基于自學(xué)習(xí)的組合式門吊高鐵道岔智能鋪換多機(jī)協(xié)同微動(dòng)控制研究

呂茂印，牛學(xué)信，陳啟申，詹太平

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

道岔是高速鐵路（簡(jiǎn)稱“高鐵”）線路上的重要設(shè)備，因其具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壽命短等特點(diǎn)，是高鐵線路中薄弱環(huán)節(jié)之一，也是制約高鐵的速度、影響高鐵安全性及舒適性的關(guān)鍵設(shè)施之一［1-2］。為保障高鐵線路運(yùn)輸?shù)陌踩院褪孢m性，需要定期對(duì)道岔進(jìn)行更新鋪換維護(hù)。通常道岔鋪換工作需要在有限的 “天窗”時(shí)間內(nèi)快速完成，同時(shí)還要保障道岔鋪換質(zhì)量，因此道岔鋪換被視為與設(shè)計(jì)、制造并重的關(guān)鍵工序部分［3］。

國外在高鐵道岔鋪換設(shè)備及施工工藝上的研究起步比國內(nèi)的早，目前奧地利、芬蘭、法國等發(fā)達(dá)國家基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)道岔鋪換完整流程的機(jī)械一體化施工。如奧地 利 PLASSER &THEURER 公司生產(chǎn)的WM500U 道岔鋪換設(shè)備，其通過 WTW400 型道岔運(yùn)輸車、PK1型道岔舉升裝置、WRW型道岔鋪設(shè)運(yùn)輸車和PK2 型道岔舉升裝置4 個(gè)裝置的組合使用，可以實(shí)現(xiàn)40 m 及以下道岔的鋪換；芬蘭 DESEC 公司生產(chǎn)的TL50 型道岔鋪換機(jī)，可實(shí)現(xiàn)在沒有軌道的道床上作業(yè)及90°旋轉(zhuǎn)行走；法國 GEISMAR 公司生產(chǎn)的 PEM LEM 型道岔鋪設(shè)機(jī)由上下小車組成，上小車類似于組合式龍門吊，可實(shí)現(xiàn)100 mm縱移精準(zhǔn)鋪設(shè)［4-6］。

截至2023 年，我國鐵路線道岔總數(shù)量已超17 萬組，其中近1/4 為高鐵道岔，高鐵道岔型號(hào)有12、18、30、42、48號(hào)，其集中修周期一般為5年［7］，因此我國每年都有大量的高鐵道岔需要更換。然而，目前我國道岔的鋪換工作基本上以傳統(tǒng)的人工鋪設(shè)為主。人工鋪設(shè)雖然具有現(xiàn)場(chǎng)靈活的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在施工難度大、效率低、工人勞動(dòng)程度高以及危險(xiǎn)系數(shù)大等問題。鑒于此，中國鐵路總公司于2018 年12 月在專題會(huì)議上提出了完善道岔施工作業(yè)機(jī)械化的需求［8］。在此背景下，中國鐵建高新裝備股份有限公司通過引進(jìn)吸收法國GEISMAR 公司技術(shù)而研制的PEM 組合LEM 道岔鋪換機(jī)目前已經(jīng)取得成功應(yīng)用；寶雞中車時(shí)代工程機(jī)械有限公司以奧地利 PLASSER &THEURER 公司生產(chǎn)的WM500U 為原型研制的道岔鋪換設(shè)備目前正在試運(yùn)行中。本文研究在法國 GEISMAR 公司PEM LEM 型道岔鋪設(shè)機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)組合式門吊道岔鋪換機(jī)進(jìn)行了“電驅(qū)”綠色升級(jí)，同時(shí)提出了一種異步橫移旋轉(zhuǎn)與同步傾斜縱移的控制方法。目前該設(shè)備已通過運(yùn)行考核，填補(bǔ)了門吊類道岔鋪換設(shè)備的國產(chǎn)空白。

