雙塊式無(wú)砟軌道智能化施工裝備發(fā)展和創(chuàng)新

劉 巍

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

0 引言

我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道主要采用雙塊式無(wú)砟軌道形式，總運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到約6850.0 km，占全國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程的60%。隨著“十四五”交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的提出，提升高速鐵路建造水平迫在眉睫。針對(duì)目前雙塊式無(wú)砟軌道施工工藝，研制了新一代智能化施工工裝，并逐步在工程應(yīng)用，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

1 雙塊式無(wú)砟軌道施工發(fā)展現(xiàn)狀

橋梁段雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)自上而下依次由：鋼軌、扣件、軌枕、道床板、彈性墊層、底座板構(gòu)成[1-3]，如

組合式軌道排架法是我國(guó)自主研發(fā)的應(yīng)用于彈性支承塊式整體道床施工裝備，后應(yīng)用于雙塊式無(wú)砟軌道，經(jīng)多次升級(jí)改進(jìn)，組合式軌道排架將工具軌、托梁、高程調(diào)整機(jī)構(gòu)等整體設(shè)計(jì)制造，形成整體式軌道排架結(jié)構(gòu)[4]。

軌排框架法最早應(yīng)用于西康線秦嶺特長(zhǎng)隧道I線，后在寧西線磨溝嶺隧道、桃花鋪單線隧道、東秦嶺雙線隧道及西安—安康線秦嶺特長(zhǎng)隧道II 線等隧道整體道床施工，之后被廣泛應(yīng)用于我國(guó)的高速鐵路、重載鐵路無(wú)砟軌道施工。

傳統(tǒng)軌排框架法施工工藝雖然較為成熟，但整體施工流程需要大量人工參與，遠(yuǎn)未達(dá)到自動(dòng)化和智能化需求。施工過(guò)程中存在人工散枕精度難以控制、傳統(tǒng)軌排施工工序復(fù)雜、人工精調(diào)無(wú)法保證精度且施工工序不科學(xué)。如，人工精調(diào)存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，人為因素干擾較大（圖2）。

圖2 軌道施工人工精調(diào)

2 雙塊式無(wú)砟軌道智能化施工成套裝備

國(guó)內(nèi)從事高速鐵路軌道工程智能建造裝備研制的相關(guān)單位，針對(duì)軌排框架法施工關(guān)鍵裝備和工序研發(fā)了雙塊式無(wú)砟軌道智能化施工成套裝備[5]。

2.1 底座自動(dòng)整平機(jī)

底座板整平機(jī)是無(wú)砟軌道底座板施工專用設(shè)備，由整平機(jī)與模板系統(tǒng)、走行軌道等組成[6]，如圖3 所示。其中，整平機(jī)由整平機(jī)架、變頻行走系統(tǒng)、整平升降系統(tǒng)、震動(dòng)擋板、前推板角度調(diào)整器、后成型板角度調(diào)整器、發(fā)動(dòng)機(jī)、照明系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成，具有混凝土一次成型、抹面平整功能，在直線段、圓曲線段實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙連續(xù)施工，底座板尺寸控制精度高、質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)省人工、工作效率高、工作面整潔等特點(diǎn)。

圖3 軌道施工人工精調(diào)

設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如下。

外廓尺寸：3 600 × 1 820 × 1 960

設(shè)備自重：2 500 kg

整機(jī)功率：7 kW

作業(yè)寬度：2 800 mm ～3 100 mm

作業(yè)速度：0 ～7.5 m/min

激振力：5 000 kN

控制方式：電控箱/遙控器

整平精度：±2 mm

2.2 智能化自動(dòng)分枕平臺(tái)

智能化自動(dòng)分枕平臺(tái)是雙塊式無(wú)砟軌道施工軌排組裝工序的專用設(shè)備[7]（圖4）。分枕平臺(tái)采用自動(dòng)控制模式，在操作前將軌枕間距輸入到程序當(dāng)中，使用時(shí)選擇需要的一種模式即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)布枕。其控制界面如圖5 所示。自動(dòng)分枕機(jī)采用智能化控制，按預(yù)設(shè)軌排組裝模式自動(dòng)分枕，以滿足高速鐵路路、橋、隧不同地段軌道結(jié)構(gòu)對(duì)軌枕間距要求，特別是橋梁地段為適應(yīng)不同梁段不同的軌枕布置需求。

圖4 智能化自動(dòng)分枕平臺(tái)

圖5 智能化自動(dòng)分枕平臺(tái)控制界面

分枕平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)如下。

整機(jī)尺寸：7.7 m × 2.0 m × 1.4 m

分枕間距：600 ～650 mm

整機(jī)功率：8.25 kW

平臺(tái)承重：3 000 kg

分枕數(shù)量：11

分枕時(shí)間：1 min

最大推力：5 kN

2.3 新型嵌套軌排

新型嵌套軌排包括工具軌、組合托梁體、高低螺桿、防護(hù)墻固定座、鎖定裝置等組成[8]。組合托梁體由內(nèi)外套組成，內(nèi)外套通過(guò)十字銷軸在豎向螺桿處連接，內(nèi)套相對(duì)外套可相對(duì)滑動(dòng)而不影響豎向高程，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)約實(shí)效。如圖6 所示。

