CTRSⅢ型無砟軌道板智能快速精調設備

汪永平，蘇雅拉圖，陳宇超，楊建良

（1. 中國鐵路上海局集團有限公司 蘇州鐵路工程建設指揮部，蘇州 215100；2. 中鐵三局集團有限公司 技術開發部，太原 030001；3. 中鐵三局集團華東建設有限公司 工程管理部，南京 211106；4. 中國鐵路設計集團有限公司 總包事業部，天津 300308）

我國通過科技攻關，對板式軌道生產、施工等工藝進行系統性試驗及研究，研制出符合中國國情的CRTSⅢ型無砟軌道板。作為無砟軌道的一種特殊構件，CRTSⅢ型無砟軌道板是我國高速鐵路具有代表性的自主知識產權科研成果之一，已大規模推廣使用。

目前， CTRSⅢ型無砟軌道板的精調施工主要以人工為主[1]，存在施工成本高、效率低等問題。在我國高速鐵路建設工程中，隨著以CRTSⅢ型軌道板為主體結構的無砟軌道的廣泛應用，施工中亟需使用一種全自動精調設備[2]，能夠實現高效率、高精度的精調施工作業，在大幅降低人力投入的同時，更好地滿足高速鐵路對高平順、高穩定無砟軌道的施工質量要求，保證施工工期，提高施工綜合經濟效益。

為此，研究開發了一種CRTSⅢ型無砟軌道板智能快速精調設備（簡稱：智能精調設備）。

1 人工精調作業過程及存在問題分析

1.1 人工精調作業過程

目前，在 CRTSIII型無砟軌道板的鋪設過程中，精調施工[3]階段采用人工使用扳手精調的作業方式，主要分為6個作業步驟[4]。

（1）粗定位：劃線標出軌道板安裝位置，采用木塊做臨時支撐，將軌道板吊裝就位；

（2）安裝精調爪[5]：拆下吊具，同時在安裝吊具的位置上安裝精調爪，替代木塊提供支撐，然后撤除木塊；

（3）測量坐標：司鏡人員在待調軌道板的4個測點上安放全站儀[6]（一種智能型光電測量儀器）及其配件（含棱鏡、標架）；通過藍牙通信，將安裝有布板軟件[7]的便攜計算機與全站儀建立連接；使用布板軟件，控制全站儀測量軌道板上4個測點的坐標數據；布板軟件讀取全站儀測量數據；

（4）計算調整量：布板軟件將測量數據與軌道板設計參數進行比較[8]，計算坐標精調數據，即每個測點需要調整的坐標數值；

（5）下達精調指令：司鏡人員將坐標精調數據轉換為精調指令，通過無線語音通訊設備，指揮工人進行調整作業；

（6）實施精調：按照精調指令，4名工人同時使用扳手配合作業，對軌道板進行精調。

1.2 存在的主要問題

無砟軌道板人工精調作業存在的主要問題如下。

（1）現場人員間信息傳輸量大：軌道板精調數據雖是由布板軟件對全站儀測量數據處理后生成的，但須由司鏡人員轉化成口頭精調指令，通過語音傳輸設備或隔空喊話方式，傳達給工人；每次測量完成后，司鏡人員向工人傳達的精調指令多達6組以上，容易出現錯誤指令傳達，或是工人聽錯或錯誤理解精調指令。

（2）精調精度差：司鏡人員需將精調數據轉換口頭精調指令，即將單位為“mm”的度量長度轉換為三維精調器應轉動的“圈數”，致使人工精調作業方式下CRTSIII型軌道板調整精度受到限制，增加了精確鋪設軌道板的難度。

（3）作業效率低：在按照精調指令進行操作的過程中，工人靠經驗手動轉動三維精調器調整螺桿的角度較為粗略，動作精度難以保證，且 4名工人難以保持動作同步，尤其是方向調整難度大，需反復多次測量和調整，才能達到精度要求（±0.3 mm），作業效率偏低，影響施工進度。

（4）勞動強度大：工人使用手動扳手轉動三維精調器的絲桿，使軌道板產生位移，每塊軌道板平均重達11 t，勞動強度大；工人經常還因為聽錯或理解錯誤精調指令，發生反向動作、動作量不足或過調等異常情況。

