徐濟(jì)松 張世紅 高春雷 何國華

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

有砟線路開通運營后，由于道砟破碎、道床板結(jié)等因素，導(dǎo)致軌道線路會出現(xiàn)不同程度的沉降、偏移、長波不平順等問題。國內(nèi)外研究表明，隨著旅客列車速度的提高，線路的長波不平順成為影響車輛平穩(wěn)性與舒適度的主要因素［1-2］。當(dāng)速度達(dá)到200 km/h時，應(yīng)解決波長70～100 m 線路不平順的問題；速度達(dá)到350 km/h 時，則應(yīng)解決波長90～120 m 線路不平順的問題［3-5］。而搗固車本身測量系統(tǒng)的基準(zhǔn)測量弦長度只有21 m，因此，需要建立能夠引導(dǎo)搗固車進(jìn)行自動起道、撥道的長基準(zhǔn)測量系統(tǒng)，以滿足高速鐵路作業(yè)精度要求。

圖1 激光準(zhǔn)直系統(tǒng)

目前，國內(nèi)鐵路軌道主要采用大中修模式對軌道線路進(jìn)行周期性養(yǎng)護(hù)維修，基本滿足了軌道線路的運營需求。進(jìn)口型和國產(chǎn)化的搗固車前端均配置了激光準(zhǔn)直系統(tǒng)，如圖1 所示。其主要分為一維激光準(zhǔn)直系統(tǒng)和兩維激光準(zhǔn)直系統(tǒng)。利用激光弦的準(zhǔn)直特性可以較好地解決線路長波不平順問題［6-8］。另外，利用軌道檢查儀、全站儀、水準(zhǔn)儀等軌道幾何檢測設(shè)備，配合和指導(dǎo)搗固車進(jìn)行數(shù)字化搗固維護(hù)作業(yè)，基本能滿足線路周期性養(yǎng)護(hù)需求。但大中修結(jié)束后，線路仍會出現(xiàn)軌道幾何尺寸偏差，需要工務(wù)段臨時維修，具有“短、散、繁”特點。搗固車進(jìn)行臨時維修作業(yè)時，因作業(yè)天窗時間短，人工采用手推式檢測設(shè)備查找病害，存在人工上道頻繁、效率低、勞動強度大等問題，影響了軌道線路養(yǎng)護(hù)維修計劃的順利完成，同時帶來了極大的安全隱患。因此，研究適用于臨時維修作業(yè)搗固車的前端軌道偏差自動測量系統(tǒng)具有非常重要的意義，通過高精度、智能化、集成化檢測技術(shù)，實現(xiàn)搗固車精細(xì)化作業(yè)的同時，保證搗固與測量同步，為鐵路運營安全提供技術(shù)保障。

1 總體技術(shù)方案

1.1 總體布局

圖2 總體布局

搗固車前端軌道偏差測量系統(tǒng)總體布局如圖2所示，主要由前端軌道偏差測量小車、無線傳輸模塊、前端底部托架等組成。其中，前端軌道偏差測量小車主要由測控箱、控制主機(jī)、走行小車、加載小車、驅(qū)動電機(jī)、張緊機(jī)構(gòu)等組成。測控箱主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)走行控制、數(shù)據(jù)采集與傳輸、左右側(cè)加載動作控制；控制主機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與處理、線路要素錄入、數(shù)據(jù)優(yōu)化處理與分析、報表生成等任務(wù)；走行小車為系統(tǒng)承載和測量基準(zhǔn)主體；加載小車主要負(fù)責(zé)輔助測量、加載等工作。

軌道偏差測量小車搭載于搗固車前端底部托架上，如圖3所示。搗固車控制系統(tǒng)操作其收放。

圖3 前端軌道偏差測量小車搭載方式

1.2 測量原理

在搗固車前端搭載具備自走行功能的軌道偏差測量小車，采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量原理［9-11］，實時精確檢測前端軌道偏差測量小車在軌道線路上的空間運行路徑，通過姿態(tài)修正和空間換算得到軌道線路的空間軌跡，如圖4所示。

圖4 測量原理

經(jīng)控制主機(jī)數(shù)據(jù)處理后即可獲取軌道線路的橫向和縱向偏差，融合傳感器測量技術(shù)，實現(xiàn)軌道幾何狀態(tài)檢測。前端軌道偏差測量小車檢測后，由數(shù)據(jù)處理軟件對軌道線路病害進(jìn)行處理分析，基于“最優(yōu)化調(diào)整量，消除軌道不平順”理念，對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合優(yōu)化處理，按固定里程間隔計算搗固車前端軌道偏差測量小車位置的平面和高程調(diào)整量。