1 組合式門吊道岔鋪換設(shè)備

本文提出的組合式門吊道岔鋪換裝備采用“蓄電池+伺服電機(jī)”綠色升級(jí)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。道岔鋪換裝備可根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，采用不同數(shù)量的單個(gè)門吊進(jìn)行組合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)的道岔鋪換工作。下面分別對(duì)單個(gè)門吊裝置和多個(gè)門吊組合協(xié)同作業(yè)進(jìn)行介紹。

1.1 單個(gè)門吊裝置

如圖1所示，單個(gè)門吊裝置主要包含2條上支腿、4條下支腿、桁架、橫移走行機(jī)構(gòu)和吊鉤等部件，同時(shí)還包含蓄電池、逆變器、本地控制器、伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器等電驅(qū)控制系統(tǒng)。當(dāng)電驅(qū)控制系統(tǒng)選擇在“本地”控制模式時(shí)，通過操作單機(jī)的控制面板相關(guān)動(dòng)作按鈕開關(guān)，不僅可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)門吊裝置所有支腿在Z方向的升降運(yùn)動(dòng)，還可以實(shí)現(xiàn)2條上支腿沿桁架在X方向的伸縮運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，橫移走行機(jī)構(gòu)可以通過傳動(dòng)鏈條沿著桁架在X方向來回移動(dòng)，吊鉤通過起升葫蘆實(shí)現(xiàn)在Z方向的升降運(yùn)動(dòng)。所有運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力均來自伺服電機(jī)。

1.2 多門吊組合協(xié)同作業(yè)

本文研制的組合式門吊道岔鋪換裝備理論上可以通過不同數(shù)量的單個(gè)門吊裝置進(jìn)行組合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種型號(hào)高鐵道岔的鋪換需求。道岔型號(hào)越大，所需要的門吊數(shù)量越多。實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過8個(gè)門吊的組合使用可實(shí)現(xiàn)48號(hào)高鐵道岔的鋪換。遙控多門吊組合協(xié)同進(jìn)行高鐵道岔鋪換作業(yè)示意如圖2所示（以4個(gè)門吊組合為例）。

圖2 遙控多門吊協(xié)同作業(yè)示意Fig.2 Schematic diagram of remote control for multi crane cooperative operation

多門吊組合進(jìn)行高鐵道岔鋪換時(shí)，首先將所有門吊選擇為“遙控”模式，然后通過專用車輛將所需門吊運(yùn)往施工現(xiàn)場(chǎng)，通過遙控器對(duì)專用運(yùn)輸車輛上的升降平臺(tái)進(jìn)行升降、旋轉(zhuǎn)等控制操作，可實(shí)現(xiàn)將各門吊依次從運(yùn)輸車輛卸載于地面（與本文論述非強(qiáng)相關(guān)，在此不予贅述），同時(shí)通過遙控器依次控制各門吊上下支腿在Z方向的升降，以及上支腿在X方向的伸縮，可按需求實(shí)現(xiàn)各門吊被部署于需要鋪換的道岔線路上；完成門吊部署后，在遙控器上同步操作多門吊進(jìn)行吊裝作業(yè)，同時(shí)通過人工將需要鋪換的新舊道岔夾持于吊鉤上，然后同步遙控每個(gè)門吊上的橫移走行機(jī)構(gòu)和起升葫蘆，便可以實(shí)現(xiàn)新道岔卸車、舊道岔移除、新道岔更換、舊道岔回收等吊裝作業(yè)步驟中道岔在Z方向的升降和X方向的橫移；完成吊裝作業(yè)后，按照門吊部署模式逆向操作流程即可完成各門吊回收至專用運(yùn)輸車上。

