CRTSⅡ型板式無砟軌道設計布板軟件研發

閆紅亮,伍衛凡

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司線站處,天津 300142)

1 軌道幾何精確控制的主要技術特點

CRTSⅡ型板式無砟軌道由鋼軌、彈性扣件、預制軌道板、砂漿充填層及支承層(路基、隧道地段)/底座(橋梁地段)等部分組成(圖1)。

圖1 CRTSⅡ型板式無砟軌道簡圖

為實現高速鐵路的高平順性、高安全性和高舒適性,由各承軌槽通過扣件支承鋼軌形成的軌道幾何,必須滿足軌道靜態鋪設精度標準和動態不平順管理值的各項技術要求。

為實現上述目標,采用彈性不分開式扣件，設置擋肩的Ⅱ型軌道板在模具制造和組裝、毛坯板生產和存放等各環節均規定了嚴格的技術標準。但工程實踐表明,受模具調整精度、預拱線形控制、支腳穩定和剛度匹配、存放支點誤差、氣象條件、測量誤差和各種偏差累積以及各種工裝損耗等多種因素的綜合影響,即使按亞毫米級技術要求精調到位的模具生產的毛坯板,在存放一個月后,平整度、直線度等方面也會產生1～3 mm不規則的變形偏差,無法直接滿足高速鐵路高平順性的要求(圖2)。

圖2 毛坯板各承軌槽平整度、直線度示意

鑒于彈性不分開式扣件橫向和垂向形位需更換不同零部件才能實現級差為1 mm的調整,為避免鋪軌后大量的扣件調整工作量和眾多的備品備件,更重要的是避免由有級調整造成的橫向或垂向動力不平順,實現高速鐵路高平順、高舒適運營,需采用先進的承軌槽磨削技術,從而形成了CRTSⅡ型板式無砟軌道在幾何精確控制方面鮮明的技術特點。

(1)采用五軸數控機床，按設計的三維空間線形對承軌槽進行精確磨削,軌道板按對應的空間位置編號,相對于線路具有唯一性。

(2)采用高精度的精調系統精確鋪設軌道板。軌道板精調完成后,即可獲得高精度的軌道幾何,鋼軌鋪設和調整工作量降至最低,列車運行的平順性高。

工程實踐表明,CRTSⅡ型軌道板承軌槽磨削精度可達0.1 mm,軌道板高程、中線鋪設精度均為0.5 mm,實現了軌道空間三維幾何的精確定位,保證了高速列車運行的高平順性、高安全性和高舒適性。

本文結合CRTSⅡ型板式無砟軌道技術的最新研究成果,對與軌道板打磨、精調密切相關的布板設計技術及設計布板軟件進行簡要論述。

2 CRTSⅡ型軌道板設計、制造及鋪裝主要接口及專用軟件構成

由CRTSⅡ型軌道板幾何精確控制的技術特點可知,為實現承軌槽精確磨削和施工現場的精確鋪設,需要結構設計、自動化控制、機械行業以及精密控制測量等不同單位、不同專業密切配合,協同完成。

簡要來講,首先針對具體的線路和線下工程設計情況,進行軌道板空間布板設計,相應開展不同類型軌道板結構設計；根據不同項目采用的扣件類型,計算所有承軌臺的打磨數據提供給板場進行打磨作業；同時將包含軌道板布置等全部技術資料在內的系統文件提供給施工現場,作為鋪板的基礎。板場和鋪板單位在設計資料基礎上,分別應用數控磨床或精密測量設備和專業工裝進行打磨作業、線下工程施工精度評估以及底座放樣、軌道板鋪設和精調作業等。

上述工作涉及海量的三維幾何數據在不同部門間傳輸和處理,以某條高速鐵路為例,40萬塊軌道板包含約800多萬套承軌槽三維幾何數據,每套數據又分為理論數據、打磨數據、精調數據以及不同類型、不同格式的計算和記錄數據等,必須研發設計、打磨、精調等不同專項軟件進行精確處理,除結構設計軟件外,還需在激光測量基礎上,編制專項軟件控制大型數控機床作業。

CRTSⅡ型軌道板軌道幾何精確控制技術及專項軟件技術集成程度極高,研發難度極大。鐵三院集團公司組織結構設計、計算機技術、測繪技術、自動化控制、機械行業等專業人員進行專項技術攻關,研發了具有自主知識產權布板軟件(設計、施工)、打磨軟件、平差軟件、精調軟件,形成了有擋肩軌道板幾何精確控制的核心技術體系。見圖3、圖4。

圖3 CRTSⅡ型板式無砟軌道軟件結構

圖4 CRTSⅡ型板式無砟軌道各軟件間數據流程

3 設計布板軟件自主研發

布板設計是軌道板制造、施工的基礎,應用設計布板軟件完成。該軟件主要功能為，計算形成軌道板布置、制造、鋪設等全部工序在內的幾何數據或下部工序的基礎數據,并通過與施工布板軟件、打磨軟件及精調和平差軟件的接口技術,完成軌道板打磨制造和施工現場的精調作業。

