高 貴

(武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000)

無(wú)砟軌道相對(duì)有砟軌道具有高平滑度[1]，雙塊式無(wú)砟軌道型式已成為設(shè)計(jì)首選的軌道結(jié)構(gòu)形式[2-4]。目前，雙塊式無(wú)砟軌道道床板施工存在施工效率低、自動(dòng)化及智能化程度低、施工精度不足的問(wèn)題。鄭萬(wàn)高速鐵路(湖北段)在吸取以往施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了自動(dòng)分枕平臺(tái)、新型嵌套式軌排、軌排粗鋪機(jī)、智能精調(diào)機(jī)(軌排精調(diào)機(jī)器人)、無(wú)砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人等設(shè)備，形成了雙塊式無(wú)砟軌道道床板自動(dòng)化施工物流組織模式和道床板流水作業(yè)法施工技術(shù)，提升了施工效率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可控、實(shí)時(shí)上傳；提高軌道施工精度，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程智能化、信息化和質(zhì)量的可追溯性。

1 雙塊式無(wú)砟軌道道床板施工工藝流程

無(wú)砟軌道道床板施工工藝流程如圖1所示。

2 自動(dòng)分枕平臺(tái)散枕(勻枕)施工技術(shù)

2.1 自動(dòng)分枕平臺(tái)組成

自動(dòng)分枕平臺(tái)(如圖2所示)主要由機(jī)架、勻枕小車、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及智能控制系統(tǒng)組成。自動(dòng)分枕平臺(tái)共有11臺(tái)分枕小車，每臺(tái)分枕小車相互獨(dú)立，互不干涉。11臺(tái)分枕小車均可實(shí)現(xiàn)單動(dòng)，可滿足各種不同軌枕間距需求。

2.2 工作原理

鋪裝機(jī)組將軌枕安放在自動(dòng)分枕平臺(tái)勻枕小車后，操作人員通過(guò)智能控制系統(tǒng)的人機(jī)界面輸入線路里程數(shù)據(jù)及軌排型號(hào)，數(shù)據(jù)通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳送至勻枕小車，勻枕小車根據(jù)輸入線路里程數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)勻枕。軌枕就位后，系統(tǒng)限位固定裝置自動(dòng)啟動(dòng)將軌枕位置進(jìn)行鎖定。

圖1 雙塊式無(wú)砟軌道道床板施工工藝流程

圖2 自動(dòng)分枕平臺(tái)

2.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

(1)操作簡(jiǎn)單。只需在智能控制系統(tǒng)的人機(jī)界面輸入相關(guān)信息，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)勻枕；且智能化操作系統(tǒng)只需一次錄入?yún)?shù)，無(wú)須反復(fù)錄入。

(2)精度高。通過(guò)智能控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)按線路里程數(shù)據(jù)均勻布枕，能有效的將誤差控制在3 mm以內(nèi)[5]，大大提升了軌排安裝精度，從而提升道床板施工精度。

(3)功效高。一般分枕施工需要3～5 min，且精度不易控制；利用自動(dòng)分枕施工技術(shù)分枕可在1 min內(nèi)完成[5]，大大提升了整體施工效率。

(4)自動(dòng)化程度高。從布枕到分枕，整個(gè)過(guò)程以自動(dòng)化設(shè)備為主，人工為輔，自動(dòng)化程度高，有效避免了人為操作誤差因素的干擾。

(5)經(jīng)濟(jì)效果好。一般每工作面至少配置施工人員6～8名進(jìn)行人工分枕，從布枕到分枕耗時(shí)長(zhǎng)，存在人為誤差干擾大、精度不易控制、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。

通過(guò)自動(dòng)分枕施工可將每工作面施工人員壓縮至4～5名，從布枕到分枕整個(gè)過(guò)程以施工機(jī)械操作為主、人工為輔，具有人為誤差干擾小、精度受控、生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。

3 新型嵌套式軌排組裝和粗鋪技術(shù)

3.1 軌排組裝技術(shù)

新型嵌套式軌排架主要包括：工具軌、嵌套式托梁體、高程調(diào)節(jié)器、軌向調(diào)節(jié)器、鎖定裝置(如圖3所示)。嵌套式托梁體由內(nèi)、外梁體組成。工具軌嵌于內(nèi)梁，內(nèi)梁嵌于外梁，內(nèi)外梁間通過(guò)銷軸連接，梁間可通過(guò)銷軸與銷口間的間隙，通過(guò)托梁內(nèi)外套滑動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)軌向調(diào)整，不影響豎向高程調(diào)節(jié)。

