关于有砟铁路连续卸砟控制系统分析

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摘要：为解决有砟铁路施工过程中卸砟作业测量误差大、卸砟精度低、卸砟操作难等实际问题，设计并实现了有砟铁路连续卸砟控制系统。通过道床断面测量系统与卸砟系统的研发与整合，实现配砟机械作业的智能化与自动化，从而提高配砟精度，避免道砟浪费，减少劳动力投入，降低施工成本，对中国铁路项目建设具有一定的实用价值。

关键词：有砟铁路；卸砟作业；道床；铁路测量

在有砟铁路[1-2]的施工过程中，道砟施工是其中一项重要的工作。能否快速的补充道砟关系到工程的进度；能否精确补砟做到不盈亏、不重复倒运更是与经济效益直接相关。目前，有砟轨道卸砟车施工技术仍存在很多不足：①人工调查，靠经验判断道床道砟盈亏数量，施工精细化不足、随机性大、误差率高，现场过量补砟现象频发；②人工对照现场比对卸砟里程定位精度低、配砟地点偏差大，导致后期小范围倒运费用增加；③人工经验控制风门大小，现场配砟无法做到具体量化控制；④现场需要专职人员比对里程，控制风门，专业的配砟车也需要5人以上配合才可以作业，作业功效低，配砟速度慢。

1总体思路

有砟铁路连续卸砟控制系统的设计实现是针对于卸砟车在道床上的卸砟是将卸砟车在轨道上连续行驶，针对整条补砟线路，根据测量获得的缺省道砟量实现卸砟车连续行驶中的同步卸砟。系统包含道床断面测量系统与自动化卸砟系统。道床断面测量系统通过道床断面实时扫描，缺失道砟[3]数量实时计算，为连续作业卸砟车提供实时数据支撑。自动化卸砟系统是通过风动卸砟车卸砟传动系统的电动改造实现卸砟的自动化、精确化。

2系统设计

道砟测量系统采用激光扫描仪进行道砟断面轮廓扫描，计算每一里程道床断面的道砟盈亏量。将设计的线路标准道床输入道砟测量系统。随着卸砟车前进，通过固定在卸砟车上的激光扫描仪扫描前进过程中的现有道床轮廓线，并与设计的道砟断面对比，通过积分实时计算出各里程段道砟的初步数量。在扫描仪的频率200帧/s，卸砟车时速10km/h情况下，扫描的理论步长可以达到1.3cm。道砟计算模型的误差改正内容主要是通过轨道类型计算出每公里高出道心道砟面的枕木、钢轨体积，修正最终的道砟数量。轨道类型按照P60钢轨、III型轨枕、1667根/km计算每公里改正值为30.109m3。2.1风动卸砟车。[4]道砟自卸系统将风动卸砟车卸砟系统传动装置进行电动改造，拆除原风控的气缸传动系统，加装电机与车门杠杆连接控制底门开关。导入测量的道砟量进入道砟自卸系统，自卸系统通过行车速度与该区域道砟补充量控制车辆卸砟门开口的大小、数量，从而做到精确补充道砟。自卸系统的原理是：①自动化测量系统，快速精确测量道砟盈亏量；②根据道砟盈亏量，考虑车速影响，经过计算可得出在相应里程卸砟车车门的开合量，将该开合量转算成异形螺母在丝杆上所对应的位置；③根据丝杆的导程，计算出异形螺母由闭合状态下运行至指定位置，丝杆需要旋转的圈数；④根据丝杆旋转的圈数、减速机减速比，计算出步进电机需要旋转的圈数；⑤步进电机是根据输入信号的脉冲数来进行运行，可根据步进电机旋转的圈数，计算出步进电机的脉冲数量。自卸系统的关键技术在于风动卸砟车卸砟系统传动装置的改造以及参数调整、自卸软件的编辑及修正（风动卸砟车传动部分简图如图1）。

