高 貴

（武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司 湖北武漢 430212）

1 引言

雙塊式無砟軌道自引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新以來，施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)復(fù)測(cè)不及時(shí)、混凝土澆筑擾動(dòng)等造成無砟軌道返工的現(xiàn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可控，實(shí)時(shí)上傳，減小扣件更換率［2］，實(shí)現(xiàn)施工過程智能化、信息化和質(zhì)量的可追溯性。

2 一體化底座板及自動(dòng)整平機(jī)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(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)模板和兩端各一塊調(diào)整模板組成，每塊標(biāo)準(zhǔn)模板沿縱向設(shè)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(jī)提供軌道基礎(chǔ)，中間設(shè)置兩個(gè)調(diào)高機(jī)構(gòu)檢查澆筑完成的底座板斷面［3］。頂部設(shè)置走行鋼軌調(diào)高裝置，用于調(diào)整其軌頂標(biāo)高。支護(hù)固定系統(tǒng)主要用于縱向模板的固定及調(diào)節(jié)［4］。

為實(shí)現(xiàn)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(diào)技術(shù)，將機(jī)械化設(shè)備與施工現(xiàn)場(chǎng)的CPⅢ測(cè)量控制網(wǎng)實(shí)時(shí)結(jié)合在一起，施工時(shí)全站儀測(cè)量的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口經(jīng)無線藍(lán)牙模塊與底座板自動(dòng)整平機(jī)實(shí)時(shí)通訊。底座板自動(dòng)整平機(jī)預(yù)先存儲(chǔ)該條線路的設(shè)計(jì)值，分析全站儀發(fā)來的數(shù)據(jù)后，自動(dòng)追蹤、指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行軌跡，通過自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)底座板整平縱向標(biāo)高、橫向微動(dòng)位移尺寸。

3 智能化自動(dòng)分枕平臺(tái)研究

智能化自動(dòng)分枕平臺(tái)由機(jī)架、分枕小車、軌道系統(tǒng)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能控制系統(tǒng)等組成。11臺(tái)分枕小車相互獨(dú)立、互不干涉，均可實(shí)現(xiàn)單動(dòng)，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(nèi)，整機(jī)自動(dòng)勻枕時(shí)間可在1 min之內(nèi)完成，具有平穩(wěn)、準(zhǔn)確、高效、安全和連續(xù)工作能力，實(shí)現(xiàn)了分枕自動(dòng)化、智能化，提高了軌排組裝效率。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在：

（1）控制集成處理，采用兩個(gè)一拖四驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)一拖三驅(qū)動(dòng)器，合成驅(qū)動(dòng)11個(gè)伺服電機(jī)，減少電控柜體積，減少布線，降低電控柜的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，優(yōu)化控制系統(tǒng)、減少故障率。

（2）利用伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)扭矩自動(dòng)回零，取消了11個(gè)回零行程開關(guān)，走線22根，減少現(xiàn)場(chǎng)故障率、減少布線數(shù)量。

（3）所有電控系統(tǒng)采用IP65防護(hù)等級(jí)，保證現(xiàn)場(chǎng)施工正常工作。

（4）針對(duì)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(dú)拖柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)分枕平臺(tái)自動(dòng)勻枕和不同間距軌枕的精準(zhǔn)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(hù)墻固定座、鎖定裝置等組成。組合托梁體由內(nèi)外套組成，內(nèi)外套通過十字銷軸在豎向螺桿處連接，內(nèi)套相對(duì)外套可相對(duì)滑動(dòng)而不影響豎向高程，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)約實(shí)效。通過軌向調(diào)節(jié)撐桿調(diào)整軌排中線，消除傳統(tǒng)軌排對(duì)混凝土面的損害［5］。

根據(jù)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(nèi)外套滑動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)軌向調(diào)整，徹底顛覆此前軌道幾何形位調(diào)整的固有思維，采用軌向與高程獨(dú)立調(diào)節(jié)［7］，配合智能化精調(diào)機(jī)的使用，大大縮短了道床施工中的精調(diào)工序施作時(shí)間。

圖1、圖2為施工中的某一跨32 m橋梁上嵌套式軌排測(cè)量的軌向及軌距數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)測(cè)量值（單位：mm）

