談有砟鐵路連續(xù)卸砟控制系統(tǒng)
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摘要：為解決有砟鐵路施工過程中卸砟作業(yè)測量誤差大、卸砟精度低、卸砟操作難等實際問題，設(shè)計并實現(xiàn)了有砟鐵路連續(xù)卸砟控制系統(tǒng)。通過道床斷面測量系統(tǒng)與卸砟系統(tǒng)的研發(fā)與整合，實現(xiàn)配砟機械作業(yè)的智能化與自動化，從而提高配砟精度，避免道砟浪費，減少勞動力投入，降低施工成本，對中國鐵路項目建設(shè)具有一定的實用價值。
關(guān)鍵詞：有砟鐵路；卸砟作業(yè)；道床；鐵路測量
在有砟鐵路[1-2]的施工過程中，道砟施工是其中一項重要的工作。能否快速的補充道砟關(guān)系到工程的進度；能否精確補砟做到不盈虧、不重復(fù)倒運更是與經(jīng)濟效益直接相關(guān)。目前，有砟軌道卸砟車施工技術(shù)仍存在很多不足：①人工調(diào)查，靠經(jīng)驗判斷道床道砟盈虧數(shù)量，施工精細化不足、隨機性大、誤差率高，現(xiàn)場過量補砟現(xiàn)象頻發(fā)；②人工對照現(xiàn)場比對卸砟里程定位精度低、配砟地點偏差大，導(dǎo)致后期小范圍倒運費用增加；③人工經(jīng)驗控制風(fēng)門大小，現(xiàn)場配砟無法做到具體量化控制；④現(xiàn)場需要專職人員比對里程，控制風(fēng)門，專業(yè)的配砟車也需要5人以上配合才可以作業(yè)，作業(yè)功效低，配砟速度慢。
1總體思路
有砟鐵路連續(xù)卸砟控制系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)是針對于卸砟車在道床上的卸砟是將卸砟車在軌道上連續(xù)行駛，針對整條補砟線路，根據(jù)測量獲得的缺省道砟量實現(xiàn)卸砟車連續(xù)行駛中的同步卸砟。系統(tǒng)包含道床斷面測量系統(tǒng)與自動化卸砟系統(tǒng)。道床斷面測量系統(tǒng)通過道床斷面實時掃描，缺失道砟[3]數(shù)量實時計算，為連續(xù)作業(yè)卸砟車提供實時數(shù)據(jù)支撐。自動化卸砟系統(tǒng)是通過風(fēng)動卸砟車卸砟傳動系統(tǒng)的電動改造實現(xiàn)卸砟的自動化、精確化。
2系統(tǒng)設(shè)計
道砟測量系統(tǒng)采用激光掃描儀進行道砟斷面輪廓掃描，計算每一里程道床斷面的道砟盈虧量。將設(shè)計的線路標準道床輸入道砟測量系統(tǒng)。隨著卸砟車前進，通過固定在卸砟車上的激光掃描儀掃描前進過程中的現(xiàn)有道床輪廓線，并與設(shè)計的道砟斷面對比，通過積分實時計算出各里程段道砟的初步數(shù)量。在掃描儀的頻率200幀/s，卸砟車時速10km/h情況下，掃描的理論步長可以達到1.3cm。道砟計算模型的誤差改正內(nèi)容主要是通過軌道類型計算出每公里高出道心道砟面的枕木、鋼軌體積，修正最終的道砟數(shù)量。軌道類型按照P60鋼軌、III型軌枕、1667根/km計算每公里改正值為30.109m3。
2.1風(fēng)動卸砟車
[4]道砟自卸系統(tǒng)將風(fēng)動卸砟車卸砟系統(tǒng)傳動裝置進行電動改造，拆除原風(fēng)控的氣缸傳動系統(tǒng)，加裝電機與車門杠桿連接控制底門開關(guān)。導(dǎo)入測量的道砟量進入道砟自卸系統(tǒng)，自卸系統(tǒng)通過行車速度與該區(qū)域道砟補充量控制車輛卸砟門開口的大小、數(shù)量，從而做到精確補充道砟。自卸系統(tǒng)的原理是：①自動化測量系統(tǒng)，快速精確測量道砟盈虧量；②根據(jù)道砟盈虧量，考慮車速影響，經(jīng)過計算可得出在相應(yīng)里程卸砟車車門的開合量，將該開合量轉(zhuǎn)算成異形螺母在絲桿上所對應(yīng)的位置；③根據(jù)絲桿的導(dǎo)程，計算出異形螺母由閉合狀態(tài)下運行至指定位置，絲桿需要旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)；④根據(jù)絲桿旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)、減速機減速比，計算出步進電機需要旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)；⑤步進電機是根據(jù)輸入信號的脈沖數(shù)來進行運行，可根據(jù)步進電機旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，計算出步進電機的脈沖數(shù)量。自卸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于風(fēng)動卸砟車卸砟系統(tǒng)傳動裝置的改造以及參數(shù)調(diào)整、自卸軟件的編輯及修正（風(fēng)動卸砟車傳動部分簡圖如圖1）。
