CTRSⅢ型无砟轨道板智能快速精调设备

汪永平，苏雅拉图，陈宇超，杨建良

（1. 中国铁路上海局集团有限公司 苏州铁路工程建设指挥部，苏州 215100；2. 中铁三局集团有限公司 技术开发部，太原 030001；3. 中铁三局集团华东建设有限公司 工程管理部，南京 211106；4. 中国铁路设计集团有限公司 总包事业部，天津 300308）

我国通过科技攻关，对板式轨道生产、施工等工艺进行系统性试验及研究，研制出符合中国国情的CRTSⅢ型无砟轨道板。作为无砟轨道的一种特殊构件，CRTSⅢ型无砟轨道板是我国高速铁路具有代表性的自主知识产权科研成果之一，已大规模推广使用。

目前， CTRSⅢ型无砟轨道板的精调施工主要以人工为主[1]，存在施工成本高、效率低等问题。在我国高速铁路建设工程中，随着以CRTSⅢ型轨道板为主体结构的无砟轨道的广泛应用，施工中亟需使用一种全自动精调设备[2]，能够实现高效率、高精度的精调施工作业，在大幅降低人力投入的同时，更好地满足高速铁路对高平顺、高稳定无砟轨道的施工质量要求，保证施工工期，提高施工综合经济效益。

为此，研究开发了一种CRTSⅢ型无砟轨道板智能快速精调设备（简称：智能精调设备）。

1 人工精调作业过程及存在问题分析

1.1 人工精调作业过程

目前，在 CRTSIII型无砟轨道板的铺设过程中，精调施工[3]阶段采用人工使用扳手精调的作业方式，主要分为6个作业步骤[4]。

（1）粗定位：划线标出轨道板安装位置，采用木块做临时支撑，将轨道板吊装就位；

（2）安装精调爪[5]：拆下吊具，同时在安装吊具的位置上安装精调爪，替代木块提供支撑，然后撤除木块；

（3）测量坐标：司镜人员在待调轨道板的4个测点上安放全站仪[6]（一种智能型光电测量仪器）及其配件（含棱镜、标架）；通过蓝牙通信，将安装有布板软件[7]的便携计算机与全站仪建立连接；使用布板软件，控制全站仪测量轨道板上4个测点的坐标数据；布板软件读取全站仪测量数据；

（4）计算调整量：布板软件将测量数据与轨道板设计参数进行比较[8]，计算坐标精调数据，即每个测点需要调整的坐标数值；

（5）下达精调指令：司镜人员将坐标精调数据转换为精调指令，通过无线语音通讯设备，指挥工人进行调整作业；

（6）实施精调：按照精调指令，4名工人同时使用扳手配合作业，对轨道板进行精调。

1.2 存在的主要问题

无砟轨道板人工精调作业存在的主要问题如下。

（1）现场人员间信息传输量大：轨道板精调数据虽是由布板软件对全站仪测量数据处理后生成的，但须由司镜人员转化成口头精调指令，通过语音传输设备或隔空喊话方式，传达给工人；每次测量完成后，司镜人员向工人传达的精调指令多达6组以上，容易出现错误指令传达，或是工人听错或错误理解精调指令。

（2）精调精度差：司镜人员需将精调数据转换口头精调指令，即将单位为“mm”的度量长度转换为三维精调器应转动的“圈数”，致使人工精调作业方式下CRTSIII型轨道板调整精度受到限制，增加了精确铺设轨道板的难度。

（3）作业效率低：在按照精调指令进行操作的过程中，工人靠经验手动转动三维精调器调整螺杆的角度较为粗略，动作精度难以保证，且 4名工人难以保持动作同步，尤其是方向调整难度大，需反复多次测量和调整，才能达到精度要求（±0.3 mm），作业效率偏低，影响施工进度。

（4）劳动强度大：工人使用手动扳手转动三维精调器的丝杆，使轨道板产生位移，每块轨道板平均重达11 t，劳动强度大；工人经常还因为听错或理解错误精调指令，发生反向动作、动作量不足或过调等异常情况。