從整個(gè)道岔的鋪換流程不難發(fā)現(xiàn)，手持式遙控器是整個(gè)裝備的集中控制中心。為了提高各門吊動(dòng)作的協(xié)同性，遙控器與門吊本地控制器之間采用無線透?jìng)骷夹g(shù)實(shí)現(xiàn)100 Mbit/s 高速傳輸?shù)碾p工通信，即控制命令可以由遙控器廣播式同步下達(dá)，以保證動(dòng)作的同步性；本地端的檢測(cè)信號(hào)通過輪詢機(jī)制依次上傳至遙控器，遙控器的高速率低延遲特性是多機(jī)協(xié)同作業(yè)的安全保障［9-11］。除此之外，在整個(gè)吊裝過程中，每個(gè)門吊載荷檢測(cè)、協(xié)同升降及橫移的負(fù)反饋控制算法均由遙控器集中處理實(shí)現(xiàn)，本文后續(xù)章節(jié)所述旋轉(zhuǎn)、縱移控制算法同樣也是以遙控器為硬件載體實(shí)現(xiàn)的。

2 旋轉(zhuǎn)及縱移運(yùn)動(dòng)工況數(shù)學(xué)建模

在進(jìn)行新道岔更換步驟時(shí)，需要將新道岔的兩個(gè)端部與未拆除軌道的兩端完全對(duì)接上，然后在對(duì)接處進(jìn)行焊接、打磨等處理。因此，在兩個(gè)端部對(duì)接過程中，可能存在X和Y方向的偏移，即使本設(shè)備雖然已經(jīng)裝有激光瞄準(zhǔn)頭，可盡量確保人工進(jìn)行吊鉤夾持道岔位置的準(zhǔn)確性，但因門吊布置偏差、起升葫蘆鏈條具有柔性等綜合因素，并不能完全消除吊裝時(shí)道岔在X和Y方向的偏差。當(dāng)?shù)啦韮啥嗽赬方向的偏差值大小不一致時(shí)，需要道岔旋轉(zhuǎn)才能使兩個(gè)端部完全對(duì)接上；由于門吊相對(duì)地面固定，當(dāng)?shù)啦韮啥嗽赮方向發(fā)生偏移時(shí)，要實(shí)現(xiàn)Y方向縱向移動(dòng)則相對(duì)困難。

針對(duì)X方向偏移，本文提出采用各門吊上橫移走行機(jī)構(gòu)的異步橫移來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。針對(duì)Y方向偏移，目前國外類似產(chǎn)品均采用在結(jié)構(gòu)上加上一個(gè)縱向移動(dòng)裝置［2-4］的方案。這種方法一方面會(huì)使控制系統(tǒng)復(fù)雜化，帶來布線工藝?yán)щy、成本增加等問題；另一方面，用戶的操作步驟將會(huì)更加復(fù)雜、耗時(shí)。鑒于此，本文提出一種采用各門吊下支腿同步傾斜來實(shí)現(xiàn)縱移的方案。

2.1 異步橫移旋轉(zhuǎn)工況數(shù)學(xué)建模

設(shè)某次作業(yè)選取n臺(tái)門吊（n=2，…，8），門吊之間的間距為L(zhǎng)，在水平面內(nèi)，需要旋轉(zhuǎn)的角度為α，如圖3所示（以6 個(gè)門吊為例），從左至右各個(gè)門吊吊鉤橫移的距離為xi（i=1，…，n），各個(gè)吊鉤與旋轉(zhuǎn)中心之間的距離為ri（i=1，…，n），首端位移記為首移x1，尾端位移記為尾移xn，則2種旋轉(zhuǎn)工況下的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

圖3 門吊異步橫移旋轉(zhuǎn)工況示意Fig.3 Schematic diagram of asynchronous transverse movement of gantry crane for rotation

圖3 中，由于各個(gè)門吊吊鉤的橫移距離相對(duì)整個(gè)設(shè)備的尺度而言為小弧度微動(dòng)，因此可將各個(gè)門吊吊鉤圍繞旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)的弧長(zhǎng)近似成各個(gè)吊鉤需要橫移的距離。

