CN113050529B - 一种适用于路轨变形的三维伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请属于一般的控制或调节系统领域，提供了一种适用于路轨变形的三维伺服控制系统，包括：监测分析模块、滑动板和调控模块，所述监测分析模块设置于所述路轨的轨枕上表面，能够对所述路轨的动态变化进行实时监测，获取所述路轨的动态变化信号，并根据所述路轨的动态变化信号生成调控指令并发送至所述调控模块；其中，所述路轨的动态变化包括所述路轨的差异沉降和/或水平错动；所述滑动板位于所述路轨所在的隧道结构体上，能够沿所述路轨的宽度方向移动；所述调控模块设置于所述滑动板上，且与所述路轨的轨枕下表面抵接，能够根据所述监测分析模块发送的所述调控指令，对所述路轨的差异沉降和/或水平错动进行调控。

Description

一种适用于路轨变形的三维伺服控制系统

技术领域

本申请属于一般的控制或调节系统技术领域，特别涉及一种适用于路轨变形的三维伺服控制系统。

背景技术

我国隧道工程的建设比数年前有明显增加，工程当中不可避免会遇到各种地质条件较差的施工环境，铁路路轨系统作为隧道施工过程及使用过程中非常重要的关键环节，在隧道工程中铁路路轨的使用量也是非常庞大的，铁路路轨系统在受到围岩内应力和动荷载时产生的大变形会造成严重的工程灾害，尤其是在穿越断裂带广泛分布的区域，该区域的地震频率高、强度大且震源较浅，当活动断层发生错动时会导致隧道铁路轨道结构发生扭曲，对铁路运输的安全性造成严重危害。

目前，隧道施工过程中，在应对铁路路轨系统的变形时，处于被动，通常是在铁路路轨系统发生变形后进行人工维修，这种方式费时费力，而且工人在隧道变形条件下作业具有很大的风险。而且，在隧道铁路建成通车后，安全性更多的是由轨道交通结构直接影响而非围岩变形对隧道的影响，工人维修操作需要在铁路暂停运营时进行，无法确保维修调控的实时性。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本申请的目的在于提供一种适用于路轨变形的三维伺服控制系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请提供了一种适用于路轨变形的三维伺服控制系统，包括：监测分析模块、滑动板和调控模块，监测分析模块设置于路轨的轨枕上表面，能够对路轨的动态变化进行实时监测，获取路轨的动态变化信号，并根据路轨的动态变化信号生成调控指令并发送至调控模块；其中，路轨的动态变化包括路轨的差异沉降和/或水平错动；滑动板位于路轨所在的隧道结构体上，能够沿路轨的宽度方向移动；调控模块设置于滑动板上，且与路轨的轨枕下表面抵接，能够根据监测分析模块发送的调控指令，对路轨的差异沉降和/或水平错动进行调控。

优选的，监测分析模块包括：激光监测仪，激光监测仪设置在路轨上，用于对路轨的宽度方向和路轨的高度方向的空间位置进行实时监测，获取路轨的动态变化信号；数据处理器，数据处理器设置于路轨的轨枕下表面，且与激光监测仪通讯连接，能够根据路轨的动态变化信号生成调控指令并发送至调控模块。

优选的，调控模块包括：纵向伺服调控器，纵向伺服调控器沿路轨的高度方向设置，其中，纵向伺服调控器的下端连接于滑动板上，上端连接于路轨的轨枕上，能够根据调控指令对路轨的差异沉降进行调整；横向伺服调控器，横向伺服调控器沿路轨的宽度方向设置，其中，横向伺服调控器的一端与滑动板固定连接，另一端连接于路轨所在的隧道结构体上，能够根据调控指令对路轨的水平错动进行调整。

优选的，调控模块还包括：隔离垫块，隔离垫块有两个，一个隔离垫块位于纵向伺服调控器的上端与路轨的轨枕之间，另一个隔离垫块位于纵向伺服调控器的下端与路轨所在的隧道结构体之间；其中，隔离垫块包括：阻尼器和保护隔层，阻尼器位于保护隔层和纵向伺服调控器之间，用于对伺服调控器的调控动作进行支撑。