圖6 嵌套式軌排軌向與高程調(diào)節(jié)原理

嵌套式軌排主要技術(shù)參數(shù)如下：

軌距：1435±0.5 mm

軌頂標(biāo)高：515 ～860 mm

軌排中線：±30 mm

最大超高：175 mm

軌底坡：1：40±2

長(zhǎng)度誤差：±1 mm

適應(yīng)軌枕間距：600 ～650 mm

高程調(diào)整范圍：460 ～900 mm

2.4 雙塊式無(wú)砟軌道智能精調(diào)設(shè)備

鐵五院機(jī)械公司研發(fā)的CRTSI 型雙塊式無(wú)砟軌道自動(dòng)精調(diào)機(jī)，主要適用于雙塊式無(wú)砟軌道施工精調(diào)作業(yè)。智能化精調(diào)機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)地址讀取方式來(lái)提取軌檢小車測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)CAN 總線方式將精調(diào)數(shù)據(jù)發(fā)送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖7 所示。

圖7 軌排精調(diào)機(jī)

主要技術(shù)參數(shù)如下：

調(diào)整精度：0.1 mm

精調(diào)時(shí)間：＜15 min（32 m 梁雙線）

最大超高：175 mm

供電：兩相220 V/6 kW

數(shù)據(jù)傳輸：無(wú)線傳輸

行走方式：無(wú)線遙控

測(cè)量系統(tǒng)：Amberd GRP 軌道測(cè)量系統(tǒng)

自動(dòng)精調(diào)機(jī)主要包括測(cè)量數(shù)據(jù)識(shí)別系統(tǒng)、精調(diào)系統(tǒng)、伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)及自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軌道測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)讀取，自動(dòng)傳輸，滿足隨測(cè)隨調(diào)，無(wú)需反復(fù)調(diào)整；采用多點(diǎn)聯(lián)調(diào)，可一次精調(diào)兩榀軌排，也可選用一套精調(diào)機(jī)一次調(diào)整一個(gè)排架，減少干擾，提高效率；預(yù)留上傳接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，保證數(shù)據(jù)真實(shí)可靠；自動(dòng)走行，可實(shí)現(xiàn)遙控定位，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。其控制界面如圖8 所示。

圖8 軌排精調(diào)機(jī)精調(diào)界面

西安遠(yuǎn)景研發(fā)的TAS-4 雙塊式軌排精調(diào)機(jī)器人如圖9 所示。精調(diào)機(jī)器人結(jié)合自動(dòng)測(cè)量、智能控制、精密機(jī)械等技術(shù)，以機(jī)載電腦為核心，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路組成一個(gè)整體，操作高度自動(dòng)化、無(wú)人化，以設(shè)備代替人工完成雙塊式無(wú)砟軌道軌排精調(diào)定位，提高了效率與精度，節(jié)省人力。主要技術(shù)特點(diǎn)如下。

圖9 TAS-4 軌排精調(diào)機(jī)器人

（1）精調(diào)機(jī)器人自帶棱鏡，接收第三方精調(diào)軟件的測(cè)量數(shù)據(jù)，全自動(dòng)調(diào)整軌道板的位置。

（2）測(cè)量軟件與精調(diào)機(jī)器人之間采用無(wú)線信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，快捷準(zhǔn)確。

（3）由兩臺(tái)設(shè)備成組工作，車體小型化，行走、收納、防護(hù)靈活方便，不占用工作通道。

（4）每調(diào)整好一榀軌排，可以自動(dòng)行走到下一榀軌排、需要人工輔助安裝調(diào)整器。

（5）根據(jù)精調(diào)軟件計(jì)算的誤差值，逐次調(diào)整每榀軌排的8 個(gè)精調(diào)螺桿，使軌排快速到位。

2.5 承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人

無(wú)砟軌道施工過(guò)程中，獲得每個(gè)承軌臺(tái)位置參數(shù)，是施工質(zhì)量控制的必要工序。人工檢測(cè)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，抽樣檢測(cè)對(duì)承軌臺(tái)數(shù)據(jù)采集、分析不夠，導(dǎo)致后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整墊板大量更換，造成材料、人工成本與時(shí)間浪費(fèi)。西安遠(yuǎn)景研發(fā)的BMR-3 型承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人。BMR-3 型承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人可快速、全自動(dòng)復(fù)測(cè)已完工道床板上的承軌臺(tái)[9]，如圖10 所示。

圖1 CRTS-Ⅰ型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)圖

圖10 BMR-3 型承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人

承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人以全自動(dòng)工作方式設(shè)備代替人工，對(duì)無(wú)砟軌道承軌臺(tái)位置進(jìn)行全面、高效、自動(dòng)檢測(cè)，工作效率是人工的3 倍；計(jì)算、存儲(chǔ)每個(gè)系統(tǒng)，可以存儲(chǔ)每對(duì)承軌臺(tái)位置，為扣件自動(dòng)布放提供定位數(shù)據(jù)；根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整施工工藝，提高無(wú)砟軌道施工精度；根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)承軌臺(tái)位置所需扣件精準(zhǔn)規(guī)格，降低扣件更換率[10]。

3 結(jié)語(yǔ)

雙塊式無(wú)砟軌道智能化施工裝備在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用，提高了我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道施工質(zhì)量，推動(dòng)了“智能建造”在我國(guó)高速鐵路的應(yīng)用。未來(lái)應(yīng)大力推廣在無(wú)砟軌道施工的關(guān)鍵工序上采用新型智能化施工裝備，利用施工裝備執(zhí)行動(dòng)作精度高、質(zhì)量穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)保證工程質(zhì)量。