圖2 某跨32 m梁軌排上的軌距數(shù)據(jù)測(cè)量值（單位：mm）

5 混凝土自動(dòng)振搗機(jī)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(shí)間全憑操作工經(jīng)驗(yàn)掌握，導(dǎo)致振搗不足或過振，影響混凝土振搗質(zhì)量［8］?；炷磷詣?dòng)振搗機(jī)（見圖3）可根據(jù)軌枕間距設(shè)定，完成軌枕間混凝土振搗，振搗時(shí)間通過PLC編程控制，針對(duì)不同坍落度的混凝土調(diào)整振搗參數(shù)，有效避免混凝土振搗不足或過振現(xiàn)象。設(shè)備具有數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能，能夠?qū)崿F(xiàn)振搗時(shí)間、頻率、插入深度等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和上傳功能?？刹捎酶叻直媛首詣?dòng)辨識(shí)系統(tǒng)，提高施工效率［9］。設(shè)備配置減振裝置，對(duì)精調(diào)后的軌排影響??；適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(jī)三維渲染圖

6 軌排精調(diào)機(jī)器人研究

軌排精調(diào)機(jī)器人（見圖4）集成全站儀自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、無線通訊、精密機(jī)械于一體，以機(jī)載電腦為核心，配備精確伺服系統(tǒng)為執(zhí)行器，并且以獨(dú)特軌上行駛與擺臂結(jié)構(gòu)，解決了移動(dòng)與裝卸的難題，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。與Amberg測(cè)量小車復(fù)測(cè)誤差在±0.3 mm之內(nèi)。

圖4 軌排精調(diào)機(jī)器人

施工前將設(shè)計(jì)線形數(shù)據(jù)分別輸入全站儀、智能化軌排精調(diào)機(jī)手簿軟件系統(tǒng)，全站儀通過現(xiàn)場(chǎng)CPⅢ點(diǎn)位棱鏡完成自由設(shè)站后設(shè)為自動(dòng)測(cè)量模式，將全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)由無線通訊系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送至精調(diào)機(jī)器人控制系統(tǒng)，通過計(jì)算分析，將精調(diào)數(shù)據(jù)及精調(diào)動(dòng)作指令發(fā)送至精調(diào)機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)，根據(jù)控制系統(tǒng)的精調(diào)數(shù)據(jù)及精調(diào)動(dòng)作指令驅(qū)動(dòng)軌排支撐架調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成對(duì)軌排各點(diǎn)高程和軌向的精確調(diào)整［10］。

智能精調(diào)系統(tǒng)主要由執(zhí)行系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)構(gòu)成。測(cè)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(shù)據(jù)及信息指令采用無線方式進(jìn)行傳輸?？刂葡到y(tǒng)是精調(diào)機(jī)器人的核心，由數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)計(jì)算分析軟件、工控軟件、通訊軟件等多個(gè)模塊組成。測(cè)量系統(tǒng)由ATR全站儀、棱鏡、棱鏡桿及CPⅢ預(yù)埋套筒等組成?？刂茰y(cè)量系統(tǒng)中的全站儀可自由建站、自動(dòng)照準(zhǔn)棱鏡、自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量；無線通訊模塊可實(shí)現(xiàn)全站儀與精調(diào)機(jī)器人、全站儀與后臺(tái)管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)相互傳輸。執(zhí)行端由兩臺(tái)智能精調(diào)機(jī)器人組成，合作完成對(duì)每榀軌排的精調(diào)。

7 道岔自動(dòng)精調(diào)機(jī)研究

道岔自動(dòng)精調(diào)機(jī)（見圖5）是岔區(qū)高程定位螺桿的自動(dòng)調(diào)節(jié)作業(yè)設(shè)備，分硬件和軟件兩部分。

圖5 道岔自動(dòng)精調(diào)機(jī)

硬件部分主要由精調(diào)機(jī)主結(jié)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（伺服電機(jī)—減速器—萬向傳動(dòng)軸）組成，包括車架和高程調(diào)整系統(tǒng)等部件。軟件部分主要是自動(dòng)精調(diào)軟件和下位機(jī)控制系統(tǒng)，精調(diào)軟件采用數(shù)據(jù)地址讀取方式精確傳輸調(diào)整數(shù)據(jù)，可以完全兼容目前施工測(cè)量系統(tǒng)（安伯格精調(diào)小車），使精調(diào)作業(yè)不受人為干擾。精調(diào)機(jī)調(diào)整系統(tǒng)包括3個(gè)伺服電機(jī)及減速機(jī)能滿足精調(diào)要求，自動(dòng)讀取安伯格全自動(dòng)精調(diào)機(jī)的數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整、無縫連接，工人只負(fù)責(zé)安裝套筒，大幅度減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和人為因素影響。道岔精調(diào)精度可達(dá)到≤0.5 mm。

