基于格雷母線的長鋼軌上軌系統(tǒng)設(shè)計

游鵬輝

中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢，430063

0 引言

無縫鋼軌是保障高速鐵路平穩(wěn)性與舒適性的關(guān)鍵，一般通過分步焊接的方法獲得：首先在焊軌基地將運輸而來的標(biāo)準定尺軌焊接成適合運輸和鋪設(shè)的500 m長鋼軌，然后在工地進行拼裝焊接，最終連成無縫線路[1]。其中，鋼軌的搬運、鋪設(shè)和焊接是鋪設(shè)無縫線路的三大技術(shù)難題[2-5]。

鋼軌在搬運過程中對運載工具的定位精度要求很高，常見的機械開關(guān)定位方式在室外環(huán)境中開關(guān)易損壞，編碼器定位方式則因車輪打滑而影響精度，而激光定位方式抗污能力差，所以上述定位方式均不適用于焊軌基地的鋼軌搬運作業(yè)。

本文針對鋼軌焊接前從鋼軌存放臺到輥道輸送線上的平移及上軌過程，設(shè)計基于格雷母線的上軌系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)吊運中同步性與準確性不足的問題。

1 系統(tǒng)總體方案

我國高速鐵路鋼軌標(biāo)準軌定尺長度為100 m，多采用龍門吊協(xié)同吊運的方式搬運，即每臺龍門吊配備1名操作人員，多臺龍門吊的操作人員相互協(xié)調(diào)配合以完成吊裝上軌。該方法操作復(fù)雜、定位精度低、安全性差、效率低，且由于人員操作的不同步，定位精度會大于10 mm，在搬運過程中鋼軌易發(fā)生多方向的彎曲扭轉(zhuǎn)變形，對鋼軌質(zhì)量產(chǎn)生不利影響[6]。

針對上述不足，本文提出以下上軌系統(tǒng)方案：

(1)能夠完成100 m長的7根鋼軌的平移和單根鋼軌的上軌工作。

(2)能夠?qū)崿F(xiàn)移軌及上軌的高同步性，定位精度達到5 mm，保證鋼軌移動過程中的平順性與準確性。

(3)能夠獲取鋼軌的水平及垂直方位，實現(xiàn)自動尋軌及鋼軌準確起落。

(4)能夠?qū)ι宪墑幼鳡顟B(tài)及系統(tǒng)主要故障進行監(jiān)測顯示。

2 移軌小車

2.1 車體結(jié)構(gòu)

為使鋼軌平穩(wěn)安全搬運，設(shè)計了呈階梯形結(jié)構(gòu)的頂升平臺，包括單根鋼軌頂升托臺和多根鋼軌頂升托臺，分別用于鋼軌的平移和上軌。移軌小車組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 移軌小車結(jié)構(gòu)組成Fig.1 The structure of the shifting rail trolley

單根鋼軌上軌工作過程如圖2所示，移軌小車按上軌指令，從左至右，尋到第一根鋼軌時，由單根鋼軌頂升托臺頂起鋼軌，按圖2中箭頭方向運行。將鋼軌放至輥道輸送線上，最后回到待機位，直至接到下一條指令。

圖2 移軌小車單根鋼軌上軌工作過程Fig.2 The working process of handling single rail by the shifting rail trolley

多根鋼軌平移工作過程如圖3所示，移軌小車按平移指令頂升指定倉位中的多根鋼軌按圖3中箭頭方向運行。將多根鋼軌放至工作倉位，空出指定倉位以便補充新鋼軌，完成指令后回到待機位。

使用多臺移軌小車才能完成100 m長鋼軌的平移和上軌工作。由于鋼軌在平移過程中垂直方向的撓度隨支撐點間距不同而變化，進而導(dǎo)致上軌中鋼軌頂升高度的變化[1]，因此需要分析確定在不同移軌小車布置情況下，鋼軌撓度與頂升高度的最佳匹配方案。

圖3 移軌小車多根鋼軌平移工作過程Fig.3 The working process of handling multi-root rails by the shifting rail trolley

2.2 鋼軌超靜定分析

本文采用多點支撐的鋼軌平移方案(即沿鋼軌方向布置多臺移軌小車)，方案中鋼軌與移軌小車可以簡化為超靜定模型[6]，如圖4所示。

圖4 超靜定模型Fig.4 Indeterminate model

通過ANSYS軟件對鋼軌平移多支點超靜定模型進行有限元分析計算，結(jié)果表明：平移長度為100 m、單位長度質(zhì)量為60 kg/m及70 kg/m的鋼軌，在均布支點數(shù)為8時的鋼軌撓度及所需頂升高度的匹配效果最佳。

2.3 設(shè)置方案

在100 m長鋼軌存放臺下方平行布置兩列移軌小車，每列8臺，布置間距為12.5 m，移軌小車的縱向布置如圖5所示。

鋼軌存放臺上存放多組鋼軌，靠近輥道輸送線的第一倉位為鋼軌上軌區(qū)，其他倉位為暫存區(qū)，兩列移軌小車分別對應(yīng)一條輥道輸送線上軌，移軌小車的橫向布置如圖6所示。

