采用扣件彈條離縫測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)軌道扣壓力精確作業(yè)的探索

王德軍 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司工務(wù)部

鐵路軌道扣件系統(tǒng)作為軌道基礎(chǔ)部件的重要組成部分，除了必須有一定的扣壓力，能夠承受來自鋼軌的垂向力、橫向力和縱向力的作用外，還起著保證軌道彈性的重要作用。特別是無砟軌道線路，軌道的彈性幾乎完全來自鋼軌扣件系統(tǒng)，無砟軌道的幾何尺寸也依靠扣件系統(tǒng)來保持和調(diào)整。保持無砟軌道的彈性可有效減輕高速列車由于輪載變化、鋼軌波磨、高頻振動(dòng)、環(huán)境影響等危及列車安全行車的干擾因素。鐵路軌道扣件的規(guī)范安裝作業(yè)，是鋼軌扣壓力和軌道彈性的根本保證，直接關(guān)系到列車高速運(yùn)行的安全和舒適度。隨著“人工智能”技術(shù)發(fā)展，智能作業(yè)檢測(cè)設(shè)備必將大量取代繁重、低效的人工作業(yè)，提升安全保障度。現(xiàn)就采用扣件彈條離縫測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)軌道扣壓力精確作業(yè)進(jìn)行初步探索。

1 現(xiàn)有軌枕扣件螺栓扳手作業(yè)機(jī)理上存在的問題

目前，軌道扣件系統(tǒng)的緊松基本采用軌枕螺栓機(jī)動(dòng)板手，且對(duì)螺栓機(jī)動(dòng)扳手設(shè)備的考核仍然是以控制扭矩的精度和一致性為主要指標(biāo)，如TB/T 3099-2004《軌枕螺栓機(jī)動(dòng)扳手通用技術(shù)條件》中規(guī)定的“C 型扳手扭矩精度達(dá)到±5%；B型扳手扭矩精度達(dá)到±10%”。但現(xiàn)有的扣件機(jī)動(dòng)螺栓扳手（內(nèi)燃機(jī)械式、內(nèi)燃液壓式、交流電動(dòng)式），在作業(yè)機(jī)理上存在如下主要問題：

（1）現(xiàn)有扣件螺栓扳手主要通過機(jī)械彈簧或液壓壓力調(diào)節(jié)來控制最終的扭矩大小，由于控制原理本身的可變性，難以達(dá)到TB 標(biāo)準(zhǔn)要求的扭矩控制精度。一般作業(yè)后，往往需要通過人工測(cè)量彈條離縫和精密扭矩板手復(fù)擰核準(zhǔn)（見圖1、圖2）。

圖1 人工測(cè)量彈條離縫

圖2 扭矩板手復(fù)擰扣件

（2）從螺栓扭矩和扣件彈條扣壓力的關(guān)系看，由于線路上的扣件螺栓保養(yǎng)狀態(tài)存在差異，螺栓的銹蝕程度和潤(rùn)滑狀況造成螺紋阻力差異較大，螺栓扭矩與彈條扣壓力之間原有的對(duì)應(yīng)關(guān)系已經(jīng)被螺紋的附加阻力打破了，即使螺栓扭矩到位也不代表彈條扣壓力達(dá)標(biāo)合格。

（3）至于沖擊式扳手，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用輕便，但無法準(zhǔn)確控制扭矩是它的主要缺點(diǎn)，稍有疏忽對(duì)預(yù)埋的尼龍螺套會(huì)產(chǎn)生極大的破壞性風(fēng)險(xiǎn)。

（4）扣件彈條在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的疲勞工作后，彈條的彈簧剛度系數(shù)會(huì)發(fā)生一定的變化，原設(shè)計(jì)的安裝扭矩已不能滿足彈條離縫間隙的要求，造成同樣的彈條離縫間隙而扣壓力明顯下降，需對(duì)扣件系統(tǒng)進(jìn)行更換。

總之，采用扭矩管理的辦法并沒有得到合理的扣壓力。

2 控制扣件彈條離縫間隙確保彈條扣壓力合格的現(xiàn)實(shí)意義

彈條的扣壓力是由彈條變形產(chǎn)生的，根據(jù)《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》判斷彈條是否安裝到位的標(biāo)準(zhǔn)是以“彈條中部前端下顎與絕緣塊不宜接觸，兩者間隙不得大于0.5 mm”。顯而易見，衡量彈條扣件安裝合格與否的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該是以檢查彈條離縫間隙為主。但由于缺乏能夠檢測(cè)離縫間隙和實(shí)現(xiàn)離縫間隙控制的專業(yè)設(shè)備，導(dǎo)致長(zhǎng)期以來線路現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)和管理仍然落后于技術(shù)設(shè)計(jì)要求。根據(jù)對(duì)部分高鐵線路抽檢的結(jié)果，以彈條離縫間隙合格標(biāo)準(zhǔn)來衡量，合格率僅為60%左右。

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，以“人工智能”、“大數(shù)據(jù)管理”、“自動(dòng)化控制”為標(biāo)志的現(xiàn)代化鐵路管理體系開始建立起來，相應(yīng)的技術(shù)支持與應(yīng)用管理工作將陸續(xù)到位。為保證運(yùn)輸安全，尤其是高鐵運(yùn)輸?shù)氖孢m、平穩(wěn)，線路質(zhì)量精細(xì)化管理的要求越來越高，對(duì)于采用彈條扣件以離縫間隙為標(biāo)準(zhǔn)的安裝作業(yè)勢(shì)在必行。