优选的，调控模块还包括：纵向导向轴，纵向导向轴与纵向伺服调控器并列设置，其中，纵向导向轴的上端通过十字伞形支架与路轨的轨枕连接，下端与路轨所在的隧道结构体连接。

优选的，纵向伺服调控器有多个，多个纵向伺服调控器沿纵向导向轴的周向均布；和/或，横向伺服调控器有多个，多个横向伺服调控器在路轨的宽度方向上两两对称布置。

优选的，滑动板通过底座设置于路轨所在的隧道结构体上，其中，底座上设有导轨，导轨沿路轨的宽度方向设置，且导轨与滑动板滑动连接。

优选的，调控模块根据监测分析模块发送的调控指令，对路轨的差异沉降和水平错动进行分级调控。

优选的，每段路轨对应设置一套监测分析模块和两套调控模块，其中，监测分析模块位于每段路轨的中部，两套调控模块分别位于每段路轨的两端。

优选的，适用于路轨变形的三维伺服控制系统还包括：预警模块，预警模块与监测分析模块通讯连接，响应于接收到监测分析模块根据动态变化信号发出的报警指令，对路轨的动态变化进行报警。

有益效果：

本申请实施例提供的技术方案中，通过监测分析模块对路轨的动态变化进行实时监测并分析，在确认路轨发生差异沉降和/或水平错动时，及时的向调控模块发出调控指令，由调控模块根据调控指令对路轨的差异沉降和/或水平错动进行自主调控，适应隧道岩体的大变形，籍此，将路轨受到隧道岩体变形后的被动支护转变为主动调整，使铁路路轨系统的运行更加安全可靠，延长了铁路路轨系统的使用寿命，保证了隧道铁路路轨系统在通车后安全可靠的运行。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：

图1为根据本申请的一些实施例提供的适用于路轨变形的三维伺服控制系统的示意图；

图2为根据本申请的一些实施例提供的适用于路轨变形的三维伺服控制系统与路轨安装的正视示意图；

图3为图2所示实施例中适用于路轨变形的三维伺服控制系统与路轨安装的侧视示意图；

图4为根据本申请的一些实施例提供的调控模块的结构示意图；

图5为根据本申请的一些实施例提供的十字伞形支架与纵向导向轴连接的结构示意图；

图6为根据本申请的一些实施例提供的十字伞形支架与纵向伺服调控器的结构示意图。

附图标记说明：

100-监测分析模块；200-调控模块；300-滑动板；400-底座；500-预警模块；600-十字伞形支架；

101-激光监测仪；102-数据处理器；

201-纵向伺服调控器；202-横向伺服调控器；203-纵向导向轴；204-隔离垫块；205-导轨。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本申请的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请而不是要求本申请必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。本申请中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1-图4所示，该适用于路轨变形的三维伺服控制系统包括：监测分析模块100、滑动板300和调控模块200，监测分析模块100设置于路轨的轨枕上表面，能够对路轨的动态变化进行实时监测，获取路轨的动态变化信号，并根据路轨的动态变化信号生成调控指令并发送至调控模块200；其中，路轨的动态变化包括路轨的差异沉降和/或水平错动；滑动板300位于路轨所在的隧道结构体上，能够沿路轨的宽度方向移动；调控模块200设置于滑动板300上，且与路轨的轨枕下表面抵接，能够根据监测分析模块100发送的调控指令，对路轨的差异沉降和/或水平错动进行调控。

在本申请实施例中，路轨的水平错动主要指路轨在宽度方向的位置变化，路轨的差异沉降主要指路轨在高度方向的位置变化。监测分析模块100设置在路轨的轨枕上表面，对路轨在宽度方向的空间位置、高度方向的空间位置进行实时监测，及时获取路轨的动态变化信号，以及时对路轨进行精准调整，使铁路路轨系统的运行更加安全可靠，延长了铁路路轨系统的使用寿命，保证了隧道铁路路轨系统在通车后安全可靠的运行。

在本申请实施例中，监测分析模块100即能够实现对路轨动态变化的监测，采集路轨的动态变化信号，同时，还能够对路轨的动态变化信号进行处理，判断路轨是否发生差异沉降和/或水平错动。在此，监测分析模块100以路轨的初始状态（比如，路轨搭建完成时的状态）为标准，在监测分析模块100中预设路轨初始状态数据（比如，初始状态的坐标数据），当监测分析模块100采集的路轨的动态变化信号（比如，路轨的实时坐标数据）与初始状态数据不一致时，则监测分析模块100判断路轨发生差异沉降和/或水平错动。

在一具体的例子中，监测分析模块100包括：激光监测仪101和数据处理器102，激光监测仪101设置在路轨上，用于对路轨的宽度方向和路轨的高度方向的空间位置进行实时监测，获取路轨的动态变化信号；数据处理器102设置于路轨的轨枕下表面，且与激光监测仪101通讯连接，能够根据路轨的动态变化信号生成调控指令并发送至调控模块200。

