有砟鐵路連續(xù)卸砟控制系統(tǒng)分析

徐欽國(guó) （中國(guó)中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230022）

在有砟鐵路的施工過程中，道砟施工是其中一項(xiàng)重要的工作。能否快速的補(bǔ)充道砟關(guān)系到工程的進(jìn)度；能否精確補(bǔ)砟做到不盈虧、不重復(fù)倒運(yùn)更是與經(jīng)濟(jì)效益直接相關(guān)。

目前，有砟軌道卸砟車施工技術(shù)仍存在很多不足：①人工調(diào)查，靠經(jīng)驗(yàn)判斷道床道砟盈虧數(shù)量，施工精細(xì)化不足、隨機(jī)性大、誤差率高，現(xiàn)場(chǎng)過量補(bǔ)砟現(xiàn)象頻發(fā)；②人工對(duì)照現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)卸砟里程定位精度低、配砟地點(diǎn)偏差大，導(dǎo)致后期小范圍倒運(yùn)費(fèi)用增加；③人工經(jīng)驗(yàn)控制風(fēng)門大小，現(xiàn)場(chǎng)配砟無法做到具體量化控制；④現(xiàn)場(chǎng)需要專職人員比對(duì)里程，控制風(fēng)門，專業(yè)的配砟車也需要5人以上配合才可以作業(yè)，作業(yè)功效低，配砟速度慢。

1 總體思路

有砟鐵路連續(xù)卸砟控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是針對(duì)于卸砟車在道床上的卸砟是將卸砟車在軌道上連續(xù)行駛，針對(duì)整條補(bǔ)砟線路，根據(jù)測(cè)量獲得的缺省道砟量實(shí)現(xiàn)卸砟車連續(xù)行駛中的同步卸砟。系統(tǒng)包含道床斷面測(cè)量系統(tǒng)與自動(dòng)化卸砟系統(tǒng)。道床斷面測(cè)量系統(tǒng)通過道床斷面實(shí)時(shí)掃描，缺失道砟數(shù)量實(shí)時(shí)計(jì)算，為連續(xù)作業(yè)卸砟車提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐。自動(dòng)化卸砟系統(tǒng)是通過風(fēng)動(dòng)卸砟車卸砟傳動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)改造實(shí)現(xiàn)卸砟的自動(dòng)化、精確化。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

道砟測(cè)量系統(tǒng)采用激光掃描儀進(jìn)行道砟斷面輪廓掃描，計(jì)算每一里程道床斷面的道砟盈虧量。將設(shè)計(jì)的線路標(biāo)準(zhǔn)道床輸入道砟測(cè)量系統(tǒng)。隨著卸砟車前進(jìn)，通過固定在卸砟車上的激光掃描儀掃描前進(jìn)過程中的現(xiàn)有道床輪廓線，并與設(shè)計(jì)的道砟斷面對(duì)比，通過積分實(shí)時(shí)計(jì)算出各里程段道砟的初步數(shù)量。在掃描儀的頻率200幀/s，卸砟車時(shí)速10km/h情況下，掃描的理論步長(zhǎng)可以達(dá)到1.3cm。

道砟計(jì)算模型的誤差改正內(nèi)容主要是通過軌道類型計(jì)算出每公里高出道心道砟面的枕木、鋼軌體積，修正最終的道砟數(shù)量。軌道類型按照P60鋼軌、III型軌枕、1667根/km計(jì)算每公里改正值為30.109 m。

2.1 風(fēng)動(dòng)卸砟車[4]道砟自卸系統(tǒng)

將風(fēng)動(dòng)卸砟車卸砟系統(tǒng)傳動(dòng)裝置進(jìn)行電動(dòng)改造，拆除原風(fēng)控的氣缸傳動(dòng)系統(tǒng)，加裝電機(jī)與車門杠桿連接控制底門開關(guān)。導(dǎo)入測(cè)量的道砟量進(jìn)入道砟自卸系統(tǒng)，自卸系統(tǒng)通過行車速度與該區(qū)域道砟補(bǔ)充量控制車輛卸砟門開口的大小、數(shù)量，從而做到精確補(bǔ)充道砟。

自卸系統(tǒng)的原理是：

①自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)，快速精確測(cè)量道砟盈虧量；

②根據(jù)道砟盈虧量，考慮車速影響，經(jīng)過計(jì)算可得出在相應(yīng)里程卸砟車車門的開合量，將該開合量轉(zhuǎn)算成異形螺母在絲桿上所對(duì)應(yīng)的位置；

③根據(jù)絲桿的導(dǎo)程，計(jì)算出異形螺母由閉合狀態(tài)下運(yùn)行至指定位置，絲桿需要旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)；

④根據(jù)絲桿旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)、減速機(jī)減速比，計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)需要旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)；

⑤步進(jìn)電機(jī)是根據(jù)輸入信號(hào)的脈沖數(shù)來進(jìn)行運(yùn)行，可根據(jù)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)量。

自卸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于風(fēng)動(dòng)卸砟車卸砟系統(tǒng)傳動(dòng)裝置的改造以及參數(shù)調(diào)整、自卸軟件的編輯及修正（風(fēng)動(dòng)卸砟車傳動(dòng)部分簡(jiǎn)圖如圖1）。

圖1 風(fēng)動(dòng)卸砟車傳動(dòng)部分簡(jiǎn)圖

3 主要功能實(shí)現(xiàn)