（5）不确定因素多：人工精调的精度和效率，完全依赖于司镜人员和工人的经验和熟练程度，当出现人员变动时，调整精度将受到严重影响。

2 智能精调设备的设计

2.1 设计目标

（1）实现空间坐标全自动化调整：利用数控技术，由智能精调设备控制全站仪完成轨道板坐标测量，与设计坐标对比后，计算出坐标调整量，并转换为驱动电机的转动参数，由驱动电机代替4名工人，自动完成轨道板精调作业。

（2）提高调整效率：人工调整作业的效率受到人和环境等因素的制约，难以大幅提高效率；智能精调设备通过软件实现一键操作，控制软件可将测量数据直接转换为控制驱动电机的转动参数，将精调工艺简化为设备安装、司镜人员测量与调整2个工序，消除了不利的人为因素，每块轨道板的精调时间缩短为6～8 min，大幅提高施工效率。

（3）提高调整精度：采用数控技术，通过迭代微调[9]，实现轨道板的高精度定位，显著提高调整精度，精度可达±0.2 mm。

（4）优化轨道板铺设流程：通过优化精调爪设计，使精调爪与吊具合二为一，吊具安装与拆除、木块支撑与移除等作业程序，轨道板起吊后即可直接就位。

（5）整体化及轻量化设计：设备的所有硬件组件集成在一个机柜内，采用便于操作的T型槽连接型式，安装时对准精调爪插槽，插入紧固即可[10]；通过轻量化设计，单台智能精调设备重量约15 kg，整体空间约300 mm×200 mm×160 mm，保证设备的机动性，节省人力。

2.2 设备构成

智能精调设备由硬件和精调软件构成，如图1所示。

图1 智能精调设备系统构成示意

智能精调设备的硬件主要包括控制主机和精调装置和5G通信[11]模块；安装精调软件的便携计算机通过5G通信与控制主机连接[12]，通过蓝牙通信与全站仪连接；精调软件通过串口通信与布板软件交换数据。智能精调设备的硬件主要由控制主机、精调装置和5G通信模块等组件构成。

精调软件为一组程序模块[13]，主要完成以下功能。

（1）数据接口模块：获取全站仪的测量数据，以及布板软件中轨道板设计数据。

（2）控制模块：依据获取的最新测量数据，计算轨道板坐标调整量，并将其转化为精调指令，发送给控制主机。

（3）操作模块：提供精调作业操作界面，依据控制模块计算的轨道板坐标调整量更新界面上的数据显示；根据精调进程，驱动便携计算机内置音箱发出操作提示音；精调设备工作时，其操作软件用户操作界面如图2所示。

图2 精调软件操作界面（工作状态）

（4）监测模块：监测精调装置运转情况，记录和查看设备日志。

2.3 工作过程

智能精调设备完成轨道板精调作业的具体工作过程如图3所示。

图3 智能精调设备工作过程示意

（1）准备工作：在进行精调前，先将智能精调设备的精调爪固定在轨道板上，驱动电机通过传力杆与精调爪连接；全站仪及其配件安装就位，棱镜应就近安装在精调爪附近；建立安装精调软件的便携计算机与全站仪的蓝牙通讯连接；精调软件从布板软件获取轨道板的设计坐标。

（2）计算转动参数：精调软件获取全站仪测量的轨道板坐标，与设计坐标进行对比，计算出坐标差值（即调整量）；将坐标差值转化为驱动电机的转动参数，并发送给控制主机。

（3）驱动电机预扭转：在正式工作前，驱动电机先自主进行预扭转，以消除传力杆、精调爪的非弹性变形。

（4）调整轨道板位置：控制主机按照转动参数，控制驱动电机开始扭转，带动传力杆将扭矩传递给精调爪的转动轴，通过精调爪三向转动轴的转动，对轨道板空间位置进行调整。

（5）驱动电机调整状态反馈：驱动电机完成当前精调指令后，将完工信息通过5G通讯模块反馈给控制主机，再由控制主机反馈给智能精调设备软件。

（6）精调结果复测：精调软件接收到驱动电机完工信息后，操控全站仪进行复测；若偏差超过0.2 mm，重复上述的流程进行轨道板微调，直至偏差不大于0.2 mm，即完成轨道板精调。

