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工务数字化大机捣固技术研究与应用

发表时间：2021/6/28 来源：《基层建设》2021年第6期作者：杨永涛

[导读] 摘要：目前国内对有砟线路平顺性控制一般有两种方式，一种是采用大机自身的测量系统进行平顺性控制，另一种是采用水准仪测量，然后人工excel拉坡计算，将起道数据标注在枕木上。

        大秦铁路股份有限公司太原南工务段山西省晋中市 030600
        摘要：目前国内对有砟线路平顺性控制一般有两种方式，一种是采用大机自身的测量系统进行平顺性控制，另一种是采用水准仪测量，然后人工excel拉坡计算，将起道数据标注在枕木上。这两种方式受作业人员经验水平、水准仪测量的局限性影响较大，效率低下，且劳动强度大，难以适应铁路提速扩容的新要求。因此，结合目前大机捣固作业具有的特点，依托0级轨道检查仪相对测量的方式采集数据，大机在将方案导入模板后对线路平顺性做捣固调整，提高大机作业效率、改变依靠人工水平数据测量的捣固方式，弥补大机自身测量系统不足，开发一种方便快捷准确的数字化捣固测量系统对于提高有砟线路维护作业效率具有重大意义。
        关键词：数字化；测量技术；捣稳模式；计算方式
        一、课题背景
        随着高速铁路的普及和既有线路提速改造不断推广和发展，列车提速及运载量的增加，控制轨道平顺对于确保运行线路的稳定和安全显得更为重要和突出。依靠精密的检测技术和方法对轨道几何状态进行检测，以及先进的轨道精调技术对轨道进行调整，已经成为有效控制轨道平顺状态的必要手段。
        大机设备在我国既有线路提速改造，完成大、中修及综合维修生产任务中得到广泛使用，对提高线路几何状态质量、延长线路维修周期、保证列车运行的舒适性和安全性等发挥了重要作用。目前，全国各铁路局工务系统正在进行用工制度的改革，正逐步形成以大机作业为主、人工作业为辅的综合维修能力。根据铁道部跨越式发展思路，工务实行养修分开，工务段主要负责线路保养和临修，逐步取消中修，广泛采用大型养路机械。大机作业在优化生产组织结构和减员增效工作中发挥了重要作用，是现在和未来既有线线路养护维修的主要方法和手段。
        目前国内对有砟线路控制平顺性一般有两种方式，一种是采用大机自身的测量系统进行平顺性控制，这种作业方式因大机自身测量系统固有缺陷，存在残余偏差，导致作业精度不够高，只能控制线路的大体不平顺性二种是采用水准仪测量，然后人工分析数据转换成大机专用VER文件，这种方式测量效率低下，且劳动强度大很难适应铁路提速及扩容的要求。所以在目前国内固有限制条件下，研究开发一种精度高，方便，快捷的配合工务大机数字化捣固作业综合测量系统对于有砟线路提速扩容、维修作业具有重要意义。
        二、主要研究内容
        1）基于长波平顺性的捣固起拨量优化算法研究
        研究基于弦测法的轨道平顺性控制方法。整合不同弦长控制条件，建立轨道精捣起拨量优化数学模型，采用最优化算法进行求解，得到轨道最优调整量。
        2）大机作业规律对捣固效果影响机制及起拨道优化研究
        分析大机作业特点、作业方法等因素对捣固效果的影响规律，形成综合因素影响下捣固起拨量优化算法。
        3）有砟无砟过渡段等特殊区段轨道捣固精调方案研究
        充分考虑特殊区段内线路偏差变化幅度较大、轨枕相互影响机制特殊等因素对轨道调整方案的影响效果，研究不同作业条件下轨道捣固精调方案。
        4）轨道捣固量分析软件自动化、智能化方法研究
        a.拔道量自动分析处理算法研究
        基于现有经验，综合考虑长短波进行拔道量自动分析，提升调整量自动优化效果，减少手动调整的工作量，使调后TQI更小，短波幅值更小。
        b.起道量整体抬道处理算法研究
        根据大机作业自身特点，作业时无法落道。但现有软件在自动出调整量时，会有落道，落道量近乎调整量的一半。因此，软件需要对高程调整量分析进行优化，使其满足大机作业。
        c.起道量局部落道区段自动处理算法研究
        即使进行了整体抬道处理，但仍有局部落道区段存在，软件需要对落道区段模块化心位置进行自动识别，结合局部落道区段自动处理算法，自动抬道处理。
        d.起道拔道关联影响分析与处理算法研究
        为提高大机作业效果，起道和拔道是相互关联的，起道量不足时，必然影响拔道效果。因此，需要建立起拔道关联影响模型，设立关联参数，优化起拔道量值。
        5）轨道捣固效果综合评估方法研究
        研究基于中长波的轨道质量评价方法，在时域和频域实现对轨道平顺性状态综合评价。
        三、技术方案及主要创新
        1、技术方案：
        以现有轨道检查仪数据采集与分析软件为主要基础和架构，实现数据读取和数据显示，在此基础上开发独立的大机作业数据分析系统。简化轨枕号列表及其打轨枕号的相关操作，增加自动轨枕标记，对手动调整功能进行算法优化，提高调后长波平顺性；对轨道起道量、拔道量自动化、智能化分析方法进行了研究，包括：拔道量自动分析处理算法研究；起道量整体抬道处理算法研究；起道量局部落道区段自动处理算法研究；起道拔道关联影响分析与处理算法研究。以提升内业工作效率，提高软件智能化为目标，从而更好地满足现场应用。
        2、创新点：
        1）基于轨道检查仪快速测量轨道几何状态，根据线路实际情况进行线形优化，提高数据利用率，使数据分析过程更加简单，全面和高效；
        2）结合大机作业实际，进行大机捣固量分析模型和算法研究，形成独特的、专业化的数据分析能力，提升数据分析效率和智能化程度，更好满足现场使用。
        四、现场实施
        1.工前准备
        补足石砟、精确改道、整治胶垫、整修扣件。特殊情况下优先完成曲线地段精确改道；道岔大机作业前还要优先申请天窗进行结合部整治，确保大机作业时尖轨、顶铁密贴，转辙部分轨向顺直。
        2.条件确认
        在测量里程与作业里程统一的条件下实施。平面曲线四大桩及竖曲线起终点位置进行准确核对标记，确保大机作业时里程同步、曲线同步。对道床、钢轨状态进行再确认，道床缺砟或钢轨波磨不具备作业条件时，严禁安排大机进行维修作业。
        3.设计顺车
        减少人为干预，致力于实现大机全过程计算机控制作业。完全实现大机过程计算机控制作业。已完全实现起收车顺坡及作业全过程计算机数据控制作业，完全杜绝了人工控制起拨道量造成作业误差。