2.1.1x1和xn方向相反

當(dāng)x1和xn正負(fù)號(hào)相反時(shí)，旋轉(zhuǎn)中心O1位于首端與尾端門吊之間，則

整理得到

暫定首尾吊鉤均沿著道岔的端部起吊，則有

根據(jù)式（2）與式（3）可計(jì)算得出：

設(shè)定吊裝道岔時(shí)以某固定的角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)，各個(gè)門吊橫移走行機(jī)構(gòu)進(jìn)行橫移的線速度（即橫移速度）v與橫移距離x分別如下：

1）假設(shè)首移門吊到第（i+1）個(gè)門吊的橫移方向保持一致，則其橫移速度v與橫移距離x分別為

2）假設(shè)從k號(hào)門吊到第（n-1）號(hào)門吊的橫移方向保持一致，它們的橫移速度v與橫移距離x分別為

綜合式（5）和式（6）可得：

2.1.2x1和xn方向相同

當(dāng)x1、xn正負(fù)號(hào)相同時(shí)，旋轉(zhuǎn)中心O2位于首端與尾端門吊之外，同樣有

并且有

設(shè)定吊裝道岔時(shí)以固定的角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)，可得所求各個(gè)門吊橫移走行機(jī)構(gòu)的橫移速度v與橫移距離x，具體如下：

1）當(dāng)|x1|＞|xn|時(shí)，從首移門吊開始到第j個(gè)門吊橫移速度v與橫移距離x分別為

2）當(dāng)|x1|＜|xn|時(shí)，從首移門吊開始到第j個(gè)門吊的橫移速度v與橫移距離x分別為

由式（5）、式（6）、式（10）和式（11）不難發(fā)現(xiàn)，因每個(gè)門吊離旋轉(zhuǎn)中心的距離不一樣，所以橫移的速度v和距離x的值也不一樣，稱之為異步橫移旋轉(zhuǎn)功能。

2.2 同步傾斜縱移工況數(shù)學(xué)建模

圖4示出道岔吊裝時(shí)多門吊下支腿同步傾斜實(shí)現(xiàn)縱移工況示意。圖中，上方為作業(yè)俯視簡(jiǎn)圖，下方為作業(yè)正視簡(jiǎn)圖，圖中A、B 表示兩側(cè)的上支腿，A1、A2、B1、B2為4條下支腿。在實(shí)際道岔鋪換作業(yè)中，存在沿著Y軸正向縱移Δy（工況一）和負(fù)向縱移-Δy（工況二）這2種工況。顯然，2種工況的運(yùn)動(dòng)過程關(guān)于x軸對(duì)稱，在此只分析沿著y軸正向縱移的第1種工況。

圖4 門吊同步傾斜縱移工況示意Fig.4 Schematic diagram of synchronous tilting of gantry cranes for longitudinal movement

組合門吊吊裝道岔時(shí)要實(shí)現(xiàn)沿著Y軸正向的移動(dòng)，理論上存在3種運(yùn)動(dòng)方式：

1）所有門吊的A1、B1下支腿保持不動(dòng)，所有門吊的A2、B2下支腿同步縮短（即速度和伸縮量都相等）；

2）所有門吊的A1、B1下支腿同步伸長(zhǎng)，所有門吊的A2、B2下支腿保持不動(dòng)；

3）所有門吊的A1、B1下支腿同步伸長(zhǎng)，同時(shí)所有門吊的A2、B2下支腿同步縮短。

實(shí)際控制中，一般采用第1種運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)縱移，原因在于道岔重量較大，并且有道岔重心上升階段，若采用第2種方式，則容易造成下支腿伺服電機(jī)過載；而第3種方式則控制相對(duì)復(fù)雜。因此，縱向移動(dòng)的數(shù)學(xué)建模即為求解下支腿縮短量Δh與縱移量Δy之間關(guān)系的過程。門吊傾斜縱移數(shù)學(xué)模型如圖5所示。

圖5 門吊傾斜縱移示意Fig.5 Schematic diagram of tilting of gantry cranes for longitudinal movement

