CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道智能精調(diào)技術(shù)研究

李 強

(中鐵四局集團第五工程有限公司，江西九江 332000)

1 概述

CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道廣泛運用于高速鐵路建設(shè)，其施工流程包括軌枕預(yù)制、布枕、粗鋪、軌道精調(diào)、道床板澆筑等。受溫度、陽光等影響，軌道精調(diào)只能選擇在夜間或陰天進行，有效作業(yè)時間短。再加之人工精調(diào)效率較低，已成為制約無砟軌道施工進度的主要因素。

2 傳統(tǒng)的精調(diào)技術(shù)

目前，CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道常規(guī)的精調(diào)方案為全站儀配合精調(diào)小車作業(yè)法，即人工推行精調(diào)小車，利用周邊的CPⅢ控制點自由建站，由全站儀測量精調(diào)小車上棱鏡中心的三維坐標，再通過計算得出軌道中心的實際位置與設(shè)計位置的偏差值(即為軌排施工精調(diào)數(shù)據(jù))，再根據(jù)精調(diào)數(shù)據(jù)反復(fù)調(diào)整軌排支撐架豎向和橫向調(diào)節(jié)螺桿。這種測量方法耗費人力多、工序復(fù)雜、測量效率低、精度受人工影響較大、可靠性程度低，且對軌排粗鋪精度有一定的要求，增加了粗鋪時的現(xiàn)場測量工作量和軌排粗鋪的施工難度(如圖1、圖2所示)。

圖1 精調(diào)小車采集軌道精調(diào)數(shù)據(jù)

圖2 人工精調(diào)軌排支撐架方法

3 智能化精調(diào)施工技術(shù)

3.1 測量原理

CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道智能化精調(diào)技術(shù)主要包含新型嵌套式軌排支撐架技術(shù)和智能精調(diào)機器人技術(shù)兩部分。

將全站儀測量數(shù)據(jù)經(jīng)由無線通訊系統(tǒng)實時發(fā)送到精調(diào)機器人控制系統(tǒng)，通過計算分析，將精調(diào)數(shù)據(jù)及精調(diào)動作指令發(fā)送至精調(diào)機器人執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動機械臂將其自動準確定位到新型嵌套式軌排支撐架的豎向和橫向調(diào)節(jié)螺桿上并與其連接，根據(jù)控制系統(tǒng)的精調(diào)數(shù)據(jù)及精調(diào)動作指令驅(qū)動軌排支撐架調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)動，從而完成對軌排各點高程和軌向的精確調(diào)整。

智能精調(diào)設(shè)計流程如圖3所示，智能化精調(diào)技術(shù)效果設(shè)計如圖4所示。

圖3 智能精調(diào)機器人自動化精調(diào)創(chuàng)新技術(shù)設(shè)計流程

圖4 CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道智能化精調(diào)效果設(shè)計

3.2 內(nèi)外嵌套式軌排支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型嵌套式軌排支撐架由托梁體、支撐調(diào)節(jié)螺桿、扣件、鋼軌、軌枕組件、鎖定裝置等部分組成(如圖5所示)。

圖5 嵌套式軌排支撐架結(jié)構(gòu)

托梁體為內(nèi)外嵌套式結(jié)構(gòu)，內(nèi)套梁與軌向調(diào)節(jié)螺桿連接，軌向調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)動帶動內(nèi)套梁相對外套梁左右移動，從而對軌向進行調(diào)節(jié)；外套梁與高程調(diào)節(jié)螺桿連接，帶動外套梁上下移動，從而完成對高低的調(diào)整。

新型嵌套式軌排支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計特點：軌向和高程調(diào)節(jié)相對獨立，互不影響，效率高，操作簡單，適合機械化(精調(diào)機器人)作業(yè)。

3.3 智能精調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

智能精調(diào)系統(tǒng)主要由執(zhí)行系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)構(gòu)成，測量系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間為無線連接，相互之間數(shù)據(jù)及信息指令采用無線方式進行傳輸(如圖6所示)。

圖6 CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道智能精調(diào)系統(tǒng)

(1)控制系統(tǒng)是精調(diào)機器人的核心，由數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)計算分析軟件、工控軟件、通訊軟件等多個模塊組成。控制測量系統(tǒng)中的全站儀可自由建站、自動照準棱鏡、自動進行測量；控制執(zhí)行端中的精調(diào)機器人可在支撐架軌道上自動行走、準確定位；控制電動液壓推桿可自動伸縮，控制測量目標(精密棱鏡)精確定位；控制機械臂可自由伸縮轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機械臂上調(diào)整器的精確定位，以及控制調(diào)整器和軌排調(diào)節(jié)螺桿的精準轉(zhuǎn)動。

