李 強(qiáng)

(中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司，江西九江 332000)

1 概述

CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道廣泛運(yùn)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(yáng)光等影響，軌道精調(diào)只能選擇在夜間或陰天進(jìn)行，有效作業(yè)時(shí)間短。再加之人工精調(diào)效率較低，已成為制約無(wú)砟軌道施工進(jìn)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(wú)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(diǎn)自由建站，由全站儀測(cè)量精調(diào)小車上棱鏡中心的三維坐標(biāo)，再通過(guò)計(jì)算得出軌道中心的實(shí)際位置與設(shè)計(jì)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(cè)量方法耗費(fèi)人力多、工序復(fù)雜、測(cè)量效率低、精度受人工影響較大、可靠性程度低，且對(duì)軌排粗鋪精度有一定的要求，增加了粗鋪時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)量原理

CRTSⅠ型雙塊式無(wú)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(jī)器人技術(shù)兩部分。

將全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)由無(wú)線通訊系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送到精調(diào)機(jī)器人控制系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算分析，將精調(diào)數(shù)據(jù)及精調(diào)動(dòng)作指令發(fā)送至精調(diào)機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂將其自動(dòng)準(zhǔn)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(dòng)作指令驅(qū)動(dòng)軌排支撐架調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成對(duì)軌排各點(diǎn)高程和軌向的精確調(diào)整。

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

圖3 智能精調(diào)機(jī)器人自動(dòng)化精調(diào)創(chuàng)新技術(shù)設(shè)計(jì)流程

圖4 CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道智能化精調(diào)效果設(shè)計(jì)

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

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(dòng)帶動(dòng)內(nèi)套梁相對(duì)外套梁左右移動(dòng)，從而對(duì)軌向進(jìn)行調(diào)節(jié)；外套梁與高程調(diào)節(jié)螺桿連接，帶動(dòng)外套梁上下移動(dòng)，從而完成對(duì)高低的調(diào)整。

新型嵌套式軌排支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)：軌向和高程調(diào)節(jié)相對(duì)獨(dú)立，互不影響，效率高，操作簡(jiǎn)單，適合機(jī)械化(精調(diào)機(jī)器人)作業(yè)。

3.3 智能精調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

圖6 CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道智能精調(diào)系統(tǒng)

(1)控制系統(tǒng)是精調(diào)機(jī)器人的核心，由數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)計(jì)算分析軟件、工控軟件、通訊軟件等多個(gè)模塊組成。控制測(cè)量系統(tǒng)中的全站儀可自由建站、自動(dòng)照準(zhǔn)棱鏡、自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量；控制執(zhí)行端中的精調(diào)機(jī)器人可在支撐架軌道上自動(dòng)行走、準(zhǔn)確定位；控制電動(dòng)液壓推桿可自動(dòng)伸縮，控制測(cè)量目標(biāo)(精密棱鏡)精確定位；控制機(jī)械臂可自由伸縮轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)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(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

無(wú)線通訊模塊可實(shí)現(xiàn)全站儀與精調(diào)機(jī)器人、全站儀與后臺(tái)管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)相互傳輸。

(2)測(cè)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(guò)4～6對(duì)CPⅢ棱鏡桿上的棱鏡完成自由設(shè)站，可自動(dòng)跟蹤精調(diào)機(jī)器人上的精密棱鏡。

(3)執(zhí)行端由兩臺(tái)智能精調(diào)機(jī)器人組成，合作完成對(duì)每榀軌排的精調(diào)。每臺(tái)精調(diào)機(jī)器人由行走裝置、調(diào)節(jié)裝置、校準(zhǔn)裝置、報(bào)警裝置、數(shù)據(jù)顯示器及無(wú)線通訊電臺(tái)等組成。其中，調(diào)節(jié)裝置包括：機(jī)械臂、伺服電機(jī)調(diào)節(jié)器螺桿套筒；校準(zhǔn)裝置包括：精密棱鏡及棱鏡桿組、電動(dòng)液壓推桿；構(gòu)造和效果設(shè)計(jì)如圖7、圖8所示。

圖7 智能精調(diào)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖8 智能精調(diào)機(jī)器人效果設(shè)計(jì)

3.4 電動(dòng)液壓推桿創(chuàng)新設(shè)計(jì)

