新一代雙塊式無砟軌道智能精調(diào)技術(shù)研究

楊建福

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

1 CRTS I雙塊式無砟軌道發(fā)展現(xiàn)狀

隨著我國高速鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，高速鐵路無砟軌道在設(shè)計、施工、材料、施工裝備等方面取得了一系列研究成果，形成CRTS I型板式、CRTS II型板式、CRTS III型板式、CRTS I型雙塊式、CRTS II型雙塊式及岔區(qū)無砟軌道成套技術(shù)，并在我國高速鐵路建設(shè)中全面推廣應(yīng)用[1]。其中，CRTS I型雙塊式無砟軌道已經(jīng)發(fā)展成為高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)主流形式之一，其鋪設(shè)里程已達(dá)約6 850 km，占無砟軌道里程40%。

CRTS I型雙塊式無砟軌道技術(shù)發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段：第一階段為無砟軌道引進(jìn)發(fā)展階段，以武廣、鄭西為代表，其施工技術(shù)和成套裝備主要以進(jìn)口為主；第二階段為消化吸收再創(chuàng)新階段，以蘭新、大西、貴廣高鐵為代表，主要形成了軌排框架法的主流施工模式；第三階段為智能化無砟軌道發(fā)展階段，以鄭萬高鐵為代表，引領(lǐng)智能化無砟軌道施工發(fā)展趨勢。

傳統(tǒng)雙塊式無砟道床施工采用組合式軌排框架施工，精調(diào)作業(yè)時軌向與高程調(diào)節(jié)相互干擾，鎖定工序繁瑣，且耗費(fèi)了大量人工，精調(diào)質(zhì)量及精調(diào)時間不可控，不僅降低了精調(diào)效率，也增加了操作工人的勞動強(qiáng)度[2-3]?；跀?shù)據(jù)尋址技術(shù)和MBOX運(yùn)動控制器+HS伺服驅(qū)動器運(yùn)動控制技術(shù)，本文提出新一代CRTS I型雙塊式無砟軌道智能精調(diào)技術(shù)，研發(fā)了基于某型軌檢小車測量系統(tǒng)的精調(diào)軟件和精調(diào)機(jī)用于軌排自動化精調(diào)。

2 雙塊式無砟軌道精調(diào)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

CRTS I型雙塊式無砟軌道施工精調(diào)是利用CPⅢ軌道控制網(wǎng)，通過全站儀+軌檢小車測量比較軌排鋼軌參數(shù)和線路設(shè)計參數(shù)，采用人工精調(diào)將二者差值調(diào)整至±0.5 mm范圍。

第一代智能化精調(diào)機(jī)均采用自帶測量系統(tǒng)配合全站儀進(jìn)行精調(diào)作業(yè)，主要實(shí)現(xiàn)了精調(diào)作業(yè)不配置軌檢小車和替代人工精調(diào)。精調(diào)機(jī)控制系統(tǒng)通過全站儀自動測量標(biāo)架棱鏡，經(jīng)過工控機(jī)計算，伺服電機(jī)精密減速機(jī)通過萬向伸縮傳動軸傳遞精密轉(zhuǎn)動調(diào)整，替代人工調(diào)整[4]。中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司研發(fā)的第一代智能精調(diào)機(jī)見圖1所示。

圖1 第一代智能精調(diào)機(jī)

智能精調(diào)機(jī)由測量系統(tǒng)、調(diào)整機(jī)構(gòu)、無線通訊、行走機(jī)構(gòu)等組成。測量系統(tǒng)包括：測量標(biāo)架，萊卡全站儀，萊卡棱鏡，測量軟件。調(diào)整機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)+精密減速機(jī)、萬向伸出傳動軸和精調(diào)主體。行走機(jī)構(gòu)四驅(qū)軌道遙控前進(jìn)后退。

西安遠(yuǎn)景智能控制有限公司研發(fā)的TAS-4雙塊式軌排精調(diào)機(jī)器人見圖2所示。精調(diào)機(jī)器人結(jié)合自動測量、智能控制、精密機(jī)械等技術(shù)，以機(jī)載電腦為核心，通過數(shù)據(jù)鏈路組成一個整體，操作高度自動化、無人化，以設(shè)備代替人工完成雙塊式無砟軌道軌排精調(diào)定位，提高了效率與精度，節(jié)省人力[5]。主要技術(shù)特點(diǎn)見下：

圖2 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)軟件的測量數(shù)據(jù)，全自動調(diào)整軌道的位置。

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

(3)由兩臺設(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)軟件計算的誤差值，逐次調(diào)整每榀軌排的8個精調(diào)螺桿，使軌排快速到位。