無線通訊模塊可實現(xiàn)全站儀與精調(diào)機器人、全站儀與后臺管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)相互傳輸。

(2)測量系統(tǒng)由ATR全站儀、棱鏡、棱鏡桿及CPⅢ預(yù)埋套筒等組成。全站儀通過4～6對CPⅢ棱鏡桿上的棱鏡完成自由設(shè)站，可自動跟蹤精調(diào)機器人上的精密棱鏡。

(3)執(zhí)行端由兩臺智能精調(diào)機器人組成，合作完成對每榀軌排的精調(diào)。每臺精調(diào)機器人由行走裝置、調(diào)節(jié)裝置、校準裝置、報警裝置、數(shù)據(jù)顯示器及無線通訊電臺等組成。其中，調(diào)節(jié)裝置包括：機械臂、伺服電機調(diào)節(jié)器螺桿套筒；校準裝置包括：精密棱鏡及棱鏡桿組、電動液壓推桿；構(gòu)造和效果設(shè)計如圖7、圖8所示。

圖7 智能精調(diào)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖8 智能精調(diào)機器人效果設(shè)計

3.4 電動液壓推桿創(chuàng)新設(shè)計

電動液壓推桿是智能精調(diào)機器人測量校準裝置的重要部件，位于精調(diào)機底部，由液壓泵、油缸、自鎖機構(gòu)、液流閥、換向閥、直線導(dǎo)軌及滾輪等構(gòu)成，推桿軸向兩端設(shè)有滾輪和棱鏡桿。其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖9所示。

圖9 電動液壓推桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

電動液壓推桿有如下功能。

(1)固定功能：在液壓動力作用下，電動液壓推桿沿直線導(dǎo)軌向兩端伸開，套設(shè)的滾輪與軌道的鋼軌內(nèi)側(cè)面精密接觸，使得精調(diào)機得以固定，避免了精調(diào)作業(yè)時，因滑行所造成的偏差缺陷。

(2)檢核功能：電動液壓推桿兩端設(shè)計安裝的棱鏡桿中心距兩端滾輪中心為定值，在液壓推桿伸開與鋼軌內(nèi)側(cè)面精密接觸后，棱鏡桿中心位置為軌排鋼軌的中心位置；通過全站儀測量棱鏡中心坐標后，系統(tǒng)根據(jù)坐標反算兩棱鏡中心距離(兩棱鏡中心的距離即為軌距)，可檢核軌排軌距的準確性及軌距變化率。

(1)

式(1)中：D—兩端棱鏡中心間距離(即軌距)；X左、Y左—左端棱鏡中心實測坐標；X右、Y右—右端棱鏡中心實測坐標。

精調(diào)機行走過程中，控制器開關(guān)自動關(guān)閉，電動液壓推桿自動收縮，兩端滾輪離開鋼軌內(nèi)側(cè)面，避免了行走過程中滾輪與鋼軌側(cè)面的摩擦。

3.5 軌排精調(diào)數(shù)據(jù)計算方法

軌排精調(diào)數(shù)據(jù)即軌向(平面)偏差調(diào)整值及豎向(高程)偏差調(diào)整值，偏差值=實際測量值-設(shè)計值。

(1)軌向偏差值計算方法

軌向偏差值的獲取采用路線定點求樁法。路線定點求樁是通過路線的基本設(shè)計單元-直線、圓曲線、回旋線求解平面點至路線的最近點。計算模型如下：

①直線單元

如圖10所示，計算最近點線路里程Sk和軌向偏差值d。過P點作直線BE的垂直線，垂直線與直線BE的交點為最近點K，有

(2)

(3)

l=PB·cosαb

(4)

d=PB·sinαb

(5)

Sk=Sb+l

(6)

τk=τb

(7)

K(xk,yk)=f(xb,yb,τb,l)

(8)

式(2)至式(8)中，l為初始步長，PB為P點與B點的距離，該初始步長為B點與K點的距離，d為軌向偏差值。

圖10 路線定點求樁法示意

②圓曲線單元

如圖10所示，計算最近點線路里程Sk和軌向偏差值d，設(shè)定B和E所在圓弧的圓心為C(xc，yc)，C點與P點的連線與圓弧BE的交點為K，有

(9)

(10)

(11)

l=R·α

(12)

d=|R-PC|

(13)

sk=sb+l

(14)