3主要功能實現(xiàn)
卸砟車是由機車牽引若干車廂，各車廂具有各自獨立的自動卸砟口，在機車前端設(shè)置斷面掃描儀，利用斷面掃描儀對于處在機車前端下方的道床斷面進行掃描，并根據(jù)掃描信息計算獲得所在斷面的缺省道砟量，在機車內(nèi)設(shè)置有里程計；對于卸砟車在道床上的卸砟是以卸砟車在軌道上連續(xù)行駛，根據(jù)測量獲得的缺省道砟量實現(xiàn)同步卸砟。所述控制方法按如下步驟進行：步驟1：作業(yè)前的數(shù)據(jù)采集①根據(jù)卸砟車的結(jié)構(gòu)尺寸，計算獲得所述斷面掃描儀及各車廂卸砟口與里程計之間的相對里程；②線路線形資料的采集。根據(jù)設(shè)計資料獲得各里程段的設(shè)計道床結(jié)構(gòu)，所述道床結(jié)構(gòu)包括：道床頂寬、道床厚度、道岔邊坡坡度和道床砟尖堆高尺寸，所述道床結(jié)構(gòu)是由道床斷面上八個特征點的相對坐標值所表征；設(shè)置道床的相對坐標系的原點O為線路鋼軌的中心點。如圖2所示，八個特征點分別是特征點a、b、c、d、e、f、g以及特征點h；其中，特征點a和特征點h為路肩延伸點，特征點b和特征點g為道床砟腳，特征點c和特征點f為道床砟尖，特征點d和特征點e用于描述枕木槽道砟線。c、測定各車廂卸砟口的開啟過程和關(guān)閉過程的耗時，按照補砟預(yù)設(shè)定的機車最大行駛速度，確定卸砟單元的長度s；③將卸砟車每節(jié)車廂的道砟數(shù)量分別存儲，建立道砟存量數(shù)據(jù)庫；所述道砟存量數(shù)據(jù)庫隨著卸砟作業(yè)同步更新；步驟2：卸砟作業(yè)①將卸砟車由機車牽引至卸砟起點，將里程計調(diào)整為卸砟起點的鐵路里程；根據(jù)斷面掃描儀及各車廂卸砟口與里程計之間的相對里程，計算獲得斷面掃描儀及各車廂卸砟口的絕對里程；②根據(jù)里程計測定當前機車速度v，根據(jù)當前機車速度v計算獲得在當前機車速度v下，單個車廂卸砟口針對長度為s的一個卸砟單元的最大卸砟量N；③道砟測量[5]道砟測量是隨著機車的行駛，由斷面掃描儀進行實施掃描，利用掃描獲得的實際道床結(jié)構(gòu)，將所述實際道床結(jié)構(gòu)與設(shè)計道床結(jié)構(gòu)進行比較，從而確定所在斷面需要補充道砟的截面面積，通過積分計算獲得一個卸砟單元的缺省道砟量M；其中設(shè)計道床的結(jié)構(gòu)是由道床斷面上八個特征點的相對坐標值所表征，實際道床截面是由斷面掃描儀所獲取的實際反射回的點位組成的道床外輪廓線。④確定卸砟車廂的數(shù)據(jù)及車廂號根據(jù)一個卸砟單元的缺省道砟量M與單個車廂在一個卸砟單元的最大卸砟量N計算獲得參與對應(yīng)卸砟單元進行卸砟的車廂數(shù)量P；根據(jù)每個車廂內(nèi)實有道砟數(shù)量和所述車廂數(shù)量P計算獲得參與對應(yīng)卸砟單元進行卸砟的各車廂編號；⑤卸砟當參與卸砟的車廂卸砟口到達卸砟單元位置時，開啟卸砟口，在本卸砟單元的卸砟后，根據(jù)下一卸砟單元的卸砟量判斷卸砟與否。
4結(jié)論
有砟鐵路連續(xù)卸砟控制系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了卸砟車在軌道上連續(xù)行駛，針對整條補砟線路，根據(jù)測量獲得的缺省道砟量實現(xiàn)同步卸砟[6]，極大地提高了施工效率。通過斷面掃描儀設(shè)置，卸砟區(qū)域及卸砟數(shù)量是根據(jù)采集數(shù)據(jù)計算獲得，極大地提高了補砟精度，減少了卸砟不均產(chǎn)生的人工倒運道砟的費用，增加了經(jīng)濟效益。通過控制模塊，利用計算機進行數(shù)據(jù)處理，最終控制卸砟口的自動啟閉，實現(xiàn)全過程自動，極大地減少了人力消耗，提高線路施工的自動化程度。
參考文獻
[1]TB10601-2009,高速鐵路工程測量規(guī)范[S].[2]TB10101-2018,鐵路工程測量規(guī)范[S].
[3]CN202719977U,一種鐵路線路道砟清篩橫向水平的檢測系統(tǒng)[P].
[4]趙加亮.淺述鐵路軌道施工中風(fēng)動卸砟車裝卸砟安全技術(shù)措施[J].黑龍江科技信息,2014(06):147.
作者：徐欽國 單位：中國中鐵四局集團有限公司
