CRTSⅢ型無砟軌道板智能精調(diào)系統(tǒng)研發(fā)

李路遙

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063； 2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室,武漢 430063)

1 概述

軌道板精調(diào)是CRTSⅢ型板式無砟軌道施工的核心工序，通過精調(diào)完成工廠化制造生產(chǎn)的軌道板在線路上的精確鋪設(shè)，從而為鋪軌提供高精度平臺[1-2]。

傳統(tǒng)施工方法一般為1名測量員配合4名工人進行精調(diào)作業(yè)，由測量員操作全站儀獲取偏差后，通過喊話方式通知4名工人，使用扭力扳手進行調(diào)節(jié)，調(diào)整量完全由工人經(jīng)驗判斷，主觀性較強，勞動強度較大[3-4]。

為保證CRTSⅢ型板式無砟軌道的建造精度，提升線形控制水平[5-6]，降低施工成本，研究軌道板精調(diào)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化、信息化、智能化精調(diào)測量、作業(yè)及管控是十分必要的。

為此，研發(fā)了CRTSⅢ型無砟軌道板智能精調(diào)系統(tǒng)，實現(xiàn)了軌道板鋪設(shè)位置偏差的自動測量、調(diào)整以及精調(diào)結(jié)果的信息化管控等，為軌道板施工提供自動化、智能化施工裝備，提升軌道板精調(diào)精度和效率，為建設(shè)智能高鐵提供技術(shù)和裝備支撐。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

CRTSⅢ型無砟軌道板智能精調(diào)系統(tǒng)主要由測量子系統(tǒng)、伺服精調(diào)系統(tǒng)及精調(diào)管控平臺等部分組成，如圖1所示。

圖1 軌道板智能精調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計方案示意

測量子系統(tǒng)可實現(xiàn)全站儀自動循跡[7-8]，對軌道板位置坐標(biāo)進行測量，解算軌道板空間姿態(tài)。同時，軌道板空間位置計算軟件計算軌道板調(diào)整位移量，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將精調(diào)數(shù)據(jù)傳輸給控制程序。

伺服精調(diào)系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)接收精調(diào)數(shù)據(jù)，程序可由精調(diào)數(shù)據(jù)判定軌道板姿態(tài)，并根據(jù)軌道板不同姿態(tài)選擇不同精調(diào)方案，并控制電機執(zhí)行到位。伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有多點聯(lián)動、超限預(yù)警、行程檢測等多種功能，確保精調(diào)作業(yè)高效率完成。

精調(diào)管控平臺通過移動互聯(lián)網(wǎng)與作業(yè)裝備建立信息通道，實現(xiàn)互聯(lián)互通，實現(xiàn)精調(diào)裝備作業(yè)狀態(tài)實時監(jiān)控、精調(diào)結(jié)果自動分析、質(zhì)量問題預(yù)警預(yù)報等。

3 測量子系統(tǒng)

本系統(tǒng)由精調(diào)測量手簿、全站儀、精調(diào)標(biāo)架、測量棱鏡等組成。由精調(diào)測量手簿遠程與全站儀進行藍牙配對互聯(lián)，以提前計算好的軌道板鋪設(shè)精確的大地三維坐標(biāo)為輸入，自動驅(qū)控全站儀，通過與棱鏡和精調(diào)標(biāo)架的精確匹配，實現(xiàn)全自動精準(zhǔn)瞄點[9-10]、準(zhǔn)確測量、實時回傳。手簿運行精調(diào)智能分析軟件，可自動獲取軌道板當(dāng)前姿態(tài)和位置偏差，實時評估縱向、橫向、高程方向調(diào)整量。手簿通過無線發(fā)送模塊與互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)聯(lián)通，將數(shù)據(jù)實時上傳管控平臺。

3.1 軌道板鋪設(shè)位置坐標(biāo)計算

根據(jù)路基、橋梁、隧道的分布情況，按照CRTSⅢ型無砟軌道的布置原則進行布板設(shè)計，形成按照里程劃分的無砟軌道布置段落表[11-12]。

確定好軌道板的鋪設(shè)里程后，需按照線路設(shè)計的曲線要素、斷鏈信息、線間距、坡度等[13-14]參數(shù)計算軌道板鋪設(shè)位置承軌臺中心處的經(jīng)緯距及高程坐標(biāo)。

計算輸出的結(jié)果包括了軌道板鋪設(shè)起點坐標(biāo)、螺栓孔經(jīng)緯距、高程、軌道板類型、板所在里程、平面圓曲線半徑、豎曲線半徑和超高等。

