新一代雙塊式無砟軌道智能精調技術研究

楊建福

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 CRTS I雙塊式無砟軌道發展現狀

隨著我國高速鐵路技術的不斷發展，高速鐵路無砟軌道在設計、施工、材料、施工裝備等方面取得了一系列研究成果，形成CRTS I型板式、CRTS II型板式、CRTS III型板式、CRTS I型雙塊式、CRTS II型雙塊式及岔區無砟軌道成套技術，并在我國高速鐵路建設中全面推廣應用[1]。其中，CRTS I型雙塊式無砟軌道已經發展成為高速鐵路無砟軌道結構主流形式之一，其鋪設里程已達約6 850 km，占無砟軌道里程40%。

CRTS I型雙塊式無砟軌道技術發展主要經歷了三個階段：第一階段為無砟軌道引進發展階段，以武廣、鄭西為代表，其施工技術和成套裝備主要以進口為主；第二階段為消化吸收再創新階段，以蘭新、大西、貴廣高鐵為代表，主要形成了軌排框架法的主流施工模式；第三階段為智能化無砟軌道發展階段，以鄭萬高鐵為代表，引領智能化無砟軌道施工發展趨勢。

傳統雙塊式無砟道床施工采用組合式軌排框架施工，精調作業時軌向與高程調節相互干擾，鎖定工序繁瑣，且耗費了大量人工，精調質量及精調時間不可控，不僅降低了精調效率，也增加了操作工人的勞動強度[2-3]。基于數據尋址技術和MBOX運動控制器+HS伺服驅動器運動控制技術，本文提出新一代CRTS I型雙塊式無砟軌道智能精調技術，研發了基于某型軌檢小車測量系統的精調軟件和精調機用于軌排自動化精調。

2 雙塊式無砟軌道精調技術應用現狀

CRTS I型雙塊式無砟軌道施工精調是利用CPⅢ軌道控制網，通過全站儀+軌檢小車測量比較軌排鋼軌參數和線路設計參數，采用人工精調將二者差值調整至±0.5 mm范圍。

第一代智能化精調機均采用自帶測量系統配合全站儀進行精調作業，主要實現了精調作業不配置軌檢小車和替代人工精調。精調機控制系統通過全站儀自動測量標架棱鏡，經過工控機計算，伺服電機精密減速機通過萬向伸縮傳動軸傳遞精密轉動調整，替代人工調整[4]。中鐵第五勘察設計院集團有限公司研發的第一代智能精調機見圖1所示。

圖1 第一代智能精調機

智能精調機由測量系統、調整機構、無線通訊、行走機構等組成。測量系統包括：測量標架，萊卡全站儀，萊卡棱鏡，測量軟件。調整機構包括伺服電機+精密減速機、萬向伸出傳動軸和精調主體。行走機構四驅軌道遙控前進后退。

西安遠景智能控制有限公司研發的TAS-4雙塊式軌排精調機器人見圖2所示。精調機器人結合自動測量、智能控制、精密機械等技術，以機載電腦為核心，通過數據鏈路組成一個整體，操作高度自動化、無人化，以設備代替人工完成雙塊式無砟軌道軌排精調定位，提高了效率與精度，節省人力[5]。主要技術特點見下：

圖2 TAS-4軌排精調機器人

(1)精調機器人自帶棱鏡，接收第三方精調軟件的測量數據，全自動調整軌道的位置。

(2)測量軟件與精調機器人之間采用無線信號傳輸數據，快捷準確。

(3)由兩臺設備成組工作，車體小型化，行走、收納、防護靈活方便，不占用工作通道。

(4)每調整好一榀軌排，可以自動行走到下一榀軌排、需要人工輔助安裝調整器。

(5)根據精調軟件計算的誤差值，逐次調整每榀軌排的8個精調螺桿，使軌排快速到位。

上述兩種精調機自帶軌道測量系統，通過自由設站和CPⅢ控制網來指導精調。精調機軟件自帶測量系統，能夠輸入線路的平、縱斷面的設計坐標，通過精調機測量數據和輸入的設計坐標對比，從而得出偏差，最終將偏差調整至±0.5 mm范圍內。經測量驗證，測量精度和軌檢小車測量精度相差很小。但是，考慮測量儀器檢定方便，同時施工單位測量隊一般配有軌檢小車，能夠實現軌道施工測量，精調機的推廣應用受到一定限制。

3 新一代雙塊式無砟軌道智能精調技術

鑒于傳統軌道精調中存在精調作業時軌向與高程調節相互干擾等問題，研發了新型嵌套式軌排，通過設置內外套形式，實現了軌排的高程和中線單獨調節而不互相干擾目標。同時，為充分利用軌檢小車測量數據，基于數據尋址技術和MBOX運動控制器+HS伺服驅動器運動控制技術，研發了新一代智能精調系統和精調機。

