有砟鐵路連續卸砟控制系統分析

徐欽國 （中國中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230022）

在有砟鐵路的施工過程中，道砟施工是其中一項重要的工作。能否快速的補充道砟關系到工程的進度；能否精確補砟做到不盈虧、不重復倒運更是與經濟效益直接相關。

目前，有砟軌道卸砟車施工技術仍存在很多不足：①人工調查，靠經驗判斷道床道砟盈虧數量，施工精細化不足、隨機性大、誤差率高，現場過量補砟現象頻發；②人工對照現場比對卸砟里程定位精度低、配砟地點偏差大，導致后期小范圍倒運費用增加；③人工經驗控制風門大小，現場配砟無法做到具體量化控制；④現場需要專職人員比對里程，控制風門，專業的配砟車也需要5人以上配合才可以作業，作業功效低，配砟速度慢。

1 總體思路

有砟鐵路連續卸砟控制系統的設計實現是針對于卸砟車在道床上的卸砟是將卸砟車在軌道上連續行駛，針對整條補砟線路，根據測量獲得的缺省道砟量實現卸砟車連續行駛中的同步卸砟。系統包含道床斷面測量系統與自動化卸砟系統。道床斷面測量系統通過道床斷面實時掃描，缺失道砟數量實時計算，為連續作業卸砟車提供實時數據支撐。自動化卸砟系統是通過風動卸砟車卸砟傳動系統的電動改造實現卸砟的自動化、精確化。

2 系統設計

道砟測量系統采用激光掃描儀進行道砟斷面輪廓掃描，計算每一里程道床斷面的道砟盈虧量。將設計的線路標準道床輸入道砟測量系統。隨著卸砟車前進，通過固定在卸砟車上的激光掃描儀掃描前進過程中的現有道床輪廓線，并與設計的道砟斷面對比，通過積分實時計算出各里程段道砟的初步數量。在掃描儀的頻率200幀/s，卸砟車時速10km/h情況下，掃描的理論步長可以達到1.3cm。

道砟計算模型的誤差改正內容主要是通過軌道類型計算出每公里高出道心道砟面的枕木、鋼軌體積，修正最終的道砟數量。軌道類型按照P60鋼軌、III型軌枕、1667根/km計算每公里改正值為30.109 m。

2.1 風動卸砟車[4]道砟自卸系統

將風動卸砟車卸砟系統傳動裝置進行電動改造，拆除原風控的氣缸傳動系統，加裝電機與車門杠桿連接控制底門開關。導入測量的道砟量進入道砟自卸系統，自卸系統通過行車速度與該區域道砟補充量控制車輛卸砟門開口的大小、數量，從而做到精確補充道砟。

自卸系統的原理是：

①自動化測量系統，快速精確測量道砟盈虧量；

②根據道砟盈虧量，考慮車速影響，經過計算可得出在相應里程卸砟車車門的開合量，將該開合量轉算成異形螺母在絲桿上所對應的位置；

③根據絲桿的導程，計算出異形螺母由閉合狀態下運行至指定位置，絲桿需要旋轉的圈數；

④根據絲桿旋轉的圈數、減速機減速比，計算出步進電機需要旋轉的圈數；

⑤步進電機是根據輸入信號的脈沖數來進行運行，可根據步進電機旋轉的圈數，計算出步進電機的脈沖數量。

自卸系統的關鍵技術在于風動卸砟車卸砟系統傳動裝置的改造以及參數調整、自卸軟件的編輯及修正（風動卸砟車傳動部分簡圖如圖1）。

圖1 風動卸砟車傳動部分簡圖

3 主要功能實現

卸砟車是由機車牽引若干車廂，各車廂具有各自獨立的自動卸砟口，在機車前端設置斷面掃描儀，利用斷面掃描儀對于處在機車前端下方的道床斷面進行掃描，并根據掃描信息計算獲得所在斷面的缺省道砟量，在機車內設置有里程計；對于卸砟車在道床上的卸砟是以卸砟車在軌道上連續行駛，根據測量獲得的缺省道砟量實現同步卸砟。所述控制方法按如下步驟進行：

步驟1：作業前的數據采集

①根據卸砟車的結構尺寸，計算獲得所述斷面掃描儀及各車廂卸砟口與里程計之間的相對里程；

②線路線形資料的采集。

根據設計資料獲得各里程段的設計道床結構，所述道床結構包括：道床頂寬、道床厚度、道岔邊坡坡度和道床砟尖堆高尺寸，所述道床結構是由道床斷面上八個特征點的相對坐標值所表征；設置道床的相對坐標系的原點O為線路鋼軌的中心點。

如圖2所示，八個特征點分別是特征點 a、b、c、d、e、f、g 以及特征點 h；其中，特征點a和特征點h為路肩延伸點，特征點b和特征點g為道床砟腳，特征點c和特征點f為道床砟尖，特征點d和特征點e用于描述枕木槽道砟線。c、測定各車廂卸砟口的開啟過程和關閉過程的耗時，按照補砟預設定的機車最大行駛速度，確定卸砟單元的長度s；

圖2 道床結構錄入點位示意圖

③將卸砟車每節車廂的道砟數量分別存儲，建立道砟存量數據庫；所述道砟存量數據庫隨著卸砟作業同步更新；

步驟2：卸砟作業

①將卸砟車由機車牽引至卸砟起點，將里程計調整為卸砟起點的鐵路里程；根據斷面掃描儀及各車廂卸砟口與里程計之間的相對里程，計算獲得斷面掃描儀及各車廂卸砟口的絕對里程；

②根據里程計測定當前機車速度v，根據當前機車速度v計算獲得在當前機車速度v下，單個車廂卸砟口針對長度為s的一個卸砟單元的最大卸砟量N；

③道砟測量

道砟測量是隨著機車的行駛，由斷面掃描儀進行實施掃描，利用掃描獲得的實際道床結構，將所述實際道床結構與設計道床結構進行比較，從而確定所在斷面需要補充道砟的截面面積，通過積分計算獲得一個卸砟單元的缺省道砟量M；其中設計道床的結構是由道床斷面上八個特征點的相對坐標值所表征，實際道床截面是由斷面掃描儀所獲取的實際反射回的點位組成的道床外輪廓線。

④確定卸砟車廂的數據及車廂號

根據一個卸砟單元的缺省道砟量M與單個車廂在一個卸砟單元的最大卸砟量N計算獲得參與對應卸砟單元進行卸砟的車廂數量P；

根據每個車廂內實有道砟數量和所述車廂數量P計算獲得參與對應卸砟單元進行卸砟的各車廂編號；

⑤卸砟

當參與卸砟的車廂卸砟口到達卸砟單元位置時，開啟卸砟口，在本卸砟單元的卸砟后，根據下一卸砟單元的卸砟量判斷卸砟與否。

4 結論

有砟鐵路連續卸砟控制系統的設計，實現了卸砟車在軌道上連續行駛，針對整條補砟線路，根據測量獲得的缺省道砟量實現同步卸砟，極大地提高了施工效率。通過斷面掃描儀設置，卸砟區域及卸砟數量是根據采集數據計算獲得，極大地提高了補砟精度，減少了卸砟不均產生的人工倒運道砟的費用，增加了經濟效益。通過控制模塊，利用計算機進行數據處理，最終控制卸砟口的自動啟閉，實現全過程自動，極大地減少了人力消耗，提高線路施工的自動化程度。