1.3 技術(shù)參數(shù)及特點

1.3.1 技術(shù)參數(shù)

前端軌道偏差測量小車最大檢測效率5 km/h，最大工作時長4 h，車架質(zhì)量不大于300 kg，工作電壓48 V，工作溫度-20～+50 ℃。軌道內(nèi)部幾何參數(shù)及其示值誤差見表1。里程累積誤差為±2‰。

表1 軌道內(nèi)部幾何參數(shù)及其重復(fù)性偏差 mm

1.3.2 技術(shù)特點

搗固車前端軌道偏差測量系統(tǒng)主要有兩大技術(shù)特點：

1）測量與大型養(yǎng)路機(jī)械搗固作業(yè)同步

為提高大型養(yǎng)路機(jī)械數(shù)字化搗固作業(yè)質(zhì)量，需按固定里程間隔逐點提供方向、縱向高低、橫向水平值。檢測天窗與搗固作業(yè)天窗錯開，甚至相差數(shù)十天。搗固車前端軌道偏差測量系統(tǒng)自動、快速檢測軌道幾何參數(shù)，并且可以選取不同的平順性指標(biāo)，智能進(jìn)行線型優(yōu)化，對實測偏差進(jìn)行優(yōu)化擬合，指導(dǎo)搗固車作業(yè)。

2）作業(yè)質(zhì)量復(fù)測

大型養(yǎng)路機(jī)械數(shù)字化搗固作業(yè)后，搗固車前端軌道偏差測量小車進(jìn)行復(fù)測，快速檢測軌向、高低、軌距、水平、扭曲等軌道幾何參數(shù)，參考軌道質(zhì)量指數(shù)（Track Quality Index，TQI）評價方法［12］，對搗固車作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行評價，為線路搗固作業(yè)后的開通提供技術(shù)支持。

1.4 實施步驟

第1步，進(jìn)入作業(yè)區(qū)間后，操作搗固車控制系統(tǒng)將前端軌道偏差測量小車放置于鋼軌上，前端軌道偏差測量小車自行對搗固作業(yè)區(qū)段進(jìn)行軌道線路線型與幾何參數(shù)檢測，見圖5（a）。

第2 步，搗固車軌道參數(shù)計算機(jī)將線路資料和參數(shù)信息通過無線傳輸模塊傳遞給前端軌道偏差測量小車，控制主機(jī)對軌道線路線型與幾何參數(shù)的檢測結(jié)果進(jìn)行處理分析，優(yōu)化軌道線路平面和高程線型，計算搗固車前端軌道偏差，通過無線傳輸模塊傳遞給軌道參數(shù)計算機(jī)，指導(dǎo)搗固車施工作業(yè)，見圖5（b）。

第3步，搗固車開始作業(yè)，見圖5（c）。

圖5 方案實施步驟

第4步，搗固作業(yè)完成后，前端軌道偏差測量小車自行至搗固車前端底部，完成施工區(qū)段軌道幾何參數(shù)的復(fù)測，操作搗固車控制系統(tǒng)收起前端軌道偏差測量小車，一起駛出作業(yè)區(qū)間，見圖5（d）。

2 方案試驗驗證

搗固車前端軌道偏差測量小車以4 km/h 的檢測速度，對非運營的長400 m 試驗區(qū)段進(jìn)行了多次快速測量，并自動計算出軌道線路平面坐標(biāo)和高程，以及軌向、高低、軌距、超高等軌道幾何參數(shù)。

測量結(jié)果見圖6?？梢缘玫剑呵岸塑壍榔顪y量小車實測軌道線路平面坐標(biāo)、高程、基準(zhǔn)軌軌向、基準(zhǔn)軌高低、軌距、超高的重復(fù)性偏差極值分別為5.5，4.3，0.8，0.6，0.4，0.3 mm，均能達(dá)到表1 所述檢測要求。

圖6 試驗區(qū)段3次檢測軌道幾何參數(shù)對比

3 結(jié)語

針對搗固車臨時維修作業(yè)依靠傳統(tǒng)檢測手段存在人工上道頻繁、效率低、勞動強度大等問題，提出了一種適用于臨時維修作業(yè)搗固車的前端軌道偏差自動測量技術(shù)方案。系統(tǒng)采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量原理，結(jié)合智能化、集成化測控技術(shù)，前端軌道偏差測量小車搭載于搗固車上同步進(jìn)出作業(yè)區(qū)間，根據(jù)測量結(jié)果指導(dǎo)搗固車精細(xì)化作業(yè)。該技術(shù)方案經(jīng)重復(fù)試驗充分驗證，測量效率和精度均能滿足搗固作業(yè)需求。