為保證移軌小車移動的精準性與同步性，需要獲取移軌小車真實且準確的位置信息。常見定位方式在粉塵大、鐵銹多的室外環(huán)境中的穩(wěn)定性較差，定位精度易受影響，常見定位方式的比較見表1。

圖5 移軌小車縱向布置Fig.5 Longitudinal arrangement of the shifting rail trolley

圖6 移軌小車橫向布置Fig.6 Transversal arrangement of the shifting rail trolley

定位方式優(yōu)點缺點機械開關(guān)使用簡單斷點檢測,易誤報旋轉(zhuǎn)編碼器測距長打滑測不準,抗污性差激光精度高測距短,抗污性差

而格雷母線定位技術(shù)通過檢測絕對地址定位，具有定位位置準確、精度高等優(yōu)點，且不受車輪打滑或停電影響，更適用于焊軌基地的作業(yè)環(huán)境。

3 格雷母線定位系統(tǒng)

3.1 格雷母線結(jié)構(gòu)

格雷母線定位技術(shù)利用電磁感應(yīng)原理進行定位。在移動站天線箱線圈產(chǎn)生的交變磁場中，格雷母線內(nèi)部的多對感應(yīng)環(huán)線(G線)和平形線(R線)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢[7]。平行線(R線)用于獲取標(biāo)準信號，環(huán)線(G線)用于檢測地址。平行線不交叉，各對環(huán)線按不同步長交叉編排，環(huán)線G0、G1、G2、…、G8、G9的步長分別為1W、2W、4W、…、256W、512W(W為格雷母線的最小步長)。格雷母線的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

(a)展開布線

(b)實物結(jié)構(gòu)圖7 格雷母線結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The structure of the Gray bus

3.2 精密地址檢測原理

地址編碼發(fā)射器發(fā)射絕對地址信號，通過電磁耦合經(jīng)由格雷母線的環(huán)線和平行線傳輸，地址編碼接收器對接收到的信號進行相位比較，最終得到發(fā)射位置的絕對地址。

為保證定位檢測精度，在絕對地址的基礎(chǔ)上進行細分以獲得高精密地址。精密地址檢測方法是在格雷母線中增加一對地址線L0，L0的交叉間距與G0的交叉間距相同，均為200 mm，且錯開100 mm，布線方式如圖8所示。

圖8 精密地址檢測布線方式Fig.8 The wiring method of the precisionaddress detection

當(dāng)移動站的天線箱線圈中通入交變電流時，地址線G0、L0產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢分別如下：

(1)

(2)

Φ=SB

(3)

式中，V0、V1分別為芯線G0和L0上的感應(yīng)電動勢信號幅值；dΦ0、dΦ1分別為通過芯線G0和L0的磁通變化量；N為格雷母線芯線圈數(shù)，取N=1；Φ為磁通量；B為磁場強度；S為磁場作用在芯線上的有效面積。

當(dāng)移動站上的天線箱按圖8中的方向移動時(移動距離為X，X<100 mm)，則有

(4)

(5)

在同一時間間隔內(nèi)，由式(4)和式(5)可得

(6)

式中，S0、S1分別為芯線G0和L0的磁場有效面積；H為電纜寬度。

由式 (6)可知，在X<100 mm范圍內(nèi)，V0/V1比值與X一一對應(yīng)。由于G0和L0的交叉間距相同且兩者錯開100 mm，故在交叉間距內(nèi)的每個位置總有一個對應(yīng)的V0/V1比值。將V0/V1比值進行細分，細分數(shù)越大，檢測精度越高。結(jié)合工藝限制及工程經(jīng)驗，細分數(shù)取20較好，即絕對地址精度為100 mm時，細分數(shù)為20，精密地址精度為100/20=5 mm[8]。

3.3 設(shè)置方案

格雷母線、始端箱及終端箱等鋪設(shè)在移軌小車導(dǎo)軌中間的地面上，地址編碼發(fā)射器、天線箱、位置檢測單元等安裝在移軌小車上，天線箱底面與格雷母線頂面的距離控制在30～300 mm范圍內(nèi)，天線箱中心線與格雷母線中心線偏差控制在0～50 mm范圍內(nèi)，格雷母線定位系統(tǒng)現(xiàn)場布置見圖9。

圖9 格雷母線定位系統(tǒng)現(xiàn)場布置示意圖Fig.9 Site layout of Gray bus positioning system

4 控制系統(tǒng)

為實現(xiàn)移軌小車準確頂升和下落鋼軌，需要通過傳感器獲得鋼軌的水平及垂直位置，以形成控制閉環(huán)系統(tǒng)，鋼軌感應(yīng)距離不大于50 mm。