（5）不確定因素多：人工精調的精度和效率，完全依賴于司鏡人員和工人的經驗和熟練程度，當出現人員變動時，調整精度將受到嚴重影響。

2 智能精調設備的設計

2.1 設計目標

（1）實現空間坐標全自動化調整：利用數控技術，由智能精調設備控制全站儀完成軌道板坐標測量，與設計坐標對比后，計算出坐標調整量，并轉換為驅動電機的轉動參數，由驅動電機代替4名工人，自動完成軌道板精調作業。

（2）提高調整效率：人工調整作業的效率受到人和環境等因素的制約，難以大幅提高效率；智能精調設備通過軟件實現一鍵操作，控制軟件可將測量數據直接轉換為控制驅動電機的轉動參數，將精調工藝簡化為設備安裝、司鏡人員測量與調整2個工序，消除了不利的人為因素，每塊軌道板的精調時間縮短為6～8 min，大幅提高施工效率。

（3）提高調整精度：采用數控技術，通過迭代微調[9]，實現軌道板的高精度定位，顯著提高調整精度，精度可達±0.2 mm。

（4）優化軌道板鋪設流程：通過優化精調爪設計，使精調爪與吊具合二為一，吊具安裝與拆除、木塊支撐與移除等作業程序，軌道板起吊后即可直接就位。

（5）整體化及輕量化設計：設備的所有硬件組件集成在一個機柜內，采用便于操作的T型槽連接型式，安裝時對準精調爪插槽，插入緊固即可[10]；通過輕量化設計，單臺智能精調設備重量約15 kg，整體空間約300 mm×200 mm×160 mm，保證設備的機動性，節省人力。

2.2 設備構成

智能精調設備由硬件和精調軟件構成，如圖1所示。

圖1 智能精調設備系統構成示意

智能精調設備的硬件主要包括控制主機和精調裝置和5G通信[11]模塊；安裝精調軟件的便攜計算機通過5G通信與控制主機連接[12]，通過藍牙通信與全站儀連接；精調軟件通過串口通信與布板軟件交換數據。智能精調設備的硬件主要由控制主機、精調裝置和5G通信模塊等組件構成。

精調軟件為一組程序模塊[13]，主要完成以下功能。

（1）數據接口模塊：獲取全站儀的測量數據，以及布板軟件中軌道板設計數據。

（2）控制模塊：依據獲取的最新測量數據，計算軌道板坐標調整量，并將其轉化為精調指令，發送給控制主機。

（3）操作模塊：提供精調作業操作界面，依據控制模塊計算的軌道板坐標調整量更新界面上的數據顯示；根據精調進程，驅動便攜計算機內置音箱發出操作提示音；精調設備工作時，其操作軟件用戶操作界面如圖2所示。

圖2 精調軟件操作界面（工作狀態）

（4）監測模塊：監測精調裝置運轉情況，記錄和查看設備日志。

2.3 工作過程

智能精調設備完成軌道板精調作業的具體工作過程如圖3所示。

圖3 智能精調設備工作過程示意

（1）準備工作：在進行精調前，先將智能精調設備的精調爪固定在軌道板上，驅動電機通過傳力桿與精調爪連接；全站儀及其配件安裝就位，棱鏡應就近安裝在精調爪附近；建立安裝精調軟件的便攜計算機與全站儀的藍牙通訊連接；精調軟件從布板軟件獲取軌道板的設計坐標。

（2）計算轉動參數：精調軟件獲取全站儀測量的軌道板坐標，與設計坐標進行對比，計算出坐標差值（即調整量）；將坐標差值轉化為驅動電機的轉動參數，并發送給控制主機。

（3）驅動電機預扭轉：在正式工作前，驅動電機先自主進行預扭轉，以消除傳力桿、精調爪的非彈性變形。

（4）調整軌道板位置：控制主機按照轉動參數，控制驅動電機開始扭轉，帶動傳力桿將扭矩傳遞給精調爪的轉動軸，通過精調爪三向轉動軸的轉動，對軌道板空間位置進行調整。

（5）驅動電機調整狀態反饋：驅動電機完成當前精調指令后，將完工信息通過5G通訊模塊反饋給控制主機，再由控制主機反饋給智能精調設備軟件。

（6）精調結果復測：精調軟件接收到驅動電機完工信息后，操控全站儀進行復測；若偏差超過0.2 mm，重復上述的流程進行軌道板微調，直至偏差不大于0.2 mm，即完成軌道板精調。

