新一代双块式无砟轨道智能精调技术研究

杨建福

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 CRTS I双块式无砟轨道发展现状

随着我国高速铁路技术的不断发展，高速铁路无砟轨道在设计、施工、材料、施工装备等方面取得了一系列研究成果，形成CRTS I型板式、CRTS II型板式、CRTS III型板式、CRTS I型双块式、CRTS II型双块式及岔区无砟轨道成套技术，并在我国高速铁路建设中全面推广应用[1]。其中，CRTS I型双块式无砟轨道已经发展成为高速铁路无砟轨道结构主流形式之一，其铺设里程已达约6 850 km，占无砟轨道里程40%。

CRTS I型双块式无砟轨道技术发展主要经历了三个阶段：第一阶段为无砟轨道引进发展阶段，以武广、郑西为代表，其施工技术和成套装备主要以进口为主；第二阶段为消化吸收再创新阶段，以兰新、大西、贵广高铁为代表，主要形成了轨排框架法的主流施工模式；第三阶段为智能化无砟轨道发展阶段，以郑万高铁为代表，引领智能化无砟轨道施工发展趋势。

传统双块式无砟道床施工采用组合式轨排框架施工，精调作业时轨向与高程调节相互干扰，锁定工序繁琐，且耗费了大量人工，精调质量及精调时间不可控，不仅降低了精调效率，也增加了操作工人的劳动强度[2-3]。基于数据寻址技术和MBOX运动控制器+HS伺服驱动器运动控制技术，本文提出新一代CRTS I型双块式无砟轨道智能精调技术，研发了基于某型轨检小车测量系统的精调软件和精调机用于轨排自动化精调。

2 双块式无砟轨道精调技术应用现状

CRTS I型双块式无砟轨道施工精调是利用CPⅢ轨道控制网，通过全站仪+轨检小车测量比较轨排钢轨参数和线路设计参数，采用人工精调将二者差值调整至±0.5 mm范围。

第一代智能化精调机均采用自带测量系统配合全站仪进行精调作业，主要实现了精调作业不配置轨检小车和替代人工精调。精调机控制系统通过全站仪自动测量标架棱镜，经过工控机计算，伺服电机精密减速机通过万向伸缩传动轴传递精密转动调整，替代人工调整[4]。中铁第五勘察设计院集团有限公司研发的第一代智能精调机见图1所示。

图1 第一代智能精调机

智能精调机由测量系统、调整机构、无线通讯、行走机构等组成。测量系统包括：测量标架，莱卡全站仪，莱卡棱镜，测量软件。调整机构包括伺服电机+精密减速机、万向伸出传动轴和精调主体。行走机构四驱轨道遥控前进后退。

西安远景智能控制有限公司研发的TAS-4双块式轨排精调机器人见图2所示。精调机器人结合自动测量、智能控制、精密机械等技术，以机载电脑为核心，通过数据链路组成一个整体，操作高度自动化、无人化，以设备代替人工完成双块式无砟轨道轨排精调定位，提高了效率与精度，节省人力[5]。主要技术特点见下：

图2 TAS-4轨排精调机器人

(1)精调机器人自带棱镜，接收第三方精调软件的测量数据，全自动调整轨道的位置。

(2)测量软件与精调机器人之间采用无线信号传输数据，快捷准确。

(3)由两台设备成组工作，车体小型化，行走、收纳、防护灵活方便，不占用工作通道。

(4)每调整好一榀轨排，可以自动行走到下一榀轨排、需要人工辅助安装调整器。

(5)根据精调软件计算的误差值，逐次调整每榀轨排的8个精调螺杆，使轨排快速到位。

上述两种精调机自带轨道测量系统，通过自由设站和CPⅢ控制网来指导精调。精调机软件自带测量系统，能够输入线路的平、纵断面的设计坐标，通过精调机测量数据和输入的设计坐标对比，从而得出偏差，最终将偏差调整至±0.5 mm范围内。经测量验证，测量精度和轨检小车测量精度相差很小。但是，考虑测量仪器检定方便，同时施工单位测量队一般配有轨检小车，能够实现轨道施工测量，精调机的推广应用受到一定限制。

3 新一代双块式无砟轨道智能精调技术

鉴于传统轨道精调中存在精调作业时轨向与高程调节相互干扰等问题，研发了新型嵌套式轨排，通过设置内外套形式，实现了轨排的高程和中线单独调节而不互相干扰目标。同时，为充分利用轨检小车测量数据，基于数据寻址技术和MBOX运动控制器+HS伺服驱动器运动控制技术，研发了新一代智能精调系统和精调机。

