CTRSⅢ型無砟軌道板智能快速精調(diào)設(shè)備

汪永平，蘇雅拉圖，陳宇超，楊建良

（1. 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 蘇州鐵路工程建設(shè)指揮部，蘇州 215100；2. 中鐵三局集團(tuán)有限公司 技術(shù)開發(fā)部，太原 030001；3. 中鐵三局集團(tuán)華東建設(shè)有限公司 工程管理部，南京 211106；4. 中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 總包事業(yè)部，天津 300308）

我國(guó)通過科技攻關(guān)，對(duì)板式軌道生產(chǎn)、施工等工藝進(jìn)行系統(tǒng)性試驗(yàn)及研究，研制出符合中國(guó)國(guó)情的CRTSⅢ型無砟軌道板。作為無砟軌道的一種特殊構(gòu)件，CRTSⅢ型無砟軌道板是我國(guó)高速鐵路具有代表性的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)科研成果之一，已大規(guī)模推廣使用。

目前， CTRSⅢ型無砟軌道板的精調(diào)施工主要以人工為主[1]，存在施工成本高、效率低等問題。在我國(guó)高速鐵路建設(shè)工程中，隨著以CRTSⅢ型軌道板為主體結(jié)構(gòu)的無砟軌道的廣泛應(yīng)用，施工中亟需使用一種全自動(dòng)精調(diào)設(shè)備[2]，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、高精度的精調(diào)施工作業(yè)，在大幅降低人力投入的同時(shí)，更好地滿足高速鐵路對(duì)高平順、高穩(wěn)定無砟軌道的施工質(zhì)量要求，保證施工工期，提高施工綜合經(jīng)濟(jì)效益。

為此，研究開發(fā)了一種CRTSⅢ型無砟軌道板智能快速精調(diào)設(shè)備（簡(jiǎn)稱：智能精調(diào)設(shè)備）。

1 人工精調(diào)作業(yè)過程及存在問題分析

1.1 人工精調(diào)作業(yè)過程

目前，在 CRTSIII型無砟軌道板的鋪設(shè)過程中，精調(diào)施工[3]階段采用人工使用扳手精調(diào)的作業(yè)方式，主要分為6個(gè)作業(yè)步驟[4]。

（1）粗定位：劃線標(biāo)出軌道板安裝位置，采用木塊做臨時(shí)支撐，將軌道板吊裝就位；

（2）安裝精調(diào)爪[5]：拆下吊具，同時(shí)在安裝吊具的位置上安裝精調(diào)爪，替代木塊提供支撐，然后撤除木塊；

（3）測(cè)量坐標(biāo)：司鏡人員在待調(diào)軌道板的4個(gè)測(cè)點(diǎn)上安放全站儀[6]（一種智能型光電測(cè)量?jī)x器）及其配件（含棱鏡、標(biāo)架）；通過藍(lán)牙通信，將安裝有布板軟件[7]的便攜計(jì)算機(jī)與全站儀建立連接；使用布板軟件，控制全站儀測(cè)量軌道板上4個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)；布板軟件讀取全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)；

（4）計(jì)算調(diào)整量：布板軟件將測(cè)量數(shù)據(jù)與軌道板設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行比較[8]，計(jì)算坐標(biāo)精調(diào)數(shù)據(jù)，即每個(gè)測(cè)點(diǎn)需要調(diào)整的坐標(biāo)數(shù)值；

（5）下達(dá)精調(diào)指令：司鏡人員將坐標(biāo)精調(diào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為精調(diào)指令，通過無線語(yǔ)音通訊設(shè)備，指揮工人進(jìn)行調(diào)整作業(yè)；

（6）實(shí)施精調(diào)：按照精調(diào)指令，4名工人同時(shí)使用扳手配合作業(yè)，對(duì)軌道板進(jìn)行精調(diào)。

1.2 存在的主要問題

無砟軌道板人工精調(diào)作業(yè)存在的主要問題如下。

（1）現(xiàn)場(chǎng)人員間信息傳輸量大：軌道板精調(diào)數(shù)據(jù)雖是由布板軟件對(duì)全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)處理后生成的，但須由司鏡人員轉(zhuǎn)化成口頭精調(diào)指令，通過語(yǔ)音傳輸設(shè)備或隔空喊話方式，傳達(dá)給工人；每次測(cè)量完成后，司鏡人員向工人傳達(dá)的精調(diào)指令多達(dá)6組以上，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤指令傳達(dá)，或是工人聽錯(cuò)或錯(cuò)誤理解精調(diào)指令。