卸砟車是由機(jī)車牽引若干車廂，各車廂具有各自獨(dú)立的自動(dòng)卸砟口，在機(jī)車前端設(shè)置斷面掃描儀，利用斷面掃描儀對(duì)于處在機(jī)車前端下方的道床斷面進(jìn)行掃描，并根據(jù)掃描信息計(jì)算獲得所在斷面的缺省道砟量，在機(jī)車內(nèi)設(shè)置有里程計(jì)；對(duì)于卸砟車在道床上的卸砟是以卸砟車在軌道上連續(xù)行駛，根據(jù)測(cè)量獲得的缺省道砟量實(shí)現(xiàn)同步卸砟。所述控制方法按如下步驟進(jìn)行：

步驟1：作業(yè)前的數(shù)據(jù)采集

①根據(jù)卸砟車的結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算獲得所述斷面掃描儀及各車廂卸砟口與里程計(jì)之間的相對(duì)里程；

②線路線形資料的采集。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料獲得各里程段的設(shè)計(jì)道床結(jié)構(gòu)，所述道床結(jié)構(gòu)包括：道床頂寬、道床厚度、道岔邊坡坡度和道床砟尖堆高尺寸，所述道床結(jié)構(gòu)是由道床斷面上八個(gè)特征點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)值所表征；設(shè)置道床的相對(duì)坐標(biāo)系的原點(diǎn)O為線路鋼軌的中心點(diǎn)。

如圖2所示，八個(gè)特征點(diǎn)分別是特征點(diǎn) a、b、c、d、e、f、g 以及特征點(diǎn) h；其中，特征點(diǎn)a和特征點(diǎn)h為路肩延伸點(diǎn)，特征點(diǎn)b和特征點(diǎn)g為道床砟腳，特征點(diǎn)c和特征點(diǎn)f為道床砟尖，特征點(diǎn)d和特征點(diǎn)e用于描述枕木槽道砟線。c、測(cè)定各車廂卸砟口的開啟過程和關(guān)閉過程的耗時(shí)，按照補(bǔ)砟預(yù)設(shè)定的機(jī)車最大行駛速度，確定卸砟單元的長(zhǎng)度s；

圖2 道床結(jié)構(gòu)錄入點(diǎn)位示意圖

③將卸砟車每節(jié)車廂的道砟數(shù)量分別存儲(chǔ)，建立道砟存量數(shù)據(jù)庫(kù)；所述道砟存量數(shù)據(jù)庫(kù)隨著卸砟作業(yè)同步更新；

步驟2：卸砟作業(yè)

①將卸砟車由機(jī)車牽引至卸砟起點(diǎn)，將里程計(jì)調(diào)整為卸砟起點(diǎn)的鐵路里程；根據(jù)斷面掃描儀及各車廂卸砟口與里程計(jì)之間的相對(duì)里程，計(jì)算獲得斷面掃描儀及各車廂卸砟口的絕對(duì)里程；

②根據(jù)里程計(jì)測(cè)定當(dāng)前機(jī)車速度v，根據(jù)當(dāng)前機(jī)車速度v計(jì)算獲得在當(dāng)前機(jī)車速度v下，單個(gè)車廂卸砟口針對(duì)長(zhǎng)度為s的一個(gè)卸砟單元的最大卸砟量N；

③道砟測(cè)量

道砟測(cè)量是隨著機(jī)車的行駛，由斷面掃描儀進(jìn)行實(shí)施掃描，利用掃描獲得的實(shí)際道床結(jié)構(gòu)，將所述實(shí)際道床結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)道床結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，從而確定所在斷面需要補(bǔ)充道砟的截面面積，通過積分計(jì)算獲得一個(gè)卸砟單元的缺省道砟量M；其中設(shè)計(jì)道床的結(jié)構(gòu)是由道床斷面上八個(gè)特征點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)值所表征，實(shí)際道床截面是由斷面掃描儀所獲取的實(shí)際反射回的點(diǎn)位組成的道床外輪廓線。

④確定卸砟車廂的數(shù)據(jù)及車廂號(hào)

根據(jù)一個(gè)卸砟單元的缺省道砟量M與單個(gè)車廂在一個(gè)卸砟單元的最大卸砟量N計(jì)算獲得參與對(duì)應(yīng)卸砟單元進(jìn)行卸砟的車廂數(shù)量P；

根據(jù)每個(gè)車廂內(nèi)實(shí)有道砟數(shù)量和所述車廂數(shù)量P計(jì)算獲得參與對(duì)應(yīng)卸砟單元進(jìn)行卸砟的各車廂編號(hào)；

⑤卸砟

當(dāng)參與卸砟的車廂卸砟口到達(dá)卸砟單元位置時(shí)，開啟卸砟口，在本卸砟單元的卸砟后，根據(jù)下一卸砟單元的卸砟量判斷卸砟與否。

4 結(jié)論

有砟鐵路連續(xù)卸砟控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了卸砟車在軌道上連續(xù)行駛，針對(duì)整條補(bǔ)砟線路，根據(jù)測(cè)量獲得的缺省道砟量實(shí)現(xiàn)同步卸砟，極大地提高了施工效率。通過斷面掃描儀設(shè)置，卸砟區(qū)域及卸砟數(shù)量是根據(jù)采集數(shù)據(jù)計(jì)算獲得，極大地提高了補(bǔ)砟精度，減少了卸砟不均產(chǎn)生的人工倒運(yùn)道砟的費(fèi)用，增加了經(jīng)濟(jì)效益。通過控制模塊，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終控制卸砟口的自動(dòng)啟閉，實(shí)現(xiàn)全過程自動(dòng)，極大地減少了人力消耗，提高線路施工的自動(dòng)化程度。