圖5中，H表示上支腿長(zhǎng)度，工程設(shè)計(jì)伸縮取值范圍為［2 350，3 400］，單位為mm；h表示門吊完成部署后下支腿長(zhǎng)度，完成伸縮后取值范圍為［50，600］；l表示承重梁長(zhǎng)度的一半，定值為950 mm；h1表示A2、B2下支腿縮短后的長(zhǎng)度。根據(jù)圖5中幾何關(guān)系，可知下支腿縮短量Δh為

式中：θ1、θ2——輔助角。

式中：θ——在A2、B2 下支腿縮短Δh長(zhǎng)度時(shí)，門吊圍繞A1、B1下支腿觸地點(diǎn)旋轉(zhuǎn)過的角度，也是門吊的傾斜角度。

根據(jù)圖5中幾何關(guān)系，有

式中：m——輔助線長(zhǎng)度；θ3——輔助角。

根據(jù)余弦定理，得

在遙控器實(shí)際控制門吊縱移過程中，可以通過伺服電機(jī)編碼器獲取H、h的實(shí)時(shí)參數(shù)并當(dāng)做已知量。因此，只要由小到大給定Δh的值，便可以根據(jù)式（12）～式（18）求得相應(yīng)Δy的值。

2.3 旋轉(zhuǎn)及縱移自學(xué)習(xí)適應(yīng)性修正

自學(xué)習(xí)控制是自適應(yīng)控制策略的一個(gè)分支［6］。廣義地講，自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)就是靠自身的學(xué)習(xí)功能來認(rèn)識(shí)控制對(duì)象和外界環(huán)境的特性，并相應(yīng)地改變自身特性以改善控制性能的系統(tǒng)［12-15］。根據(jù)2.1 節(jié)和2.2 節(jié)的數(shù)學(xué)建模過程不難發(fā)現(xiàn)，所有數(shù)學(xué)模型是基于門吊完成部署后且處于初始理想狀態(tài)下進(jìn)行的。但實(shí)際道岔鋪換時(shí)，由于設(shè)備參數(shù)誤差、道路水平性、道岔質(zhì)量分布均勻性、門吊部署位置偏差、起升葫蘆鏈條柔性等一系列綜合因素的影響，很難做到實(shí)際門吊狀態(tài)與理論模型的高度一致。為了提升組合式門吊現(xiàn)場(chǎng)使用的便捷性和吊裝鋪換精度，本文采用基于 “專家?guī)臁弊詫W(xué)習(xí)旋轉(zhuǎn)控制和縱移初始狀態(tài)自學(xué)習(xí)兩種手段進(jìn)行裝備適應(yīng)性修正，算法流程如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)及縱移自學(xué)習(xí)控制算法流程Fig.6 Flow chart of self-learning control algorithm for rotation and longitudinal movement

圖6中的左邊為基于“專家?guī)臁弊詫W(xué)習(xí)的旋轉(zhuǎn)控制算法。在算法中，每次旋轉(zhuǎn)動(dòng)作之前先在專家?guī)鞂ふ翌愃乒r的數(shù)據(jù)。當(dāng)有多條類似工況時(shí)，還需要進(jìn)行優(yōu)先級(jí)篩選，優(yōu)先級(jí)條件設(shè)置的合理性決定了專家?guī)斓膬?yōu)劣。除了本文描述的門吊數(shù)量、門吊間距等參數(shù)外，實(shí)際應(yīng)用中還包含吊裝預(yù)緊力、道岔型號(hào)、操作時(shí)間等參數(shù)作為篩選條件，專家?guī)煲矔?huì)根據(jù)新工況和人工調(diào)整數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)充。顯然，專家?guī)鞌U(kuò)充是一個(gè)不斷迭代優(yōu)化的自學(xué)習(xí)過程。