（2）精調(diào)精度差：司鏡人員需將精調(diào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換口頭精調(diào)指令，即將單位為“mm”的度量長(zhǎng)度轉(zhuǎn)換為三維精調(diào)器應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的“圈數(shù)”，致使人工精調(diào)作業(yè)方式下CRTSIII型軌道板調(diào)整精度受到限制，增加了精確鋪設(shè)軌道板的難度。

（3）作業(yè)效率低：在按照精調(diào)指令進(jìn)行操作的過程中，工人靠經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)三維精調(diào)器調(diào)整螺桿的角度較為粗略，動(dòng)作精度難以保證，且 4名工人難以保持動(dòng)作同步，尤其是方向調(diào)整難度大，需反復(fù)多次測(cè)量和調(diào)整，才能達(dá)到精度要求（±0.3 mm），作業(yè)效率偏低，影響施工進(jìn)度。

（4）勞動(dòng)強(qiáng)度大：工人使用手動(dòng)扳手轉(zhuǎn)動(dòng)三維精調(diào)器的絲桿，使軌道板產(chǎn)生位移，每塊軌道板平均重達(dá)11 t，勞動(dòng)強(qiáng)度大；工人經(jīng)常還因?yàn)槁犲e(cuò)或理解錯(cuò)誤精調(diào)指令，發(fā)生反向動(dòng)作、動(dòng)作量不足或過調(diào)等異常情況。

（5）不確定因素多：人工精調(diào)的精度和效率，完全依賴于司鏡人員和工人的經(jīng)驗(yàn)和熟練程度，當(dāng)出現(xiàn)人員變動(dòng)時(shí)，調(diào)整精度將受到嚴(yán)重影響。

2 智能精調(diào)設(shè)備的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)全自動(dòng)化調(diào)整：利用數(shù)控技術(shù)，由智能精調(diào)設(shè)備控制全站儀完成軌道板坐標(biāo)測(cè)量，與設(shè)計(jì)坐標(biāo)對(duì)比后，計(jì)算出坐標(biāo)調(diào)整量，并轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)代替4名工人，自動(dòng)完成軌道板精調(diào)作業(yè)。

（2）提高調(diào)整效率：人工調(diào)整作業(yè)的效率受到人和環(huán)境等因素的制約，難以大幅提高效率；智能精調(diào)設(shè)備通過軟件實(shí)現(xiàn)一鍵操作，控制軟件可將測(cè)量數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)，將精調(diào)工藝簡(jiǎn)化為設(shè)備安裝、司鏡人員測(cè)量與調(diào)整2個(gè)工序，消除了不利的人為因素，每塊軌道板的精調(diào)時(shí)間縮短為6～8 min，大幅提高施工效率。

（3）提高調(diào)整精度：采用數(shù)控技術(shù)，通過迭代微調(diào)[9]，實(shí)現(xiàn)軌道板的高精度定位，顯著提高調(diào)整精度，精度可達(dá)±0.2 mm。

（4）優(yōu)化軌道板鋪設(shè)流程：通過優(yōu)化精調(diào)爪設(shè)計(jì)，使精調(diào)爪與吊具合二為一，吊具安裝與拆除、木塊支撐與移除等作業(yè)程序，軌道板起吊后即可直接就位。

（5）整體化及輕量化設(shè)計(jì)：設(shè)備的所有硬件組件集成在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)，采用便于操作的T型槽連接型式，安裝時(shí)對(duì)準(zhǔn)精調(diào)爪插槽，插入緊固即可[10]；通過輕量化設(shè)計(jì)，單臺(tái)智能精調(diào)設(shè)備重量約15 kg，整體空間約300 mm×200 mm×160 mm，保證設(shè)備的機(jī)動(dòng)性，節(jié)省人力。

2.2 設(shè)備構(gòu)成

智能精調(diào)設(shè)備由硬件和精調(diào)軟件構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 智能精調(diào)設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成示意

智能精調(diào)設(shè)備的硬件主要包括控制主機(jī)和精調(diào)裝置和5G通信[11]模塊；安裝精調(diào)軟件的便攜計(jì)算機(jī)通過5G通信與控制主機(jī)連接[12]，通過藍(lán)牙通信與全站儀連接；精調(diào)軟件通過串口通信與布板軟件交換數(shù)據(jù)。智能精調(diào)設(shè)備的硬件主要由控制主機(jī)、精調(diào)裝置和5G通信模塊等組件構(gòu)成。

精調(diào)軟件為一組程序模塊[13]，主要完成以下功能。

（1）數(shù)據(jù)接口模塊：獲取全站儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，以及布板軟件中軌道板設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

（2）控制模塊：依據(jù)獲取的最新測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算軌道板坐標(biāo)調(diào)整量，并將其轉(zhuǎn)化為精調(diào)指令，發(fā)送給控制主機(jī)。

