CRTS雙塊式無砟軌道智能化系列施工裝備研究

高 貴

（武九鐵路客運專線湖北有限責任公司 湖北武漢 430212）

1 引言

雙塊式無砟軌道自引進消化吸收再創(chuàng)新以來，施工過程中經常出現復測不及時、混凝土澆筑擾動等造成無砟軌道返工的現象［1］，施工完成后扣件更換率高，施工效率低。為此研發(fā)CRTS雙塊式無砟軌道智能化系列施工裝備，提高施工作業(yè)效率，實現數據可控，實時上傳，減小扣件更換率［2］，實現施工過程智能化、信息化和質量的可追溯性。

2 一體化底座板及自動整平機研究

底座板縱向模板以32.6 m或24.6 m梁為控制單元，每片梁縱模板由3.0 m長度標準模板和兩端各一塊調整模板組成，每塊標準模板沿縱向設置3處絲杠支撐，分別位于模板中間和距離模板兩端法蘭300 mm處。

縱模板為底座板抹面機提供軌道基礎，中間設置兩個調高機構檢查澆筑完成的底座板斷面［3］。頂部設置走行鋼軌調高裝置，用于調整其軌頂標高。支護固定系統(tǒng)主要用于縱向模板的固定及調節(jié)［4］。

為實現智能化整平，替代人工扒料、提漿、抹平、壓光操作，參照無砟軌道精調技術，將機械化設備與施工現場的CPⅢ測量控制網實時結合在一起，施工時全站儀測量的數據通過數據接口經無線藍牙模塊與底座板自動整平機實時通訊。底座板自動整平機預先存儲該條線路的設計值，分析全站儀發(fā)來的數據后，自動追蹤、指導設備運行軌跡，通過自動化控制實現底座板整平縱向標高、橫向微動位移尺寸。

3 智能化自動分枕平臺研究

智能化自動分枕平臺由機架、分枕小車、軌道系統(tǒng)、電動執(zhí)行機構、智能控制系統(tǒng)等組成。11臺分枕小車相互獨立、互不干涉，均可實現單動，滿足各種不同軌枕間距需求。整體軌枕間距誤差可控制在3 mm以內，整機自動勻枕時間可在1 min之內完成，具有平穩(wěn)、準確、高效、安全和連續(xù)工作能力，實現了分枕自動化、智能化，提高了軌排組裝效率。主要創(chuàng)新點體現在：

（1）控制集成處理，采用兩個一拖四驅動器和1個一拖三驅動器，合成驅動11個伺服電機，減少電控柜體積，減少布線，降低電控柜的設計復雜程度，優(yōu)化控制系統(tǒng)、減少故障率。

（2）利用伺服驅動器控制伺服電機扭矩自動回零，取消了11個回零行程開關，走線22根，減少現場故障率、減少布線數量。

（3）所有電控系統(tǒng)采用IP65防護等級，保證現場施工正常工作。

（4）針對南方夏天室外溫度高，加大電器元件耐高溫及散熱處理。

（5）采用獨拖柔性結構設計，實現分枕平臺自動勻枕和不同間距軌枕的精準定位。

4 新型嵌套式軌排研究

嵌套式軌排由工具軌、組合托梁體、高低螺桿、防護墻固定座、鎖定裝置等組成。組合托梁體由內外套組成，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，設計簡約實效。通過軌向調節(jié)撐桿調整軌排中線，消除傳統(tǒng)軌排對混凝土面的損害［5］。

根據鄭萬鐵路橋梁無砟軌道軌枕間距分布情況［6］，32 m和24 m橋梁嵌套式軌排組合型式分別為：6 855 mm＋6 330 mm＋6 330 mm＋6 330 mm＋6 855 mm軌和6 330 mm＋6 330 mm＋6 330 mm＋5 710 mm。