傳統(tǒng)軌排鎖定方式需在混凝土面鉆孔進(jìn)行兩側(cè)支撐加固，造成混凝土面損害、線間物流通過(guò)能力障礙、施工效率低。新型嵌套式軌排架通過(guò)優(yōu)化新型嵌套式軌排鎖定裝置，將鎖定裝置設(shè)置于防護(hù)墻側(cè)、托梁體頂部，減少了線路中部斜支撐，進(jìn)而改善線路施工環(huán)境，提高線間物流通過(guò)能力，同時(shí)降低了傳統(tǒng)軌排對(duì)混凝面的損害。通過(guò)在新嵌套式軌排架設(shè)置智能化自動(dòng)軌道精調(diào)設(shè)備相應(yīng)接口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)軌道精調(diào)。新型嵌套式軌排架通過(guò)設(shè)置角度調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)軌排的角度調(diào)整，以滿足曲線超高段無(wú)砟軌道施工[6]。

圖3 新型嵌套式軌排

3.2 軌排粗鋪技術(shù)

軌排粗鋪機(jī)是雙塊式無(wú)砟軌道軌排粗鋪工序的專用設(shè)備，用于替代原來(lái)的人工吊運(yùn)、鋪設(shè)，主要包括：運(yùn)輸系統(tǒng)、初鋪設(shè)系統(tǒng)和控制軟件系統(tǒng)。

軌排粗鋪機(jī)具有軌排變頻運(yùn)輸和初鋪設(shè)功能，實(shí)現(xiàn)了軌排自動(dòng)抓取、自動(dòng)運(yùn)輸和自動(dòng)精確定位。相比于傳統(tǒng)施工工藝，具有高程、中線、里程控制準(zhǔn)確，質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)省人工、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)[6]。

4 自動(dòng)精調(diào)施工技術(shù)

4.1 智能精調(diào)機(jī)和軌排精調(diào)機(jī)器人組成

智能精調(diào)機(jī)和軌排精調(diào)機(jī)器人(如圖4、圖5所示)是軌排精調(diào)定位的關(guān)鍵設(shè)備，其集成全站儀自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、無(wú)線通訊、精密機(jī)械于一體，以機(jī)載電腦為核心、精確伺服系統(tǒng)為執(zhí)行器，可快速、精確地驅(qū)動(dòng)軌排螺桿，對(duì)軌排高程、中線進(jìn)行精確定位。主要包括測(cè)量系統(tǒng)、精調(diào)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及自動(dòng)控制系統(tǒng)。

圖4 智能精調(diào)機(jī) 圖5 軌排精調(diào)機(jī)器人

4.2 工作原理

新型嵌套式軌排智能化接口結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。施工前將設(shè)計(jì)線型數(shù)據(jù)分別輸入全站儀、智能精調(diào)機(jī)(軌排精調(diào)機(jī)器人)手簿軟件系統(tǒng)，智能精調(diào)機(jī)(軌排精調(diào)機(jī)器人)通過(guò)全站儀實(shí)時(shí)讀取精調(diào)機(jī)上的棱鏡數(shù)據(jù)，發(fā)送至精調(diào)系統(tǒng)[7]；精調(diào)系統(tǒng)通過(guò)讀取實(shí)際數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)量進(jìn)行對(duì)比，確定調(diào)整量；精調(diào)系統(tǒng)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出信號(hào)，進(jìn)行自動(dòng)精調(diào)，直至達(dá)到精度要求，從而完成對(duì)軌排各點(diǎn)高程和軌向的精確調(diào)整。

圖6 新型嵌套式軌排智能化接口

4.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

精調(diào)系統(tǒng)為聯(lián)動(dòng)作業(yè)，有效避免單點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)整對(duì)周邊數(shù)據(jù)的影響。能確保精調(diào)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高施工效率，大大縮短道床施工中精調(diào)工序施作時(shí)間[8]。同時(shí)，精調(diào)系統(tǒng)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸，上傳至管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息化管理。相比于傳統(tǒng)施工工藝，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)高程、中線控制準(zhǔn)確，質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)省人工，工作效率高。

