采用扣件弹条离缝测量技术实现轨道扣压力精确作业的探索

王德军 中国铁路上海局集团有限公司工务部

铁路轨道扣件系统作为轨道基础部件的重要组成部分，除了必须有一定的扣压力，能够承受来自钢轨的垂向力、横向力和纵向力的作用外，还起着保证轨道弹性的重要作用。特别是无砟轨道线路，轨道的弹性几乎完全来自钢轨扣件系统，无砟轨道的几何尺寸也依靠扣件系统来保持和调整。保持无砟轨道的弹性可有效减轻高速列车由于轮载变化、钢轨波磨、高频振动、环境影响等危及列车安全行车的干扰因素。铁路轨道扣件的规范安装作业，是钢轨扣压力和轨道弹性的根本保证，直接关系到列车高速运行的安全和舒适度。随着“人工智能”技术发展，智能作业检测设备必将大量取代繁重、低效的人工作业，提升安全保障度。现就采用扣件弹条离缝测量技术实现轨道扣压力精确作业进行初步探索。

1 现有轨枕扣件螺栓扳手作业机理上存在的问题

目前，轨道扣件系统的紧松基本采用轨枕螺栓机动板手，且对螺栓机动扳手设备的考核仍然是以控制扭矩的精度和一致性为主要指标，如TB/T 3099-2004《轨枕螺栓机动扳手通用技术条件》中规定的“C 型扳手扭矩精度达到±5%；B型扳手扭矩精度达到±10%”。但现有的扣件机动螺栓扳手（内燃机械式、内燃液压式、交流电动式），在作业机理上存在如下主要问题：

（1）现有扣件螺栓扳手主要通过机械弹簧或液压压力调节来控制最终的扭矩大小，由于控制原理本身的可变性，难以达到TB 标准要求的扭矩控制精度。一般作业后，往往需要通过人工测量弹条离缝和精密扭矩板手复拧核准（见图1、图2）。

图1 人工测量弹条离缝

图2 扭矩板手复拧扣件

（2）从螺栓扭矩和扣件弹条扣压力的关系看，由于线路上的扣件螺栓保养状态存在差异，螺栓的锈蚀程度和润滑状况造成螺纹阻力差异较大，螺栓扭矩与弹条扣压力之间原有的对应关系已经被螺纹的附加阻力打破了，即使螺栓扭矩到位也不代表弹条扣压力达标合格。

（3）至于冲击式扳手，虽然结构简单，使用轻便，但无法准确控制扭矩是它的主要缺点，稍有疏忽对预埋的尼龙螺套会产生极大的破坏性风险。

（4）扣件弹条在经过长时间的疲劳工作后，弹条的弹簧刚度系数会发生一定的变化，原设计的安装扭矩已不能满足弹条离缝间隙的要求，造成同样的弹条离缝间隙而扣压力明显下降，需对扣件系统进行更换。

总之，采用扭矩管理的办法并没有得到合理的扣压力。

2 控制扣件弹条离缝间隙确保弹条扣压力合格的现实意义

弹条的扣压力是由弹条变形产生的，根据《高速铁路无砟轨道线路维修规则》判断弹条是否安装到位的标准是以“弹条中部前端下颚与绝缘块不宜接触，两者间隙不得大于0.5 mm”。显而易见，衡量弹条扣件安装合格与否的标准，应该是以检查弹条离缝间隙为主。但由于缺乏能够检测离缝间隙和实现离缝间隙控制的专业设备，导致长期以来线路现场的作业和管理仍然落后于技术设计要求。根据对部分高铁线路抽检的结果，以弹条离缝间隙合格标准来衡量，合格率仅为60%左右。

随着高速铁路的快速发展，以“人工智能”、“大数据管理”、“自动化控制”为标志的现代化铁路管理体系开始建立起来，相应的技术支持与应用管理工作将陆续到位。为保证运输安全，尤其是高铁运输的舒适、平稳，线路质量精细化管理的要求越来越高，对于采用弹条扣件以离缝间隙为标准的安装作业势在必行。