（3）操作模塊：提供精調(diào)作業(yè)操作界面，依據(jù)控制模塊計(jì)算的軌道板坐標(biāo)調(diào)整量更新界面上的數(shù)據(jù)顯示；根據(jù)精調(diào)進(jìn)程，驅(qū)動(dòng)便攜計(jì)算機(jī)內(nèi)置音箱發(fā)出操作提示音；精調(diào)設(shè)備工作時(shí)，其操作軟件用戶操作界面如圖2所示。

圖2 精調(diào)軟件操作界面（工作狀態(tài)）

（4）監(jiān)測(cè)模塊：監(jiān)測(cè)精調(diào)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)情況，記錄和查看設(shè)備日志。

2.3 工作過程

智能精調(diào)設(shè)備完成軌道板精調(diào)作業(yè)的具體工作過程如圖3所示。

圖3 智能精調(diào)設(shè)備工作過程示意

（1）準(zhǔn)備工作：在進(jìn)行精調(diào)前，先將智能精調(diào)設(shè)備的精調(diào)爪固定在軌道板上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過傳力桿與精調(diào)爪連接；全站儀及其配件安裝就位，棱鏡應(yīng)就近安裝在精調(diào)爪附近；建立安裝精調(diào)軟件的便攜計(jì)算機(jī)與全站儀的藍(lán)牙通訊連接；精調(diào)軟件從布板軟件獲取軌道板的設(shè)計(jì)坐標(biāo)。

（2）計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)：精調(diào)軟件獲取全站儀測(cè)量的軌道板坐標(biāo)，與設(shè)計(jì)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出坐標(biāo)差值（即調(diào)整量）；將坐標(biāo)差值轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)，并發(fā)送給控制主機(jī)。

（3）驅(qū)動(dòng)電機(jī)預(yù)扭轉(zhuǎn)：在正式工作前，驅(qū)動(dòng)電機(jī)先自主進(jìn)行預(yù)扭轉(zhuǎn)，以消除傳力桿、精調(diào)爪的非彈性變形。

（4）調(diào)整軌道板位置：控制主機(jī)按照轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始扭轉(zhuǎn)，帶動(dòng)傳力桿將扭矩傳遞給精調(diào)爪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，通過精調(diào)爪三向轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)軌道板空間位置進(jìn)行調(diào)整。

（5）驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)整狀態(tài)反饋：驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成當(dāng)前精調(diào)指令后，將完工信息通過5G通訊模塊反饋給控制主機(jī)，再由控制主機(jī)反饋給智能精調(diào)設(shè)備軟件。

（6）精調(diào)結(jié)果復(fù)測(cè)：精調(diào)軟件接收到驅(qū)動(dòng)電機(jī)完工信息后，操控全站儀進(jìn)行復(fù)測(cè)；若偏差超過0.2 mm，重復(fù)上述的流程進(jìn)行軌道板微調(diào)，直至偏差不大于0.2 mm，即完成軌道板精調(diào)。

3 精調(diào)試驗(yàn)及設(shè)備優(yōu)化

3.1 精調(diào)測(cè)試

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)常見的軌道板精調(diào)姿態(tài)，建立3個(gè)測(cè)試案例，每個(gè)測(cè)試案例各測(cè)試20次，并收集整理60組測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。具體測(cè)試案例中，軌道板上4個(gè)測(cè)點(diǎn)（分別對(duì)應(yīng)棱鏡一、二、三、四）的X、Y、Z軸分別表示軌道板的縱向、橫向、豎向。

（1）第1組測(cè)試案例：將軌道板整體抬升2 mm，即將4個(gè)測(cè)點(diǎn)的Z值調(diào)整量設(shè)置為+2 mm，如圖4所示。

圖4 第1組精調(diào)測(cè)試案例

（2）第2組測(cè)試案例：將軌道板整體向右移動(dòng)2 mm，即將4個(gè)測(cè)點(diǎn)的Y值調(diào)整量設(shè)置為+2 mm，如圖5所示。

圖5 第2組精調(diào)測(cè)試案例

（3）第3組試驗(yàn)案例：以軌道板中心為基點(diǎn)，將軌道板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)2 mm，即將一、二號(hào)棱鏡的Y值調(diào)整量設(shè)置為-2 mm，三、四號(hào)棱鏡的Y值調(diào)整量設(shè)置為+2 mm，如圖6所示。

圖6 第3組精調(diào)測(cè)試案例

3.2 測(cè)試結(jié)論

整個(gè)精調(diào)過程僅需1名司鏡人員，通過操作精調(diào)軟件，即可完成軌道板精調(diào)作業(yè)。60組測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表1可知：