嵌套式軌排通過托梁內外套滑動的方式實現軌向調整，徹底顛覆此前軌道幾何形位調整的固有思維，采用軌向與高程獨立調節(jié)［7］，配合智能化精調機的使用，大大縮短了道床施工中的精調工序施作時間。

圖1、圖2為施工中的某一跨32 m橋梁上嵌套式軌排測量的軌向及軌距數據，整體偏差均滿足高鐵軌道施工規(guī)范要求，使用效果良好。

圖1 某跨32 m梁軌排上的軌向數據測量值（單位：mm）

圖2 某跨32 m梁軌排上的軌距數據測量值（單位：mm）

5 混凝土自動振搗機研究

目前的道床混凝土振搗采用人工手持插入式振搗棒振搗，振搗位置及振搗時間全憑操作工經驗掌握，導致振搗不足或過振，影響混凝土振搗質量［8］?；炷磷詣诱駬v機（見圖3）可根據軌枕間距設定，完成軌枕間混凝土振搗，振搗時間通過PLC編程控制，針對不同坍落度的混凝土調整振搗參數，有效避免混凝土振搗不足或過振現象。設備具有數據自動采集功能，能夠實現振搗時間、頻率、插入深度等數據的存儲和上傳功能?？刹捎酶叻直媛首詣颖孀R系統(tǒng)，提高施工效率［9］。設備配置減振裝置，對精調后的軌排影響?。贿m用于直線段和曲線段道床混凝土連續(xù)振搗施工。

圖3 混凝土振搗機三維渲染圖

6 軌排精調機器人研究

軌排精調機器人（見圖4）集成全站儀自動測量技術、自動化技術、無線通訊、精密機械于一體，以機載電腦為核心，配備精確伺服系統(tǒng)為執(zhí)行器，并且以獨特軌上行駛與擺臂結構，解決了移動與裝卸的難題，可快速、精確地驅動軌排螺桿，對軌排高程、中線進行精確定位。與Amberg測量小車復測誤差在±0.3 mm之內。

圖4 軌排精調機器人

施工前將設計線形數據分別輸入全站儀、智能化軌排精調機手簿軟件系統(tǒng)，全站儀通過現場CPⅢ點位棱鏡完成自由設站后設為自動測量模式，將全站儀測量數據經由無線通訊系統(tǒng)實時發(fā)送至精調機器人控制系統(tǒng)，通過計算分析，將精調數據及精調動作指令發(fā)送至精調機器人執(zhí)行系統(tǒng)，根據控制系統(tǒng)的精調數據及精調動作指令驅動軌排支撐架調節(jié)螺桿轉動，從而完成對軌排各點高程和軌向的精確調整［10］。

智能精調系統(tǒng)主要由執(zhí)行系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)構成。測量系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間為無線連接，相互之間數據及信息指令采用無線方式進行傳輸?？刂葡到y(tǒng)是精調機器人的核心，由數據采集軟件、數據計算分析軟件、工控軟件、通訊軟件等多個模塊組成。測量系統(tǒng)由ATR全站儀、棱鏡、棱鏡桿及CPⅢ預埋套筒等組成?？刂茰y量系統(tǒng)中的全站儀可自由建站、自動照準棱鏡、自動進行測量；無線通訊模塊可實現全站儀與精調機器人、全站儀與后臺管理系統(tǒng)之間的數據相互傳輸。執(zhí)行端由兩臺智能精調機器人組成，合作完成對每榀軌排的精調。

7 道岔自動精調機研究

道岔自動精調機（見圖5）是岔區(qū)高程定位螺桿的自動調節(jié)作業(yè)設備，分硬件和軟件兩部分。

圖5 道岔自動精調機

硬件部分主要由精調機主結構和執(zhí)行機構（伺服電機—減速器—萬向傳動軸）組成，包括車架和高程調整系統(tǒng)等部件。軟件部分主要是自動精調軟件和下位機控制系統(tǒng)，精調軟件采用數據地址讀取方式精確傳輸調整數據，可以完全兼容目前施工測量系統(tǒng)（安伯格精調小車），使精調作業(yè)不受人為干擾。精調機調整系統(tǒng)包括3個伺服電機及減速機能滿足精調要求，自動讀取安伯格全自動精調機的數據，自動調整、無縫連接，工人只負責安裝套筒，大幅度減輕工人勞動強度和人為因素影響。道岔精調精度可達到≤0.5 mm。