3 實(shí)現(xiàn)彈條離縫檢測(cè)和控制技術(shù)的技術(shù)路線分析

現(xiàn)有離縫檢查一般通過目視或手工檢查，效率低下且耗費(fèi)人力，檢測(cè)準(zhǔn)確性也不能保證。要保證每組扣件的彈條離縫間隙都在合格狀態(tài)，靠人工檢查和修復(fù)是不可能完成的，必須發(fā)展專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備和作業(yè)設(shè)備。目前能夠?qū)崿F(xiàn)的途徑主要有以下兩條技術(shù)路線：

（1）開環(huán)控制系統(tǒng)路線

利用對(duì)扣件螺栓扭矩精密測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)彈條受壓變形力學(xué)特性的全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，精確搜尋彈條中部前端下顎"接觸瞬間"的扭矩曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)，以此作為精確控制螺栓套筒的旋緊動(dòng)作的基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)螺栓旋緊結(jié)束后彈條離縫間隙達(dá)到0.5 mm 以內(nèi)的目標(biāo)。經(jīng)過大量的實(shí)際考驗(yàn)，在螺栓潤(rùn)滑良好情況下，離縫間隙合格率可以達(dá)到90%以上。但螺栓嚴(yán)重銹蝕或無潤(rùn)滑等情況下，因“扭矩曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)”采樣失真，因此離縫間隙合格率將明顯下降。此控制原理本質(zhì)上屬于開環(huán)控制，畢竟受到螺栓扭矩變化采樣質(zhì)量的影響。

（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)路線

采用精密激光檢測(cè)技術(shù)對(duì)彈條離縫間隙進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，根據(jù)采樣結(jié)果直接控制螺栓套筒的旋緊動(dòng)作。以離縫間隙的變化精確控制螺栓套筒的旋緊動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)螺栓旋緊結(jié)束后彈條離縫間隙達(dá)到0.5 mm 以內(nèi)的目標(biāo)，此方法可稱為閉環(huán)控制原理。從理論上講，作業(yè)后的離縫間隙合格率可以達(dá)到100%，但技術(shù)難度較大，需要解決一些核心技術(shù)的實(shí)用問題，設(shè)備成本也較高。但隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，激光檢測(cè)技術(shù)必將在工務(wù)領(lǐng)域得到大量應(yīng)用，扣件彈條離縫間隙的全自動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)將是下一步發(fā)展的方向。

4 解決彈條離縫控制技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

利用“鋰電智能型螺栓扣件安裝機(jī)”對(duì)扣件螺栓扭矩精確實(shí)時(shí)采樣技術(shù)，全程監(jiān)測(cè)彈條在受壓變形過程中螺栓扭矩的變化而形成的“彈條離縫間隙開環(huán)控制技術(shù)”，已在各種不同的軌道結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)試用了近一年時(shí)間，取得較豐富的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)，在大多數(shù)管理良好的線路，尤其在部分高鐵新線的精調(diào)作業(yè)上，使用后離縫合格率（0.1 mm-1.0 mm）達(dá)到90%左右。

以線性激光掃描技術(shù)為核心的“彈條離縫檢測(cè)小車”能夠快速檢測(cè)彈條離縫間隙，效率高，檢測(cè)精度也較高，能夠解決快速普查扣件的安裝狀況（見圖3）。

正在開展的以激光掃描技術(shù)為基礎(chǔ)的“扣件螺栓機(jī)器人技術(shù)”，將立足于“以彈條離縫間隙的實(shí)時(shí)采樣直接控制螺栓套筒的旋緊動(dòng)作”為核心，融合“激光檢測(cè)”、“北斗衛(wèi)星定位”、“激光圖像識(shí)別”等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈條離縫間隙的自動(dòng)檢測(cè)、修復(fù)、數(shù)據(jù)記錄、信息傳輸?shù)裙δ埽嬲龑?shí)現(xiàn)無人操作的“自動(dòng)檢測(cè)作業(yè)一體化機(jī)器人”，將每次“檢測(cè)-修復(fù)”的結(jié)果直接匯入大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以提高作業(yè)效率，保障作業(yè)精度，是最終目標(biāo)。

圖3 彈條離縫檢測(cè)小車

5 發(fā)展前景展望

近年來以“大數(shù)據(jù)”、“自動(dòng)化”為特征的“人工智能”技術(shù)爆發(fā)式發(fā)展。2019 年8 月份在北京主辦的“2019 世界機(jī)器人大會(huì)”上700 多款各種功能的機(jī)器人精彩亮相，預(yù)示著我國(guó)機(jī)器人技術(shù)即將進(jìn)入實(shí)用推廣階段。與之配套的“激光檢測(cè)”、“衛(wèi)星定位”、“圖像識(shí)別”、“電驅(qū)動(dòng)控制”等技術(shù)日趨實(shí)用化、市場(chǎng)化，為機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)條件。

我國(guó)現(xiàn)代化鐵路建設(shè)也必將是“人工智能機(jī)器人”應(yīng)用的一個(gè)巨大市場(chǎng)，利用“智能型機(jī)器人”來解決工務(wù)領(lǐng)域的自動(dòng)檢測(cè)、狀態(tài)修復(fù)中的數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)、查詢等，逐步替代目前繁重且不太可靠的人工作業(yè)，一定不是遙遠(yuǎn)的夢(mèng)想，而是近在眼前的美好前景。