3.1 研究解決的主要內容

(1)根據線路平面幾何數據和縱斷面幾何數據,建立空間幾何計算模型。

(2)研究補償板幾何數據,建立補償板數據庫。

(3)研究并實現曲線超高在幾何計算模型單元上分布。

(4)研究沿空間線路軸線進行軌道板布置的計算方法。

(5)研究并建立任意點在不同坐標系間的變換矩陣。

(6)建立軌道板、軌道技術裝備等數據結構。

(7)繪制軌道板排布一覽圖。

(8)統計不同類型軌道板工程數量。

(9)進行軌道板各承軌槽理論坐標計算,生成生產管理軟件所需要的打磨接口數據。

(10)生成施工布板軟件需要的全部信息和基礎數據庫。

3.2 主要模塊

除為施工布板軟件提供全部信息和基礎數據庫外,設計布板軟件主要用于軌道板布置及打磨接口數據計算,主要由五大模塊組成：數據錄入管理、軌道板布置、打磨接口數據計算、圖形輸出、報表整理,詳見圖5。

圖5 設計布板軟件模塊組成

(1)數據錄入管理模塊

數據錄入管理模塊主要功能為管理各種線路設計資料的數據錄入和編輯,包括線路平面資料、縱斷面資料、斷鏈、軌道板類型、不同軌道結構分界點、各種站后設備定義等。

(2)軌道板布置模塊

軌道板布置模塊主要功能為根據線路幾何數據,按照不同軌道結構分界區段及所定義的軌道板類型進行軌道板布置并編號,作為計算打磨數據、施工放樣數據以及精調數據等全部作業的基礎。

(3)打磨接口數據計算模塊

打磨接口數據計算模塊主要功能為根據編輯好的軌道板布置情況,計算各承軌槽需要打磨位置的理論數據,供軌道板打磨軟件調用。

(4)圖形輸出模塊

圖形輸出模塊主要功能為繪制線路平面線位及軌道板沿線位布置圖。

(5)報表整理模塊

報表整理模塊主要功能為統計各種不同類型的軌道板工程數量及生成軌道板沿線路布置情況的分布表。

3.3 研究解決的關鍵技術及主要功能簡述

3.3.1研究建立線路平面模型、縱斷面模型及空間幾何計算模型

(1)空間任意點三維坐標及空間方向的精確計算

線路中心線是由平面直線、平面緩和曲線、平面圓曲線和豎向緩和曲線、豎向圓曲線等疊加形成的三維空間曲線(圖6)。受平面線位、縱斷面坡度、縱斷面豎曲線和超高等因素的綜合影響,空間曲線上任意一點坐標系的確定非常復雜(圖7)。

圖6 三維空間曲線示意

圖7 空間曲線坐標系

通過研究,課題組基于右手法則建立了空間曲線坐標系,根據CRTSⅡ型軌道板布置和精確計算各承軌槽坐標的需求,提出并編寫了空間位置算法及專項程序,實現了線路上空間任意點的三維坐標及由超高產生的空間旋轉和空間方向的精確計算。

(2)任意點在兩坐標系間的坐標變換矩陣

空間三維坐標轉換模型解決空間某點在不同坐標系下的坐標轉換計算問題,綜合了三維坐標系平移和三維坐標系旋轉兩項坐標變換的計算功能。

設：大地坐標系為O(X,Y,Z),局部坐標系為O′(X′,Y′,Z′)。其中,X′為線路前進方向,Y′為垂直于Z′的梁頂橫向,Z′為梁頂的法線方向。參見圖8。

圖8 局部坐標系

空間某點P在局部坐標系中的坐標為(x′,y′,z′),對應的大地坐標系中的坐標為(x,y,z)。

X′與X,Y,Z軸的夾角分別為α1,β1,γ1,Y′與X,Y,Z軸的夾角分別為α2,β2,γ2,Z′與X,Y,Z軸的夾角

圖9 三維直角坐標系旋轉中的角度關系

分別為α3,β3,γ3。

θ1(方向角)：X′在大地坐標中的方向,是從X軸開始順時針轉向Y軸方向轉至線路中心線(X′)在水平面內投影的角度；

θ2(縱坡角)：從水平面上X′的投影開始依逆時針轉向線路中心線X′的角度。

θ3(橫坡角)：Z′與Z之間的夾角。

則存在下列空間三維坐標轉換計算模型

x=x0+x′cosα1+y′cosα2+z′cosα3

y=y0+x′cosβ1+y′cosβ2+z′cosβ3

z=z0+x′cosγ1+y′cosγ2+z′cosγ3

(3)二線投影里程計算方法

由于線路平面里程、縱斷面坡度及左右線不同軌道分界點里程都是以左線作為基準線進行設計,因此在進行右線軌道板布置時,需要計算右線軌道板起終點里程在左線上的投影里程及二線控制點在一線上的平面投影和空間投影,以判斷右線軌道板布置是否滿足要求。

