CRTS雙塊式無砟軌道智能化粗鋪施工技術(shù)研究

徐明星 李俊紅 易鵬程

（中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司，江西九江 332000）

CRTS雙塊式無砟軌道因其結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、平順性好等特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于高速鐵路建設(shè)中，我國自雙塊式無砟軌道引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新以來已經(jīng)有十余年，由于施工技術(shù)受施工環(huán)境和施工設(shè)備影響較大，在軌排支撐架（簡稱軌排，下同）組裝和吊裝就位施工方面一直采用傳統(tǒng)人工施工方法，勞動力投入量大，工序煩瑣，施工耗費(fèi)時(shí)間長，人為干擾大，施工精度不易控制，施工功效低，施工成本亦居高不下。通過研究CRTS雙塊式無砟軌道智能化粗鋪施工技術(shù)，研發(fā)智能分枕機(jī)和智能化粗鋪機(jī)，優(yōu)化施工工藝和資源配置，避免了大量勞動力的投入和人為因素的干擾，實(shí)現(xiàn)了軌排支撐架組裝和吊裝就位的智能化和自動化施工，縮短了工期，提高了施工功效和施工精度。本文主要闡述智能分枕機(jī)和智能化粗鋪機(jī)在CRTS雙塊式無砟軌道施工中的應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)施工技術(shù)

在CRTS雙塊式式無砟軌道傳統(tǒng)施工技術(shù)中，軌排組裝和吊裝就位兩個工序的主要施工設(shè)備是簡易分枕平臺和龍門吊，首先采用龍門吊將軌枕吊運(yùn)至簡易分枕平臺上，利用龍門吊逐根將軌枕散開，人工測量調(diào)整軌枕間距完成分枕。同時(shí)安裝扣件系統(tǒng)，龍門吊吊運(yùn)軌排至簡易分枕平臺上方，人工輔助軌排與簡易分枕平臺對位，使軌排緩慢落在軌枕上，人工測量復(fù)核軌枕間距，對個別超限軌枕間距重新調(diào)整后擰緊螺栓道釘，龍門吊吊裝組裝完成的軌排，運(yùn)送至預(yù)鋪設(shè)位置（一般吊運(yùn)至半成品軌排儲存區(qū)按要求堆碼存放后待鋪），利用提前放樣的軌道中線，人工輔助軌排與軌道中線對位后緩慢落下完成軌排粗鋪就位，根據(jù)軌道中線和標(biāo)高交底資料，人工采用軌距道尺結(jié)合吊垂球和鋼板尺測量的方式進(jìn)行軌排粗調(diào)。單獨(dú)完成一榀軌排組裝需20 min以上（需配備作業(yè)人員10～12人），單獨(dú)完成一榀軌排吊裝就位（不考慮中間儲存待鋪時(shí)間）需10 min以上（需配備作業(yè)人員6～8人），單獨(dú)完成一榀軌排粗調(diào)需6 min以上（需配備作業(yè)人員4～6人）。這種施工方法工序煩瑣、耗費(fèi)人力多、施工耗費(fèi)的時(shí)間長、安全風(fēng)險(xiǎn)高，軌枕間距及粗鋪和粗調(diào)精度受人工影響大，同時(shí)增加了后面軌排精調(diào)的工作量和施工難度，施工功效低。

2 智能化粗鋪施工技術(shù)

CRTS雙塊式無砟軌道智能化粗鋪施工技術(shù)，由智能分枕機(jī)代替人工完成軌枕間距自動測量分枕、自動調(diào)整定位、自動鎖定，智能粗鋪機(jī)吊裝運(yùn)送組裝完成的軌排至預(yù)鋪設(shè)位置，通過全站儀測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量軌排的空間三維數(shù)據(jù)，自動完成粗調(diào)后精準(zhǔn)鋪設(shè)，簡化了施工工序，減少了勞動力的投入，縮短了軌排組裝和粗鋪的時(shí)間，提高了施工精度和施工功效。

2.1 智能分枕機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

智能分枕機(jī)是CRTS雙塊式無砟軌道成套智能化建造設(shè)備的其中一種，主要用于軌排組裝時(shí)軌枕的自動定位、自動分枕和鎖定，智能分枕機(jī)智能控制系統(tǒng)、分枕小車、伺服電機(jī)、軌枕鎖具、主梁、支腿和人機(jī)界面操作系統(tǒng)組成。

智能分枕機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 智能分枕機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