3主要功能实现

卸砟车是由机车牵引若干车厢，各车厢具有各自独立的自动卸砟口，在机车前端设置断面扫描仪，利用断面扫描仪对于处在机车前端下方的道床断面进行扫描，并根据扫描信息计算获得所在断面的缺省道砟量，在机车内设置有里程计；对于卸砟车在道床上的卸砟是以卸砟车在轨道上连续行驶，根据测量获得的缺省道砟量实现同步卸砟。所述控制方法按如下步骤进行：步骤1：作业前的数据采集①根据卸砟车的结构尺寸，计算获得所述断面扫描仪及各车厢卸砟口与里程计之间的相对里程；②线路线形资料的采集。根据设计资料获得各里程段的设计道床结构，所述道床结构包括：道床顶宽、道床厚度、道岔边坡坡度和道床砟尖堆高尺寸，所述道床结构是由道床断面上八个特征点的相对坐标值所表征；设置道床的相对坐标系的原点O为线路钢轨的中心点。如图2所示，八个特征点分别是特征点a、b、c、d、e、f、g以及特征点h；其中，特征点a和特征点h为路肩延伸点，特征点b和特征点g为道床砟脚，特征点c和特征点f为道床砟尖，特征点d和特征点e用于描述枕木槽道砟线。c、测定各车厢卸砟口的开启过程和关闭过程的耗时，按照补砟预设定的机车最大行驶速度，确定卸砟单元的长度s；③将卸砟车每节车厢的道砟数量分别存储，建立道砟存量数据库；所述道砟存量数据库随着卸砟作业同步更新；步骤2：卸砟作业①将卸砟车由机车牵引至卸砟起点，将里程计调整为卸砟起点的铁路里程；根据断面扫描仪及各车厢卸砟口与里程计之间的相对里程，计算获得断面扫描仪及各车厢卸砟口的绝对里程；②根据里程计测定当前机车速度v，根据当前机车速度v计算获得在当前机车速度v下，单个车厢卸砟口针对长度为s的一个卸砟单元的最大卸砟量N；③道砟测量[5]道砟测量是随着机车的行驶，由断面扫描仪进行实施扫描，利用扫描获得的实际道床结构，将所述实际道床结构与设计道床结构进行比较，从而确定所在断面需要补充道砟的截面面积，通过积分计算获得一个卸砟单元的缺省道砟量M；其中设计道床的结构是由道床断面上八个特征点的相对坐标值所表征，实际道床截面是由断面扫描仪所获取的实际反射回的点位组成的道床外轮廓线。④确定卸砟车厢的数据及车厢号根据一个卸砟单元的缺省道砟量M与单个车厢在一个卸砟单元的最大卸砟量N计算获得参与对应卸砟单元进行卸砟的车厢数量P；根据每个车厢内实有道砟数量和所述车厢数量P计算获得参与对应卸砟单元进行卸砟的各车厢编号；⑤卸砟当参与卸砟的车厢卸砟口到达卸砟单元位置时，开启卸砟口，在本卸砟单元的卸砟后，根据下一卸砟单元的卸砟量判断卸砟与否。

4结论

有砟铁路连续卸砟控制系统的设计，实现了卸砟车在轨道上连续行驶，针对整条补砟线路，根据测量获得的缺省道砟量实现同步卸砟[6]，极大地提高了施工效率。通过断面扫描仪设置，卸砟区域及卸砟数量是根据采集数据计算获得，极大地提高了补砟精度，减少了卸砟不均产生的人工倒运道砟的费用，增加了经济效益。通过控制模块，利用计算机进行数据处理，最终控制卸砟口的自动启闭，实现全过程自动，极大地减少了人力消耗，提高线路施工的自动化程度。

参考文献

[1]TB10601-2009,高速铁路工程测量规范[S].[2]TB10101-2018,铁路工程测量规范[S].

[3]CN202719977U,一种铁路线路道砟清筛横向水平的检测系统[P].

[4]赵加亮.浅述铁路轨道施工中风动卸砟车装卸砟安全技术措施[J].黑龙江科技信息,2014(06):147.

[5]ATunnelCross-SectionDeformationDetectionSystemBasedOnLaserR-angingTechnology／Measurement&ControlTechnology，2010，29（5）

[6]ADiscreteElementSimulationOfHig-h-SpeedRailwayBallastVibration/Co-mputationalMechanics，2015(5).

作者:徐钦国 单位:中国中铁四局集团有限公司