圖6 中的右邊為初始狀態(tài)自學(xué)習(xí)縱移控制算法。算法中，每次計(jì)算出傾斜角度θ后，需要根據(jù)各門吊自身狀態(tài)進(jìn)行傾斜角度修正。即針對(duì)圖4中工況一，若某門吊處于順時(shí)針傾斜狀態(tài)，則適當(dāng)減小該門吊的θ值；相反，則適當(dāng)增大θ值，根據(jù)初始狀態(tài)修正后再計(jì)算各門吊對(duì)應(yīng)的A2、B2 下支腿縮量Δh。另外，傾斜是一種相對(duì)危險(xiǎn)的動(dòng)作，因此每次傾斜動(dòng)作都需要確保傾斜角度未超過安全極限閾值，而且本文所述樣機(jī)開發(fā)將該功能放置在應(yīng)急模式，只有通過培訓(xùn)的專業(yè)人員輸入有效密碼后方可使用。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證異步橫移旋轉(zhuǎn)和同步傾斜縱移兩個(gè)功能的可靠性，在客戶現(xiàn)場(chǎng)專用鐵路線上分別對(duì)兩個(gè)功能單獨(dú)進(jìn)行了試驗(yàn)。

3.1 異步橫移旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)

在異步橫移旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，先按照?qǐng)D7 所示完成門吊部署，并將道岔（試驗(yàn)為普通軌道）吊裝于某一高度。

圖7 門吊異步橫移旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 Experimental scene of asynchronous transverse movement of gantry cranes for rotation

完成現(xiàn)場(chǎng)門吊部署及道岔吊裝后，按照表1 所示在遙控器上完成旋轉(zhuǎn)功能所需的初始化參數(shù)設(shè)置。

表1 旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)各參數(shù)初始值Table 1 Initial values of parameters in rotation experiment

按照表1 的參數(shù)，在圖8 所示標(biāo)紅框內(nèi)進(jìn)行首移、尾移參數(shù)設(shè)置，然后點(diǎn)擊“群吊旋轉(zhuǎn)”按鈕，控制系統(tǒng)便可按照算法計(jì)算結(jié)果自動(dòng)分配各門吊橫移走行機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止位置；自動(dòng)旋轉(zhuǎn)停止后，如果首移、尾移沒有移動(dòng)到位，可以人工點(diǎn)擊首移、尾移兩側(cè)“A”、“B”按鈕進(jìn)行修正，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄人工修正完成的數(shù)據(jù)，作為專家的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖8 門吊異步橫移旋轉(zhuǎn)遙控器操作界面Fig.8 Operation interface of remote control for asynchronous transverse movement of gantry cranes for rotation

經(jīng)過20次試驗(yàn)及人工調(diào)整后得到的首移、尾移實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)如圖9 所示。圖中，紅色、綠色曲線分別表示尾移、首移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，上下3條水平紅線、3條水平綠線分別表示尾移、首移±5 mm誤差范圍線。

圖9 門吊異步橫移旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experimental results of asynchronous transverse movement of gantry cranes for rotation

由圖9 試驗(yàn)結(jié)果可知，首移設(shè)定為0 mm，但是實(shí)際中第一次試驗(yàn)仍然會(huì)產(chǎn)生8 mm 移動(dòng)距離。這是因?yàn)槠渌? 個(gè)門吊同向橫移時(shí)，由于起升葫蘆鏈條的柔性引起了首移門吊的跟隨擾動(dòng)。但隨著專家?guī)鞌?shù)據(jù)的擴(kuò)充迭代，門吊在進(jìn)行3～5 次學(xué)習(xí)后，首移、尾移基本上可被控制在10 mm以內(nèi)。實(shí)現(xiàn)10 mm以內(nèi)對(duì)接精度的目的是方便進(jìn)一步采用精調(diào)工具進(jìn)行道岔焊接前的精確對(duì)接定位。

3.2 同步傾斜縱移試驗(yàn)

在進(jìn)行同步傾斜縱移試驗(yàn)前，根據(jù)式（12）～式（18）使用Matlab工具繪制出完整的下支腿縮短量Δh與縱移量Δy、傾斜角度θ之間的理論關(guān)系曲線，如圖10所示。由圖10 可知，完整的Δh與Δy、θ理論關(guān)系曲線雖然是非線性的，但是在下支腿可移動(dòng)范圍600 mm以內(nèi)線性度較好，為本次縱移微動(dòng)研究提供較好的數(shù)據(jù)特性。