(2)伺服精調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，重量輕，方便人工安裝。

(3)精調(diào)精度高，高程、中線精度能達(dá)到0.1 mm。

(4)軌排精調(diào)效率是傳統(tǒng)人工效率的2倍。

(5) 智能精調(diào)機(jī)(軌排精調(diào)機(jī)器人)2臺(tái)可組成一個(gè)機(jī)組。多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)可同時(shí)調(diào)節(jié)中線與高程偏差，就位時(shí)使用遙控器操作，方便可靠。

5 承軌臺(tái)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集技術(shù)

5.1 承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人構(gòu)成

無(wú)砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人(如圖7、圖8所示)主要由全向自行式運(yùn)載小車、測(cè)量模具、智能控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等構(gòu)成。

注：數(shù)字控制器、數(shù)傳電臺(tái)、陀螺儀、傾角傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等都安裝在車體內(nèi)

圖8 無(wú)砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人實(shí)況

5.2 工作原理及技術(shù)操作流程

道床板施工完成后，采用無(wú)砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人對(duì)軌枕承軌臺(tái)平面和高程數(shù)據(jù)進(jìn)行全自動(dòng)檢測(cè)和采集。

作業(yè)步驟為：①將線路文件導(dǎo)入車載電腦、CPⅢ控制網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入全站儀。②通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)CPⅢ點(diǎn)全站儀完成自由設(shè)站，組裝無(wú)砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人，將其擺放至待測(cè)區(qū)道床板上左右2個(gè)承軌臺(tái)中間位置，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，機(jī)器人完成自動(dòng)校核。③承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人對(duì)軌枕承軌臺(tái)平面和高程數(shù)據(jù)進(jìn)行全自動(dòng)檢測(cè)和采集。④承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成線形數(shù)據(jù)后，結(jié)合軌道平順性要求對(duì)軌道軌向、高低[8-9](基線長(zhǎng)(48a)、基線長(zhǎng)(480a))、軌距[10]、軌距變化率等軌道幾何參數(shù)進(jìn)行平順性分析和模擬，計(jì)算每個(gè)承軌臺(tái)位置所需要調(diào)整扣件(軌下微調(diào)墊板、軌距擋塊、絕緣軌距塊等)的規(guī)格，得出每個(gè)承軌臺(tái)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)扣件的調(diào)整量。⑤軟件系統(tǒng)根據(jù)調(diào)整量大小，結(jié)合絕緣軌距塊、軌距擋板、軌下墊板和軌下微調(diào)墊板的使用原則，自動(dòng)生成每個(gè)承軌臺(tái)各調(diào)整扣件的材料配置計(jì)劃表(即采購(gòu)清單)和對(duì)應(yīng)承軌臺(tái)的扣件安裝作業(yè)表。

5.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

無(wú)砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人具有在軌道板上自動(dòng)行走、自動(dòng)調(diào)整機(jī)身位置、自動(dòng)準(zhǔn)確定位、自動(dòng)升降模具等功能，解決了標(biāo)準(zhǔn)扣件的材料浪費(fèi)、施工效率低、工期長(zhǎng)、扣件更換率[11]和施工成本居高不下的問(wèn)題。與傳統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)扣件方案相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)無(wú)砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人可自動(dòng)啟停行走、自動(dòng)導(dǎo)向、智能精準(zhǔn)定位，能高效、高精度地完成承軌臺(tái)位置誤差的全面檢測(cè)。

(2)采用無(wú)砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人測(cè)量每班施工人員減少3人，單塊無(wú)砟軌道板測(cè)量時(shí)間減少8.5 min，每個(gè)工作日多檢測(cè)450 m，工效提升2.3倍，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(3)可大幅降低長(zhǎng)軌精調(diào)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)扣配件的更換率和長(zhǎng)軌精調(diào)的工作量。

6 結(jié)束語(yǔ)

鄭萬(wàn)高鐵(湖北段)通過(guò)研發(fā)運(yùn)用自動(dòng)分枕平臺(tái)、新型嵌套式軌排、軌排粗鋪機(jī)、智能精調(diào)機(jī)、無(wú)砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人等設(shè)備及施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)分枕、智能精調(diào)，長(zhǎng)軌鋪設(shè)前對(duì)每個(gè)承軌臺(tái)扣件的精準(zhǔn)配置和安裝，大大提升了雙塊式無(wú)砟軌道道床板施工速度、精度，減少了人員的投入，應(yīng)用效果良好。該技術(shù)在高速鐵路CRTS雙塊式無(wú)砟軌道施工方面具有廣闊的應(yīng)用前景。