τk=τb+α

(15)

K(xk,yk)=f(xc,yc,τCP,R)

(16)

③回旋線單元

如圖10所示，計算最近點線路里程sk和軌向偏差值d，其步驟如下：

(a)首先確定最近點K的位置，估計曲線BE上靠近最近點K的一點k。

通過不完整回旋線計算曲線BE的區(qū)域M靠近k的點和N點的切向并計算直線PN與的夾角通過不完整回旋線循環(huán)計算靠近最近點K的多個點，最終通過無限逼近最近點K的方式，得到最近點K的位置。最近點K應(yīng)在允許的誤差范圍內(nèi)；

(b)通過最近點K的坐標得到最近點線路里程Sk和軌向偏差值d，有

sk=sb+l

(17)

(18)

式(17)中，sb為回旋單元線起點B的里程。

若Kk的距離大于設(shè)定的變化步長，則按初始步長l調(diào)整Kk的距離，多次循環(huán)逼近最近點，直到Kk的距離小于設(shè)定的變化步長。

(2)豎向偏差值計算方法

計算最近點高程偏差值

(19)

式(19)中，Hk為初始測點P的實測高程，HB為起點B的設(shè)定高程，i為線單元坡率；l為初始步長，R為豎曲線半徑，該初始步長即起始點B至K點之間距離。

式(19)所計算的軌道高程調(diào)整值位于軌排的鋼軌位置處，實際調(diào)整時，調(diào)整位置在豎向螺桿處，通過軌道調(diào)節(jié)位移程序修正，構(gòu)建轉(zhuǎn)換至高程調(diào)節(jié)螺桿的計算數(shù)學模型(如圖11所示)，有

(20)

(21)

(22)

式(20)至式(22)中，A1、A2表示調(diào)節(jié)螺桿的調(diào)整量值，n1表示轉(zhuǎn)換為一高程調(diào)節(jié)螺桿調(diào)節(jié)的圈數(shù)，n2表示轉(zhuǎn)換為另一調(diào)節(jié)螺桿調(diào)節(jié)的圈數(shù)，f表示高程調(diào)節(jié)螺桿螺絲設(shè)計加工比例系數(shù)(如調(diào)節(jié)螺桿旋轉(zhuǎn)一圈，調(diào)整值為多少毫米)，s1、s2表示高程調(diào)節(jié)螺桿至最近鋼軌之間距離，h1、h2表示最近點高程偏差值，D表示兩軌道的中心間距。

圖11 軌道調(diào)節(jié)位移修正法的示意

4 智能精調(diào)技術(shù)應(yīng)用效果

鄭萬高速鐵路ZWZQ-1標無砟軌道線路長12 km，采用精調(diào)機器人分別在直線段、緩和曲線段及圓曲線段進行測試和比較，再應(yīng)用安博格絕對定向小車進行驗證。測試表明，機器人不受人為因素影響，調(diào)節(jié)速度快，重復(fù)調(diào)整次數(shù)少，精度優(yōu)于傳統(tǒng)方法，完全滿足無砟軌道測量精度控制要求。

按照一組工裝設(shè)備配置進行經(jīng)濟效益對比(技術(shù)人員工資標準為300元/天，工人工資標準為200元/天)，效益對比分析如表1。

表1 鄭萬鐵路ZWZQ-1標經(jīng)濟效益分析

由表1可知，智能精調(diào)方法的測量效率是傳統(tǒng)測量方法2倍以上，取得了較好的效果。

5 結(jié)束語

雙塊式無砟軌道智能施工精調(diào)技術(shù)實現(xiàn)了智能精調(diào)機器人的自動化行走、智能精準定位、全站儀自動化精準測量、機械臂自動鎖定調(diào)節(jié)螺桿、自動精準調(diào)整軌道位置、測量數(shù)據(jù)與后臺控制系統(tǒng)實時無線傳輸?shù)葎?chuàng)新功能，有效地解決了現(xiàn)有無砟軌道施工粗調(diào)和精調(diào)工藝耗時費力、粗調(diào)誤差大、精調(diào)作業(yè)時間窗口短及效率低下等問題，大大減少了精調(diào)人員和作業(yè)人員的工作量。

相較于傳統(tǒng)的測量方法，新方法測量效率提高了2倍以上，測量精度和測量數(shù)據(jù)質(zhì)量更加可靠，經(jīng)濟效益顯著，具有廣闊的應(yīng)用前景和較大的推廣應(yīng)用價值。