電動(dòng)液壓推桿是智能精調(diào)機(jī)器人測(cè)量校準(zhǔn)裝置的重要部件，位于精調(diào)機(jī)底部，由液壓泵、油缸、自鎖機(jī)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(jì)如圖9所示。

圖9 電動(dòng)液壓推桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)液壓推桿有如下功能。

(1)固定功能：在液壓動(dòng)力作用下，電動(dòng)液壓推桿沿直線導(dǎo)軌向兩端伸開(kāi)，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(jī)得以固定，避免了精調(diào)作業(yè)時(shí)，因滑行所造成的偏差缺陷。

(2)檢核功能：電動(dòng)液壓推桿兩端設(shè)計(jì)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(kāi)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(guò)全站儀測(cè)量棱鏡中心坐標(biāo)后，系統(tǒng)根據(jù)坐標(biāo)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(zhǔn)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(shí)測(cè)坐標(biāo)；X右、Y右—右端棱鏡中心實(shí)測(cè)坐標(biāo)。

精調(diào)機(jī)行走過(guò)程中，控制器開(kāi)關(guān)自動(dòng)關(guān)閉，電動(dòng)液壓推桿自動(dòng)收縮，兩端滾輪離開(kāi)鋼軌內(nèi)側(cè)面，避免了行走過(guò)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(jì)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(shí)際測(cè)量值-設(shè)計(jì)值。

(1)軌向偏差值計(jì)算方法

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

①直線單元

如圖10所示，計(jì)算最近點(diǎn)線路里程Sk和軌向偏差值d。過(guò)P點(diǎn)作直線BE的垂直線，垂直線與直線BE的交點(diǎn)為最近點(diǎn)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(zhǎng)，PB為P點(diǎn)與B點(diǎn)的距離，該初始步長(zhǎng)為B點(diǎn)與K點(diǎn)的距離，d為軌向偏差值。

圖10 路線定點(diǎn)求樁法示意

②圓曲線單元

如圖10所示，計(jì)算最近點(diǎn)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(diǎn)與P點(diǎn)的連線與圓弧BE的交點(diǎn)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(jì)算最近點(diǎn)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(diǎn)K的位置，估計(jì)曲線BE上靠近最近點(diǎn)K的一點(diǎn)k。

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

(b)通過(guò)最近點(diǎn)K的坐標(biāo)得到最近點(diǎn)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(diǎn)B的里程。

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

(2)豎向偏差值計(jì)算方法

計(jì)算最近點(diǎn)高程偏差值

(19)

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

式(19)所計(jì)算的軌道高程調(diào)整值位于軌排的鋼軌位置處，實(shí)際調(diào)整時(shí)，調(diào)整位置在豎向螺桿處，通過(guò)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(jì)算數(shù)學(xué)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(jì)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(diǎn)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(wàn)高速鐵路ZWZQ-1標(biāo)無(wú)砟軌道線路長(zhǎng)12 km，采用精調(diào)機(jī)器人分別在直線段、緩和曲線段及圓曲線段進(jìn)行測(cè)試和比較，再應(yīng)用安博格絕對(duì)定向小車進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)試表明，機(jī)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(wú)砟軌道測(cè)量精度控制要求。

按照一組工裝設(shè)備配置進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比(技術(shù)人員工資標(biāo)準(zhǔn)為300元/天，工人工資標(biāo)準(zhǔn)為200元/天)，效益對(duì)比分析如表1。

表1 鄭萬(wàn)鐵路ZWZQ-1標(biāo)經(jīng)濟(jì)效益分析

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

5 結(jié)束語(yǔ)

雙塊式無(wú)砟軌道智能施工精調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能精調(diào)機(jī)器人的自動(dòng)化行走、智能精準(zhǔn)定位、全站儀自動(dòng)化精準(zhǔn)測(cè)量、機(jī)械臂自動(dòng)鎖定調(diào)節(jié)螺桿、自動(dòng)精準(zhǔn)調(diào)整軌道位置、測(cè)量數(shù)據(jù)與后臺(tái)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸?shù)葎?chuàng)新功能，有效地解決了現(xiàn)有無(wú)砟軌道施工粗調(diào)和精調(diào)工藝耗時(shí)費(fèi)力、粗調(diào)誤差大、精調(diào)作業(yè)時(shí)間窗口短及效率低下等問(wèn)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(cè)量方法，新方法測(cè)量效率提高了2倍以上，測(cè)量精度和測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量更加可靠，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有廣闊的應(yīng)用前景和較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。