3.1 新型嵌套式轨排

新型嵌套轨排由工具轨、组合托梁、高程螺杆、轨向螺杆和防护墙固定座等组成，如图3所示。组合托梁由内外套组成，内外套通过十字销轴在竖向螺杆处连接，内套相对外套可相对滑动而不影响竖向高程，可实现轨排的高程和中线单独调节而不互相干扰，通过调节左右两侧的高程螺杆调节轨排的左右高程，通过调整轨向螺杆调整轨排中线，消除了传统轨向调节器对混凝土面的损伤，轨排达到精度要求无须锁定。

图3 嵌套式轨排结构

3.2 双块式无砟轨道测量原理

双块式无砟轨道测量系统主要包含棱镜、轨检小车(GRP1000)、全站仪。双块式无砟轨道测量基本原理：全站仪实时测量轨检小车棱镜的三维坐标，然后结合标定的轨检小车几何参数、小车的定向参数、水平传感器所测得横向倾角和实测轨距，即可换算得出对应里程处线路的实测平面位置和轨面高程，通过与预先输入的线路设计参数进行比较，得到其偏差，从而用于指导轨道施工精调。

双块式无砟轨道测量原理见图4所示。棱镜安装在线路CPⅢ控制点上，用于确定轨检小车在线路中位置坐标；轨检小车主要用于测量铺设轨排钢轨参数(左轨高程、右轨高程、方向、轨距、三角坑、里程等数据)，其含有轨距传感器、超高传感器等，用于轨道几何参数测量。轨检小车配置一台军用笔记本，安装测量软件，测量软件预先输入线路的平、纵断面的数据，这样在线路中某一点的位置含有轨距、超高、高程等数据，测量软件自动将测量数据和线路设计数据进行对比，显示的偏差值用于指导轨排高程和方向数据的调整；同时，测量软件在采集数据界面对精调后的数据进行采集，以便道床板浇筑后测量数据复测对比。全站仪主要用于测量前后棱镜位置，和轨检小车棱镜配合，确定轨检小车位置[6-7]。

图4 双块式无砟轨道测量原理

3.3 新型轨排智能精调机

基于上述第一代精调机存在的测量数据问题，利用现有轨检小车硬件和软件系统，研发了能够实时读取数据的新型轨排智能精调机。新型智能精调机主要包括精调软件、伺服执行机构及自动控制系统，能够实现轨道测量数据自动读取，自动传输，满足随测随调，无须反复调整。

精调软件是一种集视窗操作系统、消息映射原理和子网络伺服运动控制算法于一体的创新型控制系统软件。该软件采用分布式控制系统结构，上层通过以太网总线UDP协议接收来自上位机的运动控制输入指令，运动控制层采用CAN总线对伺服电机进行控制。其核心技术是采用数据寻址技术找到安伯格小车测量数据存储地址，直接从数据地址中抽取数据，从而保证数据的准确率达到100%。精调软件工作原理如图5所示。

图5 精调软件工作原理

轨排智能精调软件控制界面如图6所示。其中，为实现抽取轨检小车测量数据，在测量数据窗口文字空白窗口输入新建的施工测量窗口名称；左轨、右轨和中心空白窗口会实时跟随轨检小车测量数据；精调作业时，可选择一键精调或先高程精调后横向精调作业模式。

精调机硬件部分主要由主结构和执行机构(伺服电机-减速器-万向传动轴)组成，执行机构包括横向调整机构和高程调整机构，见图7所示。

新型轨排精调机是将轨检小车放置在精调机“肚子”中，精调机能够带动轨检小车前进，实现走停-测量-精调作业。但是，整套设备需要人工辅助推行，无法实现自动走行。同时，施工作业时，测量人员需要将轨检小车搬入精调机内部，现场测量人员操作不便。

图6 控制界面 图7 新型轨排精调机

新型嵌套式轨排精调机主要解决嵌套式轨排精调无法自动走行和搬运轨检小车不便而研制。精调机配置自动走行系统，测量人员只需按钮操作精调机前进。精调机采用轨检小车前置式连接方式，测量人员只需将轨检小车摆放至精调机前方，放倒快连装置即可。具体操作流程为：首先，架设全站仪并摆放轨检小车；接着，设置全站仪参数并照准轨检小车棱镜；然后，将轨检小车推至精调机前方进行机械连接和网络连接；最后，设置精调软件窗口参数，操作精调机前进/后退进行精调作业。

4 结束语

现阶段，CRTSⅠ双块式无砟轨道智能精调机的逐步应用，在一定程度上实现了道床板施工减人工和降低工人劳动强度目标。但在实际应用中不可避免需要人工干预，例如，在螺杆对位时仍需要人工辅助，未实现全过程自动化施工。新一代智能精调机采用数据寻址技术和MBOX运动控制器+HS伺服驱动器运动控制技术，实现了测量数据读取准确率100%和伺服精准调节，有效地解决了现有无砟轨道人工精调耗时费力、误差大和效率低下等问题，提高了无砟轨道建造精度，降低了后续常规静态精调和动态精调时扣件更换率，具有广阔的应用前景和较大的推广应用价值。