精調(diào)機(jī)和軌檢小車嵌套使用，精調(diào)機(jī)系統(tǒng)能夠讀取軌檢小車測(cè)量數(shù)據(jù)，需要調(diào)整的數(shù)據(jù)發(fā)送到固定傳動(dòng)軸或手持式精調(diào)機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。采用電機(jī)—減速器—萬向傳動(dòng)軸傳動(dòng)方式，解決了人工調(diào)整精度不足的問題；采用萬向傳動(dòng)軸進(jìn)行螺桿調(diào)整，能夠適應(yīng)一定半徑范圍的螺桿調(diào)整，同時(shí)軌道內(nèi)側(cè)的螺桿可采用手持式精調(diào)機(jī)進(jìn)行精調(diào)作業(yè)［11］。

道岔自動(dòng)精調(diào)機(jī)控制系統(tǒng)（見圖6）采用C＋＋語言進(jìn)行編程，是一種集視窗操作系統(tǒng)、消息映射原理和子網(wǎng)絡(luò)伺服運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)，上層通過以太網(wǎng)總線UDP協(xié)議接收來自上位機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制輸入指令，運(yùn)動(dòng)控制層采用CAN總線對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制。其核心技術(shù)是采取數(shù)據(jù)讀取程序流讀取安伯格小車測(cè)量數(shù)據(jù)保存地址，直接從數(shù)據(jù)地址中抽取數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

8 無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人研究

無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人（見圖7）利用現(xiàn)有先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)、自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，以快捷、可靠、精確的方式代替人工檢測(cè)承軌臺(tái)測(cè)量數(shù)據(jù)。

無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人可自動(dòng)測(cè)量，數(shù)據(jù)鏈路、伺服控制、調(diào)節(jié)動(dòng)作、自動(dòng)行走控制過程完全達(dá)到預(yù)設(shè)的目的，調(diào)整精度可達(dá)到±0.3 mm。實(shí)現(xiàn)承軌臺(tái)自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)計(jì)算每個(gè)承軌臺(tái)位置所需要的調(diào)高墊片厚度和軌距擋塊規(guī)格，統(tǒng)計(jì)出調(diào)整墊板的采購(gòu)清單，同時(shí)生成墊板安裝文件，為后續(xù)扣件預(yù)安裝以及軌道精調(diào)提供依據(jù)，降低精調(diào)成本。

BMR-3型全自動(dòng)承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人由自行式車體、可升降檢測(cè)模具、控制系統(tǒng)等組成。車體采用麥克納姆輪系，作為機(jī)器人的行駛驅(qū)動(dòng)、姿態(tài)調(diào)整的部件，麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)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(duì)機(jī)器人行駛方向帶來的誤差，BMR-3型全自動(dòng)承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人8個(gè)麥克納姆輪，可保證同時(shí)至少有6個(gè)車輪與板面可靠接觸，使機(jī)器人能夠平穩(wěn)快速地從一個(gè)軌枕位置行駛到下一個(gè)軌枕位置。

無砟軌道成型道床承軌臺(tái)全自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)包括自動(dòng)控制與機(jī)電一體化技術(shù)及自動(dòng)測(cè)量技術(shù)，其快速測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人快速測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人集中了精密機(jī)械、機(jī)電一體化、無線數(shù)據(jù)傳輸、遙控、自動(dòng)測(cè)量等技術(shù)，采用了模糊控制理論、PID算法、伺服控制算法等理論，將機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制、全站儀測(cè)量有機(jī)地結(jié)合在一起，高效、高精度地完成了承軌臺(tái)位置誤差的全面檢測(cè)，填補(bǔ)了無砟軌道施工過程中的技術(shù)空白。

9 結(jié)束語

依托鄭萬高鐵湖北段項(xiàng)目，立足于無砟軌道施工的關(guān)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(shù)據(jù)不可控等重大技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)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(guó)高鐵智能建造、智慧鐵路提供了有效的技術(shù)支撐，進(jìn)一步推動(dòng)了高速鐵路的智能化及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。