智能分枕機(jī)共有11個分枕小車（可同時(shí)實(shí)現(xiàn)11根軌枕的定位分枕），每個分枕小車相對獨(dú)立，互不干涉，11個分枕小車均可實(shí)現(xiàn)單動，可滿足各種不同軌枕間距的需求，分枕小車由伺服電機(jī)控制，單次動作精度可以達(dá)到0.001 mm，分枕小車完成自動定位后可自動鎖定；軌枕定位座和軌枕鎖具可實(shí)現(xiàn)軌枕與分枕小車的前后、左右限位鎖定；人機(jī)界面操控系統(tǒng)主要由顯示屏和控制軟件組成。

軟件中有6種已編輯好的軌排型號，每種軌排型號對應(yīng)不同的軌枕間距布置，也可根據(jù)實(shí)際情況編輯增加軌排型號，實(shí)際操作中，選擇完軌排型號后，可實(shí)現(xiàn)一鍵完成分枕定位鎖定。智能控制系統(tǒng)由電控柜、機(jī)載電腦、控制軟件、通訊模塊、人機(jī)界面、伺服電機(jī)、PLC可編程控制器、編碼器及傳感器組成。

在人機(jī)界面軟件中輸入或選擇參數(shù)值，PLC可編程控制器與反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行對比確定輸出量，伺服電機(jī)為執(zhí)行元件，傳感器與編碼器為反饋元件，PLC可編程控制器和編碼器分別通過通信模塊與人機(jī)界面通信，可監(jiān)控每根軌枕間距的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)，當(dāng)誤差小于±3 mm時(shí)，伺服電機(jī)停止運(yùn)行，自動定位分枕完成，分枕小車自動鎖定。實(shí)現(xiàn)了分枕小車自動收攏、軌枕快速自動分枕、自動定位鎖定，無累積誤差和設(shè)備間隙誤差，軌枕間距誤差可控制在3 mm以內(nèi)，軌枕與鋼軌垂直度可控制在1 mm以內(nèi)，整機(jī)自動分枕時(shí)間不超過1 min，同時(shí)具備連續(xù)工作能力，極大提高軌排組裝的效率。智能分枕機(jī)人機(jī)界面如圖2所示，工作原理如圖3所示。

圖2 智能分枕機(jī)人機(jī)界面

圖3 智能分枕機(jī)工作原理圖

2.2 智能粗鋪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

智能粗鋪機(jī)主要用于軌排的自動抓取、自動運(yùn)送，同時(shí)結(jié)合全站儀測量系統(tǒng)自動完成軌排粗調(diào)后自動精確定位鋪設(shè)，如圖4所示。

圖4 智能粗鋪機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

智能粗鋪機(jī)采用電腦編程控制系統(tǒng)與全站儀測量技術(shù)，在軌排運(yùn)送過程中，實(shí)時(shí)測量軌排三維空間數(shù)據(jù)，自動追蹤調(diào)整軌排位置，由測量系統(tǒng)與電腦控制系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，驅(qū)動液壓系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)將軌排準(zhǔn)確定位鋪設(shè)。

鋪設(shè)精度可達(dá)到3 mm以內(nèi)，減少了后期軌排精調(diào)的時(shí)間。智能粗鋪機(jī)主要由運(yùn)輸系統(tǒng)、粗鋪系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)組成。

運(yùn)輸系統(tǒng)主要用于軌排的運(yùn)送，采用鋼架龍門結(jié)構(gòu)，由結(jié)構(gòu)車架、維修平臺、行走輪、行走驅(qū)動裝置、定位裝置、電器控制設(shè)備等組成，通過遙控器或手薄軟件操作智能粗鋪機(jī)啟停，可設(shè)置為自動模式和手動模式兩種工作方式，后期可將龍門結(jié)構(gòu)優(yōu)化為跨雙線設(shè)計(jì)，共用龍門吊走行軌。

粗鋪系統(tǒng)主要用于軌排精確定位鋪設(shè)，由智能控制系統(tǒng)控制，智能粗鋪機(jī)粗鋪?zhàn)鳂I(yè)如圖5所示，粗鋪系統(tǒng)精確定位鋪設(shè)如圖6所示。

圖5 智能粗鋪機(jī)粗鋪?zhàn)鳂I(yè)

圖6 粗鋪系統(tǒng)精確定位鋪設(shè)

主要由里程調(diào)整車架、中線調(diào)整車架、提升導(dǎo)向架、抓放手臂、行走輪、導(dǎo)向輪組、液壓油缸、液壓站、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。里程調(diào)整車架用于軌排里程方向的位置調(diào)整，定位精度3 mm；中線調(diào)整車架用于軌排中心線位置的調(diào)整，可單獨(dú)調(diào)整軌排與線路中線的角度偏移位置，又可以整體調(diào)整軌排與中線偏移位置，定位精度3 mm；提升導(dǎo)向架和抓放手臂主要用于軌排抓取、提升、高程調(diào)整和放置,定位精度3 mm。