3.1 新型嵌套式軌排

新型嵌套軌排由工具軌、組合托梁、高程螺桿、軌向螺桿和防護墻固定座等組成，如圖3所示。組合托梁由內外套組成，內外套通過十字銷軸在豎向螺桿處連接，內套相對外套可相對滑動而不影響豎向高程，可實現軌排的高程和中線單獨調節而不互相干擾，通過調節左右兩側的高程螺桿調節軌排的左右高程，通過調整軌向螺桿調整軌排中線，消除了傳統軌向調節器對混凝土面的損傷，軌排達到精度要求無須鎖定。

圖3 嵌套式軌排結構

3.2 雙塊式無砟軌道測量原理

雙塊式無砟軌道測量系統主要包含棱鏡、軌檢小車(GRP1000)、全站儀。雙塊式無砟軌道測量基本原理：全站儀實時測量軌檢小車棱鏡的三維坐標，然后結合標定的軌檢小車幾何參數、小車的定向參數、水平傳感器所測得橫向傾角和實測軌距，即可換算得出對應里程處線路的實測平面位置和軌面高程，通過與預先輸入的線路設計參數進行比較，得到其偏差，從而用于指導軌道施工精調。

雙塊式無砟軌道測量原理見圖4所示。棱鏡安裝在線路CPⅢ控制點上，用于確定軌檢小車在線路中位置坐標；軌檢小車主要用于測量鋪設軌排鋼軌參數(左軌高程、右軌高程、方向、軌距、三角坑、里程等數據)，其含有軌距傳感器、超高傳感器等，用于軌道幾何參數測量。軌檢小車配置一臺軍用筆記本，安裝測量軟件，測量軟件預先輸入線路的平、縱斷面的數據，這樣在線路中某一點的位置含有軌距、超高、高程等數據，測量軟件自動將測量數據和線路設計數據進行對比，顯示的偏差值用于指導軌排高程和方向數據的調整；同時，測量軟件在采集數據界面對精調后的數據進行采集，以便道床板澆筑后測量數據復測對比。全站儀主要用于測量前后棱鏡位置，和軌檢小車棱鏡配合，確定軌檢小車位置[6-7]。

圖4 雙塊式無砟軌道測量原理

3.3 新型軌排智能精調機

基于上述第一代精調機存在的測量數據問題，利用現有軌檢小車硬件和軟件系統，研發了能夠實時讀取數據的新型軌排智能精調機。新型智能精調機主要包括精調軟件、伺服執行機構及自動控制系統，能夠實現軌道測量數據自動讀取，自動傳輸，滿足隨測隨調，無須反復調整。

精調軟件是一種集視窗操作系統、消息映射原理和子網絡伺服運動控制算法于一體的創新型控制系統軟件。該軟件采用分布式控制系統結構，上層通過以太網總線UDP協議接收來自上位機的運動控制輸入指令，運動控制層采用CAN總線對伺服電機進行控制。其核心技術是采用數據尋址技術找到安伯格小車測量數據存儲地址，直接從數據地址中抽取數據，從而保證數據的準確率達到100%。精調軟件工作原理如圖5所示。

圖5 精調軟件工作原理

軌排智能精調軟件控制界面如圖6所示。其中，為實現抽取軌檢小車測量數據，在測量數據窗口文字空白窗口輸入新建的施工測量窗口名稱；左軌、右軌和中心空白窗口會實時跟隨軌檢小車測量數據；精調作業時，可選擇一鍵精調或先高程精調后橫向精調作業模式。

精調機硬件部分主要由主結構和執行機構(伺服電機-減速器-萬向傳動軸)組成，執行機構包括橫向調整機構和高程調整機構，見圖7所示。

新型軌排精調機是將軌檢小車放置在精調機“肚子”中，精調機能夠帶動軌檢小車前進，實現走停-測量-精調作業。但是，整套設備需要人工輔助推行，無法實現自動走行。同時，施工作業時，測量人員需要將軌檢小車搬入精調機內部，現場測量人員操作不便。

圖6 控制界面 圖7 新型軌排精調機

新型嵌套式軌排精調機主要解決嵌套式軌排精調無法自動走行和搬運軌檢小車不便而研制。精調機配置自動走行系統，測量人員只需按鈕操作精調機前進。精調機采用軌檢小車前置式連接方式，測量人員只需將軌檢小車擺放至精調機前方，放倒快連裝置即可。具體操作流程為：首先，架設全站儀并擺放軌檢小車；接著，設置全站儀參數并照準軌檢小車棱鏡；然后，將軌檢小車推至精調機前方進行機械連接和網絡連接；最后，設置精調軟件窗口參數，操作精調機前進/后退進行精調作業。

4 結束語

現階段，CRTSⅠ雙塊式無砟軌道智能精調機的逐步應用，在一定程度上實現了道床板施工減人工和降低工人勞動強度目標。但在實際應用中不可避免需要人工干預，例如，在螺桿對位時仍需要人工輔助，未實現全過程自動化施工。新一代智能精調機采用數據尋址技術和MBOX運動控制器+HS伺服驅動器運動控制技術，實現了測量數據讀取準確率100%和伺服精準調節，有效地解決了現有無砟軌道人工精調耗時費力、誤差大和效率低下等問題，提高了無砟軌道建造精度，降低了后續常規靜態精調和動態精調時扣件更換率，具有廣闊的應用前景和較大的推廣應用價值。