圖10 Δh 與Δy、θ 理論關(guān)系曲線Fig.10 Theoretical relation curves of Δh with Δy and θ

在進(jìn)行同步傾斜縱移試驗(yàn)時(shí)，先按照?qǐng)D11所示完成門吊部署，并將道岔（試驗(yàn)為普通軌道）吊裝于某一高度。

圖11 門吊同步傾斜縱移試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.11 Experimental scene of synchronous tilting of gantry cranes for longitudinal movement

完成現(xiàn)場(chǎng)門吊部署及道岔吊裝后，按照表2 所示在遙控器上完成旋轉(zhuǎn)功能所需的初始化參數(shù)設(shè)置。

表2 縱移試驗(yàn)各參數(shù)初始值Table 2 Initial values of parameters in longitudinal movement experiment

按照表2 的參數(shù)，首先在如圖12 所示標(biāo)紅框內(nèi)進(jìn)行縱移參數(shù)設(shè)置，然后點(diǎn)擊傾斜圖標(biāo)按鈕，控制系統(tǒng)便可按照算法計(jì)算結(jié)果自動(dòng)分配各門吊伸縮停止位置。

圖12 門吊同步傾斜縱移遙控器操作界面Fig.12 Operation interface of remote control for synchronous tilting of gantry cranes for longitudinal movement

經(jīng)過3次試驗(yàn)，結(jié)果如圖13所示。因本試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯靠v移微動(dòng)且將下支腿縮短量控制在100 mm 以內(nèi)，為了方便伺服電機(jī)轉(zhuǎn)圈計(jì)數(shù)控制，實(shí)際測(cè)量時(shí)，下支腿每縮短3 mm左右記錄一次數(shù)據(jù)。

圖13 門吊同步傾斜縱移試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Experimental results of synchronous tilting of gantry cranes for longitudinal movement

由圖13試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)下支腿縮短量Δh取值在（0 mm，18 mm］時(shí)，試驗(yàn)記錄縱移量ΔY與理論縱移量Δy之間的誤差絕對(duì)值|ΔY-Δy|較大，最大值約9.5 mm；隨著Δh取值不斷增大，誤差絕對(duì)值|ΔY-Δy|基本可被控制在3 mm以內(nèi)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀察分析，Δh取值在（0 mm，18 mm］時(shí)，裝置處于剛啟動(dòng)階段，較大誤差源于裝置裝配間隙和門吊初始狀態(tài)。另外，當(dāng)滿足150 mm縱移設(shè)計(jì)要求時(shí)，下支腿縮短量Δh取值約為73 mm，此時(shí)門吊傾斜角度約為2.2°，遠(yuǎn)小于門吊傾翻角度閾值（設(shè)計(jì)理論值約為8°）。

4 結(jié)束語

本文在調(diào)研分析國內(nèi)外高鐵線路道岔鋪換工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合我國目前階段的實(shí)際情況，研制出一種適用于國內(nèi)高鐵道岔智能鋪換的裝備。文中所提異步橫移旋轉(zhuǎn)、同步縱移、多機(jī)協(xié)同微動(dòng)等技術(shù)的使用，有效簡(jiǎn)化了整個(gè)設(shè)備的操作難度，提高了該裝備的適應(yīng)性、鋪換效率及準(zhǔn)確率，同時(shí)也降低了現(xiàn)場(chǎng)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)。

但是限于目前尚沒有專門針對(duì)文中所述的道岔實(shí)時(shí)位置與目標(biāo)鋪設(shè)位置之間距離的智能化檢測(cè)方法，而只能采用人工測(cè)量的方法。下一步將研究該智能化檢測(cè)方法，使整個(gè)裝備能夠自動(dòng)工作，形成完整的鋪換流程閉環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)而極大地減少人工操作量，進(jìn)一步降低工人的安全風(fēng)險(xiǎn)。