（1）調(diào)整完成后，較設(shè)計(jì)差值最小值均在0.2 mm范圍內(nèi)，一次精調(diào)操作平均用時(shí)均不超過8 min，智能精調(diào)設(shè)備的精調(diào)精度和效率達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（2）Z軸有輕微位移，其最大位移量-0.3 mm；Y軸位移較大，其最大位移量-0.6 mm；X軸位移最大，其最大位移量1.2 mm；說明智能精調(diào)設(shè)備在Z軸精調(diào)作業(yè)上精度最高，其次是Y軸，X軸精度最低。

（3）Z軸精調(diào)作業(yè)最長(zhǎng)耗時(shí)7.3 min；Y軸精調(diào)作業(yè)最長(zhǎng)耗時(shí)8.0 min；X軸精調(diào)作業(yè)最長(zhǎng)耗時(shí)8.2 min，說明智能精調(diào)設(shè)備目前在X軸上的精調(diào)作業(yè)效率尚未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)一步優(yōu)化。

（4）第1、2組精調(diào)測(cè)試案例均為單方向精調(diào)，均在目標(biāo)時(shí)間內(nèi)完成測(cè)試，并達(dá)到目標(biāo)調(diào)整值，單方向精調(diào)精度、效率較高；但在非調(diào)整方向有輕微偏移，分析認(rèn)為精調(diào)爪安裝完成后與軌道板不垂直，或調(diào)整過程中由于受力變化，導(dǎo)致調(diào)整方向與軌道板之間存在一個(gè)斜角，使得軌道板單向調(diào)整時(shí)，軌道板沿此斜角方向運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致非調(diào)整方向上的偏移量增大。

（5）第3組精調(diào)測(cè)試案例為多方向精調(diào)，其中有2次測(cè)試未能在目標(biāo)時(shí)間內(nèi)完成，極個(gè)別數(shù)據(jù)（占總數(shù)的2.91%）未達(dá)到目標(biāo)調(diào)整值，但基本控制在0.5 mm范圍內(nèi)；經(jīng)分析認(rèn)為：在進(jìn)行軌道板多方向調(diào)整時(shí)，因受力情況不斷變化，傳感器與軌道板側(cè)面不再垂直，導(dǎo)致實(shí)際調(diào)整值與設(shè)計(jì)值不相符；另外，也有可能是傳感器初始位置與軌道板不垂直，從而出現(xiàn)誤差。如圖7所示，黑色圖形為處于設(shè)計(jì)位置的軌道板，傳感器與軌道板側(cè)面保持垂直，軌道板側(cè)面距激光傳感器距離為L(zhǎng)2；紅色圖形為測(cè)試中軌道板的實(shí)際位置，此時(shí)傳感器與軌道板側(cè)面不再垂直，軌道板側(cè)面距激光傳感器距離為L(zhǎng)1，由圖7可知，L1與L2不相等。

圖7 軌道板多方向調(diào)整位置變化示意

針對(duì)軌道板多方向精調(diào)，需進(jìn)行受力分析，解決多方向調(diào)整的協(xié)調(diào)性問題，進(jìn)一步提高軌道板精調(diào)精度及效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

為解決CRTSIII無砟軌道板精調(diào)作業(yè)耗時(shí)費(fèi)力、精度低的問題，運(yùn)用數(shù)控技術(shù)、算法分析及系統(tǒng)集成等技術(shù)，研制了智能精調(diào)設(shè)備。該設(shè)備由硬件和精調(diào)軟件構(gòu)成；硬件采用整體化及輕量化設(shè)計(jì)，所有硬件部件集成在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，便于操作，節(jié)省人力；精調(diào)軟件實(shí)現(xiàn)了與全站儀和布板軟件的數(shù)據(jù)接口，自動(dòng)完成精調(diào)控制，提供簡(jiǎn)單易用的精調(diào)操作界面和設(shè)備監(jiān)測(cè)功能。使用該設(shè)備，整個(gè)精調(diào)過程僅需1名司鏡人員，通過操作精調(diào)軟件，即可完成軌道板精調(diào)作業(yè)；實(shí)現(xiàn)了軌道板精調(diào)作業(yè)從“人力”向“機(jī)械”，“人工”向“智能”的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了軌道板從初始數(shù)據(jù)測(cè)量、傳輸、與設(shè)計(jì)參數(shù)較差計(jì)算、軌道板精調(diào)全過程智能作業(yè)，有助于提升軌道板精調(diào)作業(yè)效率及質(zhì)量。

目前，智能精調(diào)設(shè)備已在新建的鹽通（鹽城—南通）鐵路上試用，相比人工精調(diào)作業(yè)，作業(yè)效率高，操作簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)。下一步，將根據(jù)設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過程中存在的單方向精調(diào)中非調(diào)整方向偏移量增大、多方向精調(diào)效率不高等問題，開展深入研究，對(duì)持續(xù)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化完善。