4.1 傳感器

為獲取鋼軌位置，每臺移軌小車裝有1臺非接觸式鋼軌感應(yīng)傳感器，感應(yīng)距離為40 mm。鋼軌感應(yīng)傳感器將檢測信號反饋給現(xiàn)場控制站，用于控制小車停在所尋鋼軌下方，以實現(xiàn)尋軌功能，鋼軌感應(yīng)傳感器安裝位置如圖10所示。

圖10 鋼軌感應(yīng)傳感器安裝位置Fig.10 Installation position of rail induction sensor

每臺移軌小車裝有6臺非接觸式接近開關(guān)，開關(guān)感應(yīng)板與頂升平臺同步上下運動。接近開關(guān)內(nèi)部邏輯信號實時反饋到現(xiàn)場控制站，通過分析來判斷頂升平臺的位置，進而實現(xiàn)頂升與上軌功能。

4.2 傳感器安裝

通過不同傳感器反饋的信息確定頂升平臺的位置，移軌小車上工作位和上限位的接近開關(guān)的安裝方式見圖11，其中，A、C、D均為接近開關(guān)。單根鋼軌頂升托臺頂起鋼軌到存軌臺上方50 mm時，感應(yīng)板的下邊緣與接近開關(guān)A的中心對齊。多根鋼軌頂升托臺頂起鋼軌到存軌臺上方50 mm時，感應(yīng)板的下邊緣與接近開關(guān)C的中心對齊，與接近開關(guān)D的下邊緣對齊。

圖11 上工作位及上限位接近開關(guān)安裝方式Fig.11 Installation method of proximity switch in upper work position and upper limit position

移軌小車下工作位和下限位的接近開關(guān)的安裝方式見圖12，其中，B、E、F均為接近開關(guān)。單根鋼軌頂升托臺上平面距鋼軌底部平面距離為25 mm時，接近開關(guān)感應(yīng)板的下邊緣與接近開關(guān)B的中心對齊。單根鋼軌頂升托臺上平面距滾道輸送線上鋼軌底面距離為25 mm時，感應(yīng)板的下邊緣與接近開關(guān)F的中心對齊，與接近開關(guān)E的上邊緣對齊。

圖12 下工作位下限位接近開關(guān)安裝方式Fig.12 Installation method of proximity switch in under work position and under limit position

4.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

針對多節(jié)點控制需求，控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線控制技術(shù)[9]，由1個中心控制站和8臺現(xiàn)場控制站組成，形成分布式控制結(jié)構(gòu)。命令由操作臺下發(fā)到主站可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)中，再由主站PLC向各現(xiàn)場控制站PLC下發(fā)操作命令，現(xiàn)場控制站PLC接收命令后控制移軌小車完成動作。同時，移軌小車的絕對地址、垂直位置、控制機構(gòu)信息等通過系統(tǒng)總線實時反饋到主站PLC中，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.13 Structure of fieldbus control system

圖14a和圖14b所示分別為單根鋼軌及多根鋼軌操作界面，兩種界面均包括手動和自動兩種模式，均可實現(xiàn)單步及全程自動控制，同時均可對動作到位狀態(tài)及系統(tǒng)主要故障進行監(jiān)測顯示。

(a)單根鋼軌操作

(b)多根鋼軌操作圖14 鋼軌操作界面Fig.14 The operating interfaces of rails

本文設(shè)計的上軌系統(tǒng)已成功應(yīng)用于國內(nèi)多個焊軌基地，并對總長度超過3 000 km的長鋼軌進行了焊接前的平移上軌操作，且使用效果良好，圖15所示為現(xiàn)場應(yīng)用的移軌小車。

(a)正視 (b)側(cè)視圖15 現(xiàn)場應(yīng)用的移軌小車Fig.15 Field application of the shifting rail trolley

5 結(jié)論

與傳統(tǒng)鋼軌平移方式相比，本系統(tǒng)具有以下技術(shù)優(yōu)點：

(1)設(shè)計的長鋼軌上軌系統(tǒng)采用格雷母線定位技術(shù)對移軌小車的精密地址檢測，定位精度可達到5 mm，實現(xiàn)了長鋼軌同步平移。

(2)系統(tǒng)利用現(xiàn)場總線控制技術(shù)，實現(xiàn)對移軌小車的遠程集中控制，具備很高的同步性,解決了傳統(tǒng)吊裝不同步而造成的鋼軌彎曲扭轉(zhuǎn)變形問題。

(3)移軌小車安裝了尋軌傳感器，實現(xiàn)了鋼軌自動準確搜尋功能，以減輕操作人員負擔(dān)。

(4)系統(tǒng)的可視化操作界面實現(xiàn)了單根與多根兩種鋼軌操作模式下的自動與手動控制，并能夠?qū)崟r監(jiān)測顯示移軌小車狀態(tài)及故障。

該系統(tǒng)在其他運輸同步精度要求較高的場合中也具有一定的參考與應(yīng)用價值。