3 实现弹条离缝检测和控制技术的技术路线分析

现有离缝检查一般通过目视或手工检查，效率低下且耗费人力，检测准确性也不能保证。要保证每组扣件的弹条离缝间隙都在合格状态，靠人工检查和修复是不可能完成的，必须发展专业的检测设备和作业设备。目前能够实现的途径主要有以下两条技术路线：

（1）开环控制系统路线

利用对扣件螺栓扭矩精密测量技术为基础，对弹条受压变形力学特性的全程实时监测，精确搜寻弹条中部前端下颚"接触瞬间"的扭矩曲线转折点，以此作为精确控制螺栓套筒的旋紧动作的基础，最终实现螺栓旋紧结束后弹条离缝间隙达到0.5 mm 以内的目标。经过大量的实际考验，在螺栓润滑良好情况下，离缝间隙合格率可以达到90%以上。但螺栓严重锈蚀或无润滑等情况下，因“扭矩曲线转折点”采样失真，因此离缝间隙合格率将明显下降。此控制原理本质上属于开环控制，毕竟受到螺栓扭矩变化采样质量的影响。

（2）闭环控制系统路线

采用精密激光检测技术对弹条离缝间隙进行实时采样，根据采样结果直接控制螺栓套筒的旋紧动作。以离缝间隙的变化精确控制螺栓套筒的旋紧动作，最终实现螺栓旋紧结束后弹条离缝间隙达到0.5 mm 以内的目标，此方法可称为闭环控制原理。从理论上讲，作业后的离缝间隙合格率可以达到100%，但技术难度较大，需要解决一些核心技术的实用问题，设备成本也较高。但随着相关技术的发展，激光检测技术必将在工务领域得到大量应用，扣件弹条离缝间隙的全自动闭环控制系统将是下一步发展的方向。

4 解决弹条离缝控制技术的现场实践

利用“锂电智能型螺栓扣件安装机”对扣件螺栓扭矩精确实时采样技术，全程监测弹条在受压变形过程中螺栓扭矩的变化而形成的“弹条离缝间隙开环控制技术”，已在各种不同的轨道结构现场试用了近一年时间，取得较丰富的实用经验，在大多数管理良好的线路，尤其在部分高铁新线的精调作业上，使用后离缝合格率（0.1 mm-1.0 mm）达到90%左右。

以线性激光扫描技术为核心的“弹条离缝检测小车”能够快速检测弹条离缝间隙，效率高，检测精度也较高，能够解决快速普查扣件的安装状况（见图3）。

正在开展的以激光扫描技术为基础的“扣件螺栓机器人技术”，将立足于“以弹条离缝间隙的实时采样直接控制螺栓套筒的旋紧动作”为核心，融合“激光检测”、“北斗卫星定位”、“激光图像识别”等技术，实现对弹条离缝间隙的自动检测、修复、数据记录、信息传输等功能，真正实现无人操作的“自动检测作业一体化机器人”，将每次“检测-修复”的结果直接汇入大数据管理系统，以提高作业效率，保障作业精度，是最终目标。

图3 弹条离缝检测小车

5 发展前景展望

近年来以“大数据”、“自动化”为特征的“人工智能”技术爆发式发展。2019 年8 月份在北京主办的“2019 世界机器人大会”上700 多款各种功能的机器人精彩亮相，预示着我国机器人技术即将进入实用推广阶段。与之配套的“激光检测”、“卫星定位”、“图像识别”、“电驱动控制”等技术日趋实用化、市场化，为机器人技术的发展提供了良好的基础条件。

我国现代化铁路建设也必将是“人工智能机器人”应用的一个巨大市场，利用“智能型机器人”来解决工务领域的自动检测、状态修复中的数据记录、存储、查询等，逐步替代目前繁重且不太可靠的人工作业，一定不是遥远的梦想，而是近在眼前的美好前景。