3.2 精調(diào)測量手簿

精調(diào)測量手簿主要包含了軌道板精調(diào)作業(yè)工程信息配置、軌道板精調(diào)作業(yè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、軌道板設(shè)計坐標(biāo)數(shù)據(jù)配置、精調(diào)標(biāo)架檢校[15-16]、軌道板搭接定向、軌道板精調(diào)測量、精調(diào)成果數(shù)據(jù)上傳等功能，精調(diào)手簿的功能界面如圖2所示。

圖2 精調(diào)測量手簿測量界面

將計算得出的軌道板鋪設(shè)坐標(biāo)導(dǎo)入手簿，通過指令發(fā)送方式控制全站儀對待精調(diào)軌道板上棱鏡進行測量，測得實測三維坐標(biāo)反饋至精調(diào)手簿，與計算的理論坐標(biāo)進行對比，從而得到里程、橫向、垂向偏差。精調(diào)測量手簿包括板首、板尾、四角、完全、單點等測量功能。測量完畢后通過WebService技術(shù)[17-18]與管控平臺互聯(lián)互通，實現(xiàn)精調(diào)過程數(shù)據(jù)及結(jié)果上傳。

4 伺服精調(diào)子系統(tǒng)

伺服精調(diào)系統(tǒng)包括用于在軌道板軸向、垂直軸向、高程方向即X/Y/Z三個方向?qū)壍腊暹M行調(diào)整的三相精調(diào)器、沿軌道縱向方向推行的推行小車、用于驅(qū)動三相精調(diào)器工作的伺服驅(qū)動機構(gòu)以及用于給伺服驅(qū)動機構(gòu)供電的電氣柜，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 伺服精調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

推行小車包括車架、安裝于車架底部的萬向車輪、伺服驅(qū)動機構(gòu)的懸掛機構(gòu)以及用于固定電氣柜的電氣柜安裝架。

三相精調(diào)器安裝于待調(diào)整的軌道板處并與其連接，推行小車通過萬向車輪沿軌道板縱向方向推行，用于在需要對軌道板進行精調(diào)時，將伺服驅(qū)動機構(gòu)運送至待調(diào)整的軌道板處與三相精調(diào)器連接，以驅(qū)動三相精調(diào)器工作，并在軌道板精調(diào)完成后，拆下的伺服驅(qū)動機構(gòu)通過懸掛機構(gòu)懸掛并運送至下一軌道板待精調(diào)點。

計算模塊用于測量并計算待精調(diào)的軌道板X/Y/Z軸向的調(diào)整量，基于計算調(diào)整量生成調(diào)整量控制指令，并將調(diào)整量控制指令發(fā)送給伺服驅(qū)動機構(gòu)，驅(qū)動三相精調(diào)器在三個方向?qū)壍腊暹M行相應(yīng)調(diào)整。

4.1 三相精調(diào)器

三相精調(diào)器通過螺栓及安裝座安裝于軌道板側(cè)面的套管，用于為軌道板提供支撐，通過調(diào)節(jié)螺桿及精調(diào)器調(diào)節(jié)支座來實現(xiàn)軌道板位置的調(diào)整。主要結(jié)構(gòu)包括安裝座、X/Y/Z三相調(diào)節(jié)螺桿、調(diào)節(jié)座、球鉸底座組成。如圖4所示。

圖4 三相精調(diào)器結(jié)構(gòu)

其中，球鉸的作用為適應(yīng)軌道底座板的邊坡角度，使三個方向的調(diào)節(jié)螺桿及支座始終處于一個相對垂直面，調(diào)節(jié)螺桿與調(diào)節(jié)座間為螺紋絲桿配合，通過螺紋的旋入及擰出實現(xiàn)調(diào)節(jié)座位置的變化，從而使得軌道板達到目標(biāo)位置。

4.2 精調(diào)器組裝框架

組裝框架用于固定執(zhí)行機構(gòu)及電氣柜，保持執(zhí)行機構(gòu)輸出端相對于三相精調(diào)器調(diào)節(jié)螺桿的位置，在執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動調(diào)節(jié)螺桿過程中，框架還為電機提供反扭矩。

如圖5所示，框架組裝主要由鋼板及螺栓拼裝而成，為適應(yīng)三相精調(diào)器在調(diào)節(jié)過程中的位置動態(tài)變化，其中，X/Z兩個導(dǎo)向座通過滑桿及滑槽為執(zhí)行機構(gòu)提供不同方向的自由度。Y向執(zhí)行機構(gòu)則直接固定于框架，與精調(diào)器的調(diào)節(jié)螺桿始終保持相對固定位置狀態(tài)。