智能控制系統(tǒng)，由變頻驅(qū)動智能粗鋪機(jī)行駛到達(dá)已完成組裝的軌排（軌排儲存區(qū)或智能分枕機(jī)）上方，智能控制系統(tǒng)自動控制抓放手臂在軌排設(shè)定位置上方手臂張開，提升裝置下降，位置感應(yīng)器感應(yīng)到軌排工具軌后抓放手臂自動抱緊工具軌，提升裝置上升將軌排吊起鎖定，自動行駛到達(dá)軌排預(yù)鋪設(shè)位置，全站儀實(shí)時(shí)測量，智能控制系統(tǒng)根據(jù)返回的指令完成軌排空間位置的調(diào)整后完成粗鋪。

測量系統(tǒng)由全站儀、CPⅢ點(diǎn)位、車載精密棱鏡、高精度傾角傳感器、測量軟件及高精度激光傳感器等組成。全站儀通過CPⅢ點(diǎn)位完成自由設(shè)站，實(shí)時(shí)自動跟蹤測量智能粗鋪機(jī)上4個精密棱鏡的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過無線通信系統(tǒng)傳輸至手薄軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)算和處理，計(jì)算出4個棱鏡位置的橫向、縱向、高程調(diào)整量并傳輸至智能控制系統(tǒng)同時(shí)顯示在智能粗鋪機(jī)的人機(jī)界面上，便于使用者觀察施工情況和設(shè)備運(yùn)行情況，通過粗鋪系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制軌排自動完成空間姿態(tài)粗調(diào)、精確定位后放置鋪設(shè)。

無線傳輸系統(tǒng)采用無線通信模塊實(shí)現(xiàn)了全站儀測量系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)與各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)及信息指令的即時(shí)相互傳輸，均采用無線方式進(jìn)行傳輸。

智能粗鋪機(jī)從啟動行駛、自動抓取軌排、運(yùn)送至預(yù)鋪設(shè)位置、自動測量粗調(diào)、完成精確鋪設(shè)，整個過程只需要2名作業(yè)人員和1名測量人員，7 min內(nèi)便可完成所有工序，定位精度可達(dá)到3 mm以內(nèi)，極大簡化了施工的工序，避免了大量勞動力的投入和人為因素的干擾，縮短了施工時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了軌排吊裝就位的智能化和自動化施工，提高了施工效率和施工精度。

3 應(yīng)用效果

智能分枕機(jī)和智能粗鋪機(jī)依托鄭萬高鐵無砟軌道智能化施工進(jìn)行研發(fā)、持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化定型，最終形成了CRTS雙塊式無砟軌道智能化粗鋪施工技術(shù)，并在鄭萬高鐵無砟軌道施工中進(jìn)行了推廣和應(yīng)用。對比傳統(tǒng)施工技術(shù)和智能化施工技術(shù)。

智能化粗鋪施工技術(shù)應(yīng)用效果如表1所示。

表1 智能化粗鋪施工技術(shù)應(yīng)用效果對比

CRTS雙塊式無砟軌道智能化粗鋪施工技術(shù)采用智能分枕機(jī)和智能粗鋪機(jī)，作業(yè)人員大幅度減少，軌排組裝和粗鋪就位用時(shí)節(jié)約了近2/3，縮短了施工時(shí)間，極大簡化了施工工序。使用智能化設(shè)備，避免了人為因素的干擾，降低了作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度和作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。施工工效有了顯著提高，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的施工技術(shù)向智能化施工技術(shù)的根本轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)語

本文闡述的CRTS雙塊式無砟軌道智能化粗鋪施工技術(shù)通過研發(fā)智能分枕機(jī)和智能粗鋪機(jī)，徹底顛覆了傳統(tǒng)施工的固有思維，解決了傳統(tǒng)軌施工技術(shù)耗費(fèi)人力多、工序煩瑣、施工耗費(fèi)的時(shí)間長、受人工干擾大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、施工精度不易控制等問題，實(shí)現(xiàn)了由智能分枕機(jī)和智能粗鋪機(jī)代替人工完成軌排組裝和軌排粗鋪的施工，從根本上提高了施工的效率和施工精度，經(jīng)濟(jì)效益顯著，提高了無砟軌道一體化施工的技術(shù)水平，CRTS雙塊式無砟軌道智能化粗鋪施工技術(shù)在高速鐵路建設(shè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣應(yīng)用價(jià)值。