通過研究,課題組研究提出并編寫了平面投影和空間投影計算的算法和專項程序,實現了二線投影里程的精確計算。

3.3.2研究建立軌道板類型及標準板、補償板數據庫

軌道板類型包括標準板、特殊板及補償板,標準板兩板端接縫的長度為6.5 m。當不同區段間線路長度與標準板長度不對應時,則需要設置一定數量的補償板,相應需建立與補償長度相對應的補償板數據庫及詳細定義,以在程序中實現合理布板。

由于補償板長度均小于6.5 m的標準長度,而軌道板承軌槽間距按0.65 m或0.60 m布置,對于某一補償長度,需要對0.65 m及0.60 m承軌槽間距的承軌槽個數、板端距離進行詳細計算、組合,以滿足不同補償長度的要求。

經詳細的計算分析,課題組研究解決了軌道板類型定義、標準板和補償板數據庫編輯等關鍵技術。

3.3.3 沿三維空間線形布置并編輯軌道板

為保證軌道板在線路上的位置具有唯一性,需要根據定義好的標準板、補償板等數據,按照不同軌道結構區段范圍及定義的軌道板類型、傾斜角度和扣件類型,布置標準板和補償板,計算軌道板在對應空間位置的幾何屬性,同時根據站后設備需求和板端類型編輯軌道板結構屬性,相應進行結構設計。

軌道板分布計算完成后會生成如下信息：軌道板編號、線路中線標注里程,線路中線連續里程、軌道板長度、軌道板類型、扣件類型、軌道板前后縫隙及開窗類型等,見圖10。

圖10 軌道板布置完后數據信息顯示

3.3.4 打磨數據計算

打磨數據計算即在軌道板空間布置基礎上,根據各承軌槽的理論位置,計算每一個承軌槽的絕對坐標和局部坐標,提供給打磨軟件。最后由打磨軟件(生產管理軟件、磨床控制軟件、打磨操作軟件、激光測量軟件以及刻字軟件)操控數控磨床,實現對軌道板承軌槽按理論位置的精確磨削加工，見圖11。

圖11 軌道板承軌槽編號及打磨計算點示意(單位：mm)

計算打磨機數據界面見圖12,生成的打磨機數據接口文件見圖13。

圖12 打磨數據計算界面

圖13 設計布板軟件生成的打磨數據文件

圖14 軌道板布置

3.3.5 繪制軌道板布置圖(圖14)

根據軌道板在線路上的布置信息,繪制軌道板布置圖,并和線路平面圖疊加到一起形成帶有線路平面信息的軌道板布置圖。軌道板布置圖可直觀反映出軌道板中心線和線路的相對關系,道岔板、補償板等在線路上的幾何位置,可通過軌道板起終點里程和線路平面里程的關系來快速檢查軌道板布置是否正確,能否滿足精度要求。

3.3.6 生成軌道板布置表(圖15)

為保證軌道板鋪設位置正確,軟件還提供了軌道板布置表輸出功能,可便于施工單位對全線軌道板布置信息全面了解,并可按照軌道板布置表組織和管理全線軌道板施工。

圖15 軌道板布置表示例

結合工藝流程,CRTSⅡ型軌道板施工放樣測設數據計算,如定位錐和軌道基準點放樣數據計算、路基上支承層放樣數據計算、橋梁上底座放樣數據計算、橋梁孔跨布置及變形數據處理以及軌道板精調數據計算等功能納入施工布板軟件中實施。

3.3.7 數據文件接口

設計布板軟件涉及的數據類型及與其他軟件或工序的接口數據情況見表1。

表1 數據文件接口情況

4 結語

在無砟軌道技術創新成果及京滬高速鐵路等工程實踐基礎上,自主研發的CRTSⅡ型板式無砟軌道設計布板軟件在實現軌道板空間布置、打磨數據計算等重要功能,并預留與既有專項軟件的接口模塊基礎上,結合我國路情,圓滿解決了以往軟件存在的線路平面斷鏈處理、軌道板編號、線路平面及縱斷面數據輸入等方面的不足。

目前,設計布板軟件、施工布板軟件、打磨軟件以及精調軟件等已通過部科技司組織的鑒定,并在京滬高速鐵路等國家重點工程建設中實施,滿足了CRTSⅡ型板式無砟軌道建設的需要,同時為新型有擋肩板式無砟軌道技術研究和配套包含布板在內的系列專項軟件奠定了堅實的基礎。

[1] 鐵道部科技司.CRTSⅡ型板式無砟軌道布板軟件自主研發階段技術審查意見[Z].北京：2009．

[2] 鐵建設[2009]209號 高速鐵路設計規范(試行)[S].

[3] 科技基[2008]173號，客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道混凝土軌道板(有擋肩)暫行技術條件[S].

[4] 閆紅亮.京津城際鐵路無砟軌道設計綜述[J].鐵道建筑,2008(S)．

[5] 鐵建設函[2005]754號，客運專線無砟軌道鐵路設計指南[S].