圖5 精調(diào)器組裝框架結(jié)構(gòu)

4.3 伺服驅(qū)動機構(gòu)

伺服驅(qū)動機構(gòu)主要由伺服電機[19]、減速機、安裝座、壓縮彈簧、擋圈、輸出螺桿等組成，如圖6所示，安裝座部分設(shè)有凸臺，與框架進行限位從而獲得反力矩，壓縮彈簧則使執(zhí)行機構(gòu)貼緊框架組裝，使輸出螺桿始終與精調(diào)器的調(diào)節(jié)螺桿緊密貼合。此外，執(zhí)行機構(gòu)通過安裝座部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可使得其與精調(diào)器實現(xiàn)快拆、快裝功能，在調(diào)節(jié)完一塊軌道板后，可迅速拆卸，隨后轉(zhuǎn)移進行下一塊軌道板的調(diào)節(jié)。

圖6 伺服驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)

5 軌道板精調(diào)管控平臺

基于B/S架構(gòu)構(gòu)建軌道板精調(diào)管控平臺，通過與精調(diào)測量系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)的互聯(lián)互通，實時獲取裝備的運行狀態(tài)、定位信息、精調(diào)結(jié)果等，平臺根據(jù)上傳數(shù)據(jù)進行實時分析，統(tǒng)計數(shù)據(jù)偏差分布規(guī)律，反饋精調(diào)裝備優(yōu)化調(diào)節(jié)策略，同時對偏差較大的及時預(yù)警，保障施工質(zhì)量。

平臺建立以RFID(射頻識別)芯片[20]編號為索引的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，將軌道板的鋪設(shè)信息與制造、倉儲信息關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)軌道板設(shè)計、制造、施工過程的追溯和管控，為全生命周期管理提供基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)在贛深高鐵進行了試用，如圖7所示?，F(xiàn)場測試方案如下：首先進行全站儀設(shè)站；然后完成精調(diào)裝置安裝，執(zhí)行測量操作后，開始精調(diào)作業(yè)，伺服電機執(zhí)行完畢，對軌道板位置進行復(fù)測，并將裝置進行拆卸并轉(zhuǎn)運至下一塊待調(diào)軌道板；最后記錄軌道板被調(diào)整到位所需時間及最終精度。

圖7 精調(diào)裝備贛深鐵路現(xiàn)場測試

經(jīng)現(xiàn)場實驗表明，精調(diào)系統(tǒng)的X/Y/Z向精調(diào)精度可達±0.3 mm，精調(diào)一塊軌道板所需時間為5～6 min。采用本系統(tǒng)精調(diào)的工效與傳統(tǒng)精調(diào)工藝對比如表1所示。

表1 傳統(tǒng)精調(diào)工藝與智能精調(diào)工藝對比

6 結(jié)語

CRTSⅢ型板式無砟軌道精調(diào)施工是無砟軌道施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)和高鐵開通運營的核心保障，直接影響施工質(zhì)量、進度及成本，提出的精調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)精調(diào)方式相比主要有以下提升。

(1)提高精調(diào)精度。相比傳統(tǒng)工藝，系統(tǒng)將電控系統(tǒng)與伺服電機結(jié)合，通過與精調(diào)軟件實測數(shù)據(jù)進行實時對接傳輸，自動執(zhí)行精調(diào)命令，無需人工參與手動調(diào)整，減少了精調(diào)偏差與調(diào)整時間，保證了精調(diào)精度，提高了無砟軌道施工質(zhì)量。

(2)減少人力投入。采用全自動智能機械化施工，現(xiàn)場只需普工配合該工藝的工裝設(shè)備挪移、安裝工作，無需人力旋擰扭力扳手，降低了勞動強度和時間，無需專業(yè)施工人員，擴大了適用范圍，減少了人員投入。

(3)提升管控水平。運用信息化手段，建立了管控平臺，對運行設(shè)備進行監(jiān)管和分析，通過大數(shù)據(jù)積累不斷優(yōu)化調(diào)整策略，同時對施工過程進行實時管控，提升信息化水平。

(4)提高施工效率。利用智能精調(diào)施工裝置可快速、高效將軌道板精調(diào)到位，相比人工手動精調(diào)綜合效率提升2倍以上，提升了機械化、電控化施工水平，有效提高精調(diào)施工效率、縮短精調(diào)時間、加快工程進度，緩解工期壓力，具有良好的經(jīng)濟效益及社會效益。