        图1 设计顺车
        4.细化标准
        加载股确定以曲线或道岔直基本轨为基准，其中线路按照曲线进行单元划分，将曲线上股作为大机加载股。起道股根据轨检小车检测数据分析，将相对较高一股定为大机起道股。大机维修作业基本起道量根据轨检小车检查的病害峰值确定，基本起道量应大于高低、水平最大病害峰值，且不宜小于10mm。
        五、研究课题成果及预期效益
        1.成果：
        2020年太中线线捣全部采用0级轨道检查仪测量模式进行数字化大机捣固线路作业，随机对使用数字化捣固的54.00km线路效果分析，捣固后，动态TQI值平均下降2.25，降幅29.9%，作为对比，按照传统水平测量、拉坡计算起道量并采用“两捣一稳”方式的2019年3月份、4月份、5月份石太线线捣动态TQI值平均下降1.48、1.63、1.43，降幅分别为16.8%、20.5%、18.3%，采用数字化捣固模式效果是传统捣固模式的1.5倍以上，特别是在处理小高低病害方面，效果显著。对数字化捣固后地段捣固效果追踪分析，线路质量可以保持6个月以上，较传统捣固模式保持时间更长，经济效益明显。

        2.预期收益：
        工务大机数字化捣固作业综合测量系统为有砟铁路轨道的新建精捣、运营维护提供了一套完整的技术解决方案。有效的降低了操作难度，降低人工投入。功能丰富做到一机多用，数据更贴近实际情况、具备TQI功能、向下兼容具有相对测量功能的轨道检查仪，降低了设备投入。
        六、结束语
        针对传统大机捣固线路作业粗放，捣固后设备质量改善不显著问题，提出采用升级的0级轨检仪代替传统水准仪测量，提高测量精度及参数的全面性；起拨道量以0级轨检仪测量结果先控制长波、再控制短波、进而控制其余内部参数的自动化处理模式代替传统的受人为因素影响较大的“拉坡”计算；大机捣固方式以“捣-稳-捣”代替传统的“双捣一稳”。通过三方面的创新，极大的提高了大机作业效率及捣固后设备质量的保持时间，增加线路的捣固周期。数字化捣固技术可切实解决大机捣固线路作业粗放，设备TQI指标下降较少的问题，可持续创造可观的经济效益。