上述兩種精調(diào)機(jī)自帶軌道測量系統(tǒng)，通過自由設(shè)站和CPⅢ控制網(wǎng)來指導(dǎo)精調(diào)。精調(diào)機(jī)軟件自帶測量系統(tǒng)，能夠輸入線路的平、縱斷面的設(shè)計坐標(biāo)，通過精調(diào)機(jī)測量數(shù)據(jù)和輸入的設(shè)計坐標(biāo)對比，從而得出偏差，最終將偏差調(diào)整至±0.5 mm范圍內(nèi)。經(jīng)測量驗(yàn)證，測量精度和軌檢小車測量精度相差很小。但是，考慮測量儀器檢定方便，同時施工單位測量隊(duì)一般配有軌檢小車，能夠?qū)崿F(xiàn)軌道施工測量，精調(diào)機(jī)的推廣應(yīng)用受到一定限制。

3 新一代雙塊式無砟軌道智能精調(diào)技術(shù)

鑒于傳統(tǒng)軌道精調(diào)中存在精調(diào)作業(yè)時軌向與高程調(diào)節(jié)相互干擾等問題，研發(fā)了新型嵌套式軌排，通過設(shè)置內(nèi)外套形式，實(shí)現(xiàn)了軌排的高程和中線單獨(dú)調(diào)節(jié)而不互相干擾目標(biāo)。同時，為充分利用軌檢小車測量數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)尋址技術(shù)和MBOX運(yùn)動控制器+HS伺服驅(qū)動器運(yùn)動控制技術(shù)，研發(fā)了新一代智能精調(diào)系統(tǒng)和精調(diào)機(jī)。

3.1 新型嵌套式軌排

新型嵌套軌排由工具軌、組合托梁、高程螺桿、軌向螺桿和防護(hù)墻固定座等組成，如圖3所示。組合托梁由內(nèi)外套組成，內(nèi)外套通過十字銷軸在豎向螺桿處連接，內(nèi)套相對外套可相對滑動而不影響豎向高程，可實(shí)現(xiàn)軌排的高程和中線單獨(dú)調(diào)節(jié)而不互相干擾，通過調(diào)節(jié)左右兩側(cè)的高程螺桿調(diào)節(jié)軌排的左右高程，通過調(diào)整軌向螺桿調(diào)整軌排中線，消除了傳統(tǒng)軌向調(diào)節(jié)器對混凝土面的損傷，軌排達(dá)到精度要求無須鎖定。

圖3 嵌套式軌排結(jié)構(gòu)

3.2 雙塊式無砟軌道測量原理

雙塊式無砟軌道測量系統(tǒng)主要包含棱鏡、軌檢小車(GRP1000)、全站儀。雙塊式無砟軌道測量基本原理：全站儀實(shí)時測量軌檢小車?yán)忡R的三維坐標(biāo)，然后結(jié)合標(biāo)定的軌檢小車幾何參數(shù)、小車的定向參數(shù)、水平傳感器所測得橫向傾角和實(shí)測軌距，即可換算得出對應(yīng)里程處線路的實(shí)測平面位置和軌面高程，通過與預(yù)先輸入的線路設(shè)計參數(shù)進(jìn)行比較，得到其偏差，從而用于指導(dǎo)軌道施工精調(diào)。

雙塊式無砟軌道測量原理見圖4所示。棱鏡安裝在線路CPⅢ控制點(diǎn)上，用于確定軌檢小車在線路中位置坐標(biāo)；軌檢小車主要用于測量鋪設(shè)軌排鋼軌參數(shù)(左軌高程、右軌高程、方向、軌距、三角坑、里程等數(shù)據(jù))，其含有軌距傳感器、超高傳感器等，用于軌道幾何參數(shù)測量。軌檢小車配置一臺軍用筆記本，安裝測量軟件，測量軟件預(yù)先輸入線路的平、縱斷面的數(shù)據(jù)，這樣在線路中某一點(diǎn)的位置含有軌距、超高、高程等數(shù)據(jù)，測量軟件自動將測量數(shù)據(jù)和線路設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，顯示的偏差值用于指導(dǎo)軌排高程和方向數(shù)據(jù)的調(diào)整；同時，測量軟件在采集數(shù)據(jù)界面對精調(diào)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以便道床板澆筑后測量數(shù)據(jù)復(fù)測對比。全站儀主要用于測量前后棱鏡位置，和軌檢小車?yán)忡R配合，確定軌檢小車位置[6-7]。

圖4 雙塊式無砟軌道測量原理

3.3 新型軌排智能精調(diào)機(jī)