3 精調試驗及設備優化

3.1 精調測試

根據現場常見的軌道板精調姿態，建立3個測試案例，每個測試案例各測試20次，并收集整理60組測試數據進行分析。具體測試案例中，軌道板上4個測點（分別對應棱鏡一、二、三、四）的X、Y、Z軸分別表示軌道板的縱向、橫向、豎向。

（1）第1組測試案例：將軌道板整體抬升2 mm，即將4個測點的Z值調整量設置為+2 mm，如圖4所示。

圖4 第1組精調測試案例

（2）第2組測試案例：將軌道板整體向右移動2 mm，即將4個測點的Y值調整量設置為+2 mm，如圖5所示。

圖5 第2組精調測試案例

（3）第3組試驗案例：以軌道板中心為基點，將軌道板逆時針旋轉2 mm，即將一、二號棱鏡的Y值調整量設置為-2 mm，三、四號棱鏡的Y值調整量設置為+2 mm，如圖6所示。

圖6 第3組精調測試案例

3.2 測試結論

整個精調過程僅需1名司鏡人員，通過操作精調軟件，即可完成軌道板精調作業。60組測試數據如表1所示。

表1 測試數據統計

由表1可知：

（1）調整完成后，較設計差值最小值均在0.2 mm范圍內，一次精調操作平均用時均不超過8 min，智能精調設備的精調精度和效率達到設計要求。

（2）Z軸有輕微位移，其最大位移量-0.3 mm；Y軸位移較大，其最大位移量-0.6 mm；X軸位移最大，其最大位移量1.2 mm；說明智能精調設備在Z軸精調作業上精度最高，其次是Y軸，X軸精度最低。

（3）Z軸精調作業最長耗時7.3 min；Y軸精調作業最長耗時8.0 min；X軸精調作業最長耗時8.2 min，說明智能精調設備目前在X軸上的精調作業效率尚未達到設計要求，需進一步優化。

（4）第1、2組精調測試案例均為單方向精調，均在目標時間內完成測試，并達到目標調整值，單方向精調精度、效率較高；但在非調整方向有輕微偏移，分析認為精調爪安裝完成后與軌道板不垂直，或調整過程中由于受力變化，導致調整方向與軌道板之間存在一個斜角，使得軌道板單向調整時，軌道板沿此斜角方向運動，從而導致非調整方向上的偏移量增大。

（5）第3組精調測試案例為多方向精調，其中有2次測試未能在目標時間內完成，極個別數據（占總數的2.91%）未達到目標調整值，但基本控制在0.5 mm范圍內；經分析認為：在進行軌道板多方向調整時，因受力情況不斷變化，傳感器與軌道板側面不再垂直，導致實際調整值與設計值不相符；另外，也有可能是傳感器初始位置與軌道板不垂直，從而出現誤差。如圖7所示，黑色圖形為處于設計位置的軌道板，傳感器與軌道板側面保持垂直，軌道板側面距激光傳感器距離為L2；紅色圖形為測試中軌道板的實際位置，此時傳感器與軌道板側面不再垂直，軌道板側面距激光傳感器距離為L1，由圖7可知，L1與L2不相等。

圖7 軌道板多方向調整位置變化示意

針對軌道板多方向精調，需進行受力分析，解決多方向調整的協調性問題，進一步提高軌道板精調精度及效率。

4 結束語

為解決CRTSIII無砟軌道板精調作業耗時費力、精度低的問題，運用數控技術、算法分析及系統集成等技術，研制了智能精調設備。該設備由硬件和精調軟件構成；硬件采用整體化及輕量化設計，所有硬件部件集成在一個機柜內，機動性強，便于操作，節省人力；精調軟件實現了與全站儀和布板軟件的數據接口，自動完成精調控制，提供簡單易用的精調操作界面和設備監測功能。使用該設備，整個精調過程僅需1名司鏡人員，通過操作精調軟件，即可完成軌道板精調作業；實現了軌道板精調作業從“人力”向“機械”，“人工”向“智能”的轉變，實現了軌道板從初始數據測量、傳輸、與設計參數較差計算、軌道板精調全過程智能作業，有助于提升軌道板精調作業效率及質量。

目前，智能精調設備已在新建的鹽通（鹽城—南通）鐵路上試用，相比人工精調作業，作業效率高，操作簡便，實用性強。下一步，將根據設備在實際運行過程中存在的單方向精調中非調整方向偏移量增大、多方向精調效率不高等問題，開展深入研究，對持續設備進行優化完善。