3 精调试验及设备优化

3.1 精调测试

根据现场常见的轨道板精调姿态，建立3个测试案例，每个测试案例各测试20次，并收集整理60组测试数据进行分析。具体测试案例中，轨道板上4个测点（分别对应棱镜一、二、三、四）的X、Y、Z轴分别表示轨道板的纵向、横向、竖向。

（1）第1组测试案例：将轨道板整体抬升2 mm，即将4个测点的Z值调整量设置为+2 mm，如图4所示。

图4 第1组精调测试案例

（2）第2组测试案例：将轨道板整体向右移动2 mm，即将4个测点的Y值调整量设置为+2 mm，如图5所示。

图5 第2组精调测试案例

（3）第3组试验案例：以轨道板中心为基点，将轨道板逆时针旋转2 mm，即将一、二号棱镜的Y值调整量设置为-2 mm，三、四号棱镜的Y值调整量设置为+2 mm，如图6所示。

图6 第3组精调测试案例

3.2 测试结论

整个精调过程仅需1名司镜人员，通过操作精调软件，即可完成轨道板精调作业。60组测试数据如表1所示。

表1 测试数据统计

由表1可知：

（1）调整完成后，较设计差值最小值均在0.2 mm范围内，一次精调操作平均用时均不超过8 min，智能精调设备的精调精度和效率达到设计要求。

（2）Z轴有轻微位移，其最大位移量-0.3 mm；Y轴位移较大，其最大位移量-0.6 mm；X轴位移最大，其最大位移量1.2 mm；说明智能精调设备在Z轴精调作业上精度最高，其次是Y轴，X轴精度最低。

（3）Z轴精调作业最长耗时7.3 min；Y轴精调作业最长耗时8.0 min；X轴精调作业最长耗时8.2 min，说明智能精调设备目前在X轴上的精调作业效率尚未达到设计要求，需进一步优化。

（4）第1、2组精调测试案例均为单方向精调，均在目标时间内完成测试，并达到目标调整值，单方向精调精度、效率较高；但在非调整方向有轻微偏移，分析认为精调爪安装完成后与轨道板不垂直，或调整过程中由于受力变化，导致调整方向与轨道板之间存在一个斜角，使得轨道板单向调整时，轨道板沿此斜角方向运动，从而导致非调整方向上的偏移量增大。

（5）第3组精调测试案例为多方向精调，其中有2次测试未能在目标时间内完成，极个别数据（占总数的2.91%）未达到目标调整值，但基本控制在0.5 mm范围内；经分析认为：在进行轨道板多方向调整时，因受力情况不断变化，传感器与轨道板侧面不再垂直，导致实际调整值与设计值不相符；另外，也有可能是传感器初始位置与轨道板不垂直，从而出现误差。如图7所示，黑色图形为处于设计位置的轨道板，传感器与轨道板侧面保持垂直，轨道板侧面距激光传感器距离为L2；红色图形为测试中轨道板的实际位置，此时传感器与轨道板侧面不再垂直，轨道板侧面距激光传感器距离为L1，由图7可知，L1与L2不相等。

图7 轨道板多方向调整位置变化示意

针对轨道板多方向精调，需进行受力分析，解决多方向调整的协调性问题，进一步提高轨道板精调精度及效率。

4 结束语

为解决CRTSIII无砟轨道板精调作业耗时费力、精度低的问题，运用数控技术、算法分析及系统集成等技术，研制了智能精调设备。该设备由硬件和精调软件构成；硬件采用整体化及轻量化设计，所有硬件部件集成在一个机柜内，机动性强，便于操作，节省人力；精调软件实现了与全站仪和布板软件的数据接口，自动完成精调控制，提供简单易用的精调操作界面和设备监测功能。使用该设备，整个精调过程仅需1名司镜人员，通过操作精调软件，即可完成轨道板精调作业；实现了轨道板精调作业从“人力”向“机械”，“人工”向“智能”的转变，实现了轨道板从初始数据测量、传输、与设计参数较差计算、轨道板精调全过程智能作业，有助于提升轨道板精调作业效率及质量。

目前，智能精调设备已在新建的盐通（盐城—南通）铁路上试用，相比人工精调作业，作业效率高，操作简便，实用性强。下一步，将根据设备在实际运行过程中存在的单方向精调中非调整方向偏移量增大、多方向精调效率不高等问题，开展深入研究，对持续设备进行优化完善。