基于上述第一代精調(diào)機(jī)存在的測量數(shù)據(jù)問題，利用現(xiàn)有軌檢小車硬件和軟件系統(tǒng)，研發(fā)了能夠?qū)崟r讀取數(shù)據(jù)的新型軌排智能精調(diào)機(jī)。新型智能精調(diào)機(jī)主要包括精調(diào)軟件、伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)及自動控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)軌道測量數(shù)據(jù)自動讀取，自動傳輸，滿足隨測隨調(diào)，無須反復(fù)調(diào)整。

精調(diào)軟件是一種集視窗操作系統(tǒng)、消息映射原理和子網(wǎng)絡(luò)伺服運(yùn)動控制算法于一體的創(chuàng)新型控制系統(tǒng)軟件。該軟件采用分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，上層通過以太網(wǎng)總線UDP協(xié)議接收來自上位機(jī)的運(yùn)動控制輸入指令，運(yùn)動控制層采用CAN總線對伺服電機(jī)進(jìn)行控制。其核心技術(shù)是采用數(shù)據(jù)尋址技術(shù)找到安伯格小車測量數(shù)據(jù)存儲地址，直接從數(shù)據(jù)地址中抽取數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率達(dá)到100%。精調(diào)軟件工作原理如圖5所示。

圖5 精調(diào)軟件工作原理

軌排智能精調(diào)軟件控制界面如圖6所示。其中，為實(shí)現(xiàn)抽取軌檢小車測量數(shù)據(jù)，在測量數(shù)據(jù)窗口文字空白窗口輸入新建的施工測量窗口名稱；左軌、右軌和中心空白窗口會實(shí)時跟隨軌檢小車測量數(shù)據(jù)；精調(diào)作業(yè)時，可選擇一鍵精調(diào)或先高程精調(diào)后橫向精調(diào)作業(yè)模式。

精調(diào)機(jī)硬件部分主要由主結(jié)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(伺服電機(jī)-減速器-萬向傳動軸)組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括橫向調(diào)整機(jī)構(gòu)和高程調(diào)整機(jī)構(gòu)，見圖7所示。

新型軌排精調(diào)機(jī)是將軌檢小車放置在精調(diào)機(jī)“肚子”中，精調(diào)機(jī)能夠帶動軌檢小車前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)走停-測量-精調(diào)作業(yè)。但是，整套設(shè)備需要人工輔助推行，無法實(shí)現(xiàn)自動走行。同時，施工作業(yè)時，測量人員需要將軌檢小車搬入精調(diào)機(jī)內(nèi)部，現(xiàn)場測量人員操作不便。

圖6 控制界面 圖7 新型軌排精調(diào)機(jī)

新型嵌套式軌排精調(diào)機(jī)主要解決嵌套式軌排精調(diào)無法自動走行和搬運(yùn)軌檢小車不便而研制。精調(diào)機(jī)配置自動走行系統(tǒng)，測量人員只需按鈕操作精調(diào)機(jī)前進(jìn)。精調(diào)機(jī)采用軌檢小車前置式連接方式，測量人員只需將軌檢小車擺放至精調(diào)機(jī)前方，放倒快連裝置即可。具體操作流程為：首先，架設(shè)全站儀并擺放軌檢小車；接著，設(shè)置全站儀參數(shù)并照準(zhǔn)軌檢小車?yán)忡R；然后，將軌檢小車推至精調(diào)機(jī)前方進(jìn)行機(jī)械連接和網(wǎng)絡(luò)連接；最后，設(shè)置精調(diào)軟件窗口參數(shù)，操作精調(diào)機(jī)前進(jìn)/后退進(jìn)行精調(diào)作業(yè)。

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段，CRTSⅠ雙塊式無砟軌道智能精調(diào)機(jī)的逐步應(yīng)用，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了道床板施工減人工和降低工人勞動強(qiáng)度目標(biāo)。但在實(shí)際應(yīng)用中不可避免需要人工干預(yù)，例如，在螺桿對位時仍需要人工輔助，未實(shí)現(xiàn)全過程自動化施工。新一代智能精調(diào)機(jī)采用數(shù)據(jù)尋址技術(shù)和MBOX運(yùn)動控制器+HS伺服驅(qū)動器運(yùn)動控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)確率100%和伺服精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，有效地解決了現(xiàn)有無砟軌道人工精調(diào)耗時費(fèi)力、誤差大和效率低下等問題，提高了無砟軌道建造精度，降低了后續(xù)常規(guī)靜態(tài)精調(diào)和動態(tài)精調(diào)時扣件更換率，具有廣闊的應(yīng)用前景和較大的推廣應(yīng)用價值。