精調機和軌檢小車嵌套使用，精調機系統(tǒng)能夠讀取軌檢小車測量數據，需要調整的數據發(fā)送到固定傳動軸或手持式精調機，即可實現自動調整。采用電機—減速器—萬向傳動軸傳動方式，解決了人工調整精度不足的問題；采用萬向傳動軸進行螺桿調整，能夠適應一定半徑范圍的螺桿調整，同時軌道內側的螺桿可采用手持式精調機進行精調作業(yè)［11］。

道岔自動精調機控制系統(tǒng)（見圖6）采用C＋＋語言進行編程，是一種集視窗操作系統(tǒng)、消息映射原理和子網絡伺服運動控制算法于一體的創(chuàng)新型控制系統(tǒng)軟件。該軟件采用分布式控制系統(tǒng)結構，上層通過以太網總線UDP協(xié)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。其核心技術是采取數據讀取程序流讀取安伯格小車測量數據保存地址，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%。

8 無砟軌道承軌臺檢測機器人研究

無砟軌道承軌臺檢測機器人（見圖7）利用現有先進的自動控制技術、自動測量技術、互聯網技術等，以快捷、可靠、精確的方式代替人工檢測承軌臺測量數據。

無砟軌道承軌臺檢測機器人可自動測量，數據鏈路、伺服控制、調節(jié)動作、自動行走控制過程完全達到預設的目的，調整精度可達到±0.3 mm。實現承軌臺自動檢測，自動計算每個承軌臺位置所需要的調高墊片厚度和軌距擋塊規(guī)格，統(tǒng)計出調整墊板的采購清單，同時生成墊板安裝文件，為后續(xù)扣件預安裝以及軌道精調提供依據，降低精調成本。

BMR-3型全自動承軌臺檢測機器人由自行式車體、可升降檢測模具、控制系統(tǒng)等組成。車體采用麥克納姆輪系，作為機器人的行駛驅動、姿態(tài)調整的部件，麥克納姆輪結構緊湊、運動靈活［12］。

由于成型道床板間有60～120 mm縫隙，為減少越過板間縫隙顛簸、單輪懸空對機器人行駛方向帶來的誤差，BMR-3型全自動承軌臺檢測機器人8個麥克納姆輪，可保證同時至少有6個車輪與板面可靠接觸，使機器人能夠平穩(wěn)快速地從一個軌枕位置行駛到下一個軌枕位置。

無砟軌道成型道床承軌臺全自動檢測技術包括自動控制與機電一體化技術及自動測量技術，其快速測量系統(tǒng)結構設計如圖8所示。

圖8 承軌臺檢測機器人快速測量系統(tǒng)結構設計

無砟軌道承軌臺檢測機器人集中了精密機械、機電一體化、無線數據傳輸、遙控、自動測量等技術，采用了模糊控制理論、PID算法、伺服控制算法等理論，將機械運動控制、全站儀測量有機地結合在一起，高效、高精度地完成了承軌臺位置誤差的全面檢測，填補了無砟軌道施工過程中的技術空白。

9 結束語

依托鄭萬高鐵湖北段項目，立足于無砟軌道施工的關鍵工序，通過CRTS雙塊式無砟軌道智能化系列施工裝備的研發(fā)，有效解決人工干擾大、數據不可控等重大技術難題，實現了無砟軌道施工過程的智能化、信息化，提高了無砟軌道施工精度、穩(wěn)定性和施工效率，為我國高鐵智能建造、智慧鐵路提供了有效的技術支撐，進一步推動了高速鐵路的智能化及產業(yè)化發(fā)展。