“短、散、繁”特點。搗固車進行臨時維修作業(yè)時，因作業(yè)天窗時間短，人工采用手推式檢測設備查找病害，存在人工上道頻繁、效率低、勞動強度大等問題，影響了軌道線路養(yǎng)護維修計劃的順利完成，同時帶來了極大的安全隱患。因此，研究適用于臨時維修作業(yè)搗固車的前端軌道偏差自動測量系統(tǒng)具有非常重要的意義，通過高精度、智能化、集成化檢測技術，實現(xiàn)搗固車精細化作業(yè)的同時，保證搗固與測量同步，為鐵路運營安全提供技術保障。

1 總體技術方案

1.1 總體布局

圖2 總體布局

搗固車前端軌道偏差測量系統(tǒng)總體布局如圖2所示，主要由前端軌道偏差測量小車、無線傳輸模塊、前端底部托架等組成。其中，前端軌道偏差測量小車主要由測控箱、控制主機、走行小車、加載小車、驅動電機、張緊機構等組成。測控箱主要負責系統(tǒng)走行控制、數(shù)據(jù)采集與傳輸、左右側加載動作控制；控制主機主要負責數(shù)據(jù)采集與處理、線路要素錄入、數(shù)據(jù)優(yōu)化處理與分析、報表生成等任務；走行小車為系統(tǒng)承載和測量基準主體；加載小車主要負責輔助測量、加載等工作。

軌道偏差測量小車搭載于搗固車前端底部托架上，如圖3所示。搗固車控制系統(tǒng)操作其收放。

圖3 前端軌道偏差測量小車搭載方式

1.2 測量原理

在搗固車前端搭載具備自走行功能的軌道偏差測量小車，采用慣性導航系統(tǒng)測量原理［9-11］，實時精確檢測前端軌道偏差測量小車在軌道線路上的空間運行路徑，通過姿態(tài)修正和空間換算得到軌道線路的空間軌跡，如圖4所示。

圖4 測量原理

經控制主機數(shù)據(jù)處理后即可獲取軌道線路的橫向和縱向偏差，融合傳感器測量技術，實現(xiàn)軌道幾何狀態(tài)檢測。前端軌道偏差測量小車檢測后，由數(shù)據(jù)處理軟件對軌道線路病害進行處理分析，基于“最優(yōu)化調整量，消除軌道不平順”理念，對數(shù)據(jù)進行擬合優(yōu)化處理，按固定里程間隔計算搗固車前端軌道偏差測量小車位置的平面和高程調整量。

1.3 技術參數(shù)及特點

1.3.1 技術參數(shù)

前端軌道偏差測量小車最大檢測效率5 km/h，最大工作時長4 h，車架質量不大于300 kg，工作電壓48 V，工作溫度-20～+50 ℃。軌道內部幾何參數(shù)及其示值誤差見表1。里程累積誤差為±2‰。

表1 軌道內部幾何參數(shù)及其重復性偏差 mm

1.3.2 技術特點

搗固車前端軌道偏差測量系統(tǒng)主要有兩大技術特點：

1）測量與大型養(yǎng)路機械搗固作業(yè)同步

為提高大型養(yǎng)路機械數(shù)字化搗固作業(yè)質量，需按固定里程間隔逐點提供方向、縱向高低、橫向水平值。檢測天窗與搗固作業(yè)天窗錯開，甚至相差數(shù)十天。搗固車前端軌道偏差測量系統(tǒng)自動、快速檢測軌道幾何參數(shù)，并且可以選取不同的平順性指標，智能進行線型優(yōu)化，對實測偏差進行優(yōu)化擬合，指導搗固車作業(yè)。

2）作業(yè)質量復測

大型養(yǎng)路機械數(shù)字化搗固作業(yè)后，搗固車前端軌道偏差測量小車進行復測，快速檢測軌向、高低、軌距、水平、扭曲等軌道幾何參數(shù)，參考軌道質量指數(shù)（Track Quality Index，TQI）評價方法［12］，對搗固車作業(yè)質量進行評價，為線路搗固作業(yè)后的開通提供技術支持。

1.4 實施步驟

第1步，進入作業(yè)區(qū)間后，操作搗固車控制系統(tǒng)將前端軌道偏差測量小車放置于鋼軌上，前端軌道偏差測量小車自行對搗固作業(yè)區(qū)段進行軌道線路線型與幾何參數(shù)檢測，見圖5（a）。

第2 步，搗固車軌道參數(shù)計算機將線路資料和參數(shù)信息通過無線傳輸模塊傳遞給前端軌道偏差測量小車，控制主機對軌道線路線型與幾何參數(shù)的檢測結果進行處理分析，優(yōu)化軌道線路平面和高程線型，計算搗固車前端軌道偏差，通過無線傳輸模塊傳遞給軌道參數(shù)計算機，指導搗固車施工作業(yè)，見圖5（b）。

第3步，搗固車開始作業(yè)，見圖5（c）。

圖5 方案實施步驟

第4步，搗固作業(yè)完成后，前端軌道偏差測量小車自行至搗固車前端底部，完成施工區(qū)段軌道幾何參數(shù)的復測，操作搗固車控制系統(tǒng)收起前端軌道偏差測量小車，一起駛出作業(yè)區(qū)間，見圖5（d）。

2 方案試驗驗證

搗固車前端軌道偏差測量小車以4 km/h 的檢測速度，對非運營的長400 m 試驗區(qū)段進行了多次快速測量，并自動計算出軌道線路平面坐標和高程，以及軌向、高低、軌距、超高等軌道幾何參數(shù)。

測量結果見圖6?？梢缘玫剑呵岸塑壍榔顪y量小車實測軌道線路平面坐標、高程、基準軌軌向、基準軌高低、軌距、超高的重復性偏差極值分別為5.5，4.3，0.8，0.6，0.4，0.3 mm，均能達到表1 所述檢測要求。

圖6 試驗區(qū)段3次檢測軌道幾何參數(shù)對比

3 結語

針對搗固車臨時維修作業(yè)依靠傳統(tǒng)檢測手段存在人工上道頻繁、效率低、勞動強度大等問題，提出了一種適用于臨時維修作業(yè)搗固車的前端軌道偏差自動測量技術方案。系統(tǒng)采用慣性導航系統(tǒng)測量原理，結合智能化、集成化測控技術，前端軌道偏差測量小車搭載于搗固車上同步進出作業(yè)區(qū)間，根據(jù)測量結果指導搗固車精細化作業(yè)。該技術方案經重復試驗充分驗證，測量效率和精度均能滿足搗固作業(yè)需求。