在本申请实施例中，激光监测仪101通过设置于隧道结构体（比如隧道洞壁）上的反射板对发出的测量激光进行反射，实现对路轨的宽度方向、高度方向的空间位置（空间坐标）的实时监测，获取测量点处路轨在宽度方向、高度方向的实时坐标，并将该实时坐标发送至数据处理器102，由数据处理器102根据该实时坐标与路轨初始状态的坐标进行比对，判断路轨是否发生差异沉降和/或水平错动。

在本申请实施例中，在根据路轨的动态变化信号生成调控指令时，激光监测仪101将采集到的监测点处的坐标数据发送给数据处理器102，由数据处理器102根据监测点出坐标的变化量和变化方向生成调控指令，并发送给调控模块200，调控模块200根据调控指令中的调控量、调控方向对路轨的差异沉降和/或水平错动进行调整。

在本申请实施例中，数据处理器102可以设置于任意位置与激光监测仪101和调控模型进行通讯连接。在此，将数据处理器102设置于路轨的轨枕下表面，不但可及时有效的传递动态变化信号、调控指令，避免信号迟滞，及时了解路轨的实时状态，在路轨发生差异沉降和/或水平错动时，可及时对路轨进行调控或采取其它措施。

在一些可选实施例中，调控模块200包括：纵向伺服调控器201和横向伺服调控器202，纵向伺服调控器201沿路轨的高度方向设置，其中，纵向伺服调控器201的下端连接于滑动板300上，上端连接于路轨的轨枕上，能够根据调控指令对路轨的差异沉降进行调整；横向伺服调控器202沿路轨的宽度方向设置，其中，横向伺服调控器202的一端与滑动板300固定连接，另一端连接于路轨所在的隧道结构体上，能够根据调控指令对路轨的水平错动进行调整。

在本申请实施例中，纵向伺服调控器201、横向伺服调控器202均与调控模块200通讯连接，能够接受调控模块200发送的调控指令。滑动板300在横向伺服调控器202的作用下，能够沿路轨的宽度方向移动，进而对路轨的水平错动进行调整；纵向伺服调控器201设置于滑动板300上，能够与滑动板300一起沿路轨的宽度方向移动。

在一些可选实施例中，调控模块200还包括：隔离垫块204，隔离垫块204有两个，一个隔离垫块204位于纵向伺服调控器201的上端与路轨的轨枕之间，另一个隔离垫块204位于纵向伺服调控器201的下端与路轨所在的隧道结构体之间；其中，隔离垫块204包括：阻尼器和保护隔层，阻尼器位于保护隔层和纵向伺服调控器201之间，用于对伺服调控器的调控动作进行支撑。

在本申请实施例中，通过设置隔离垫块204可有效避免纵向伺服调控器201与路轨的轨枕、隧道结构体等的直接接触，对纵向伺服调控器201的结构进行保护，降低纵向伺服调控器201与路轨等的磨损。

本申请实施例中，通过设置阻尼器可有效的减小伺服调控器控制模块运动能量的消耗，改善频率响应，补偿调控器等摩擦，同时还可以对来自其它设备的震动能量进行吸收，减少震动能量传递至调控模块200的其它部件，对调控模块200的其它部件进行有效保护，延长调控模块200的使用寿命。

本申请实施例中，通过设置保护隔层避免阻尼器与路轨的轨枕、隧道结构体等的直接接触，降低阻尼器的磨损，延长阻尼器的使用寿面，有效提高调控模块200的可靠性。

在一些可选实施例中，调控模块200还包括：纵向导向轴203，纵向导向轴203与纵向伺服调控器201并列设置，其中，纵向导向轴203的上端通过十字伞形支架600与路轨的轨枕连接，下端与路轨所在的隧道结构体连接。籍此，不但形成了对路轨的有效支撑，同时，有效保证纵向伺服调控器201在对路轨的差异沉降进行调整时的移动精度，使路轨能够尽量在垂直方向对差异沉降进行调整，避免路轨发生倾斜。

在本申请实施例中，十字伞形支架600的中部设有圆形孔，十字伞形支架600通过圆形孔套设于纵向导向轴203，十字伞形支架600的顶面与路轨的轨枕连接，对路轨的轨枕进行支撑；十字伞形支架的底面与纵向伺服控制器201连接，在纵向伺服控制器201的带动下，可以沿纵向导向轴206上下移动，进而对路轨的差异沉降进行调整。

在一具体的例子中，纵向伺服调控器201有多个，多个纵向伺服调控器201沿纵向导向轴203的周向均布；和/或，横向伺服调控器202有多个，多个横向伺服调控器202在路轨的宽度方向上两两对称布置。籍此，有效避免路轨在进行差异沉降或水平错动调控时的偏载，保证路轨在调控后恢复初始状态，使铁路路轨系统的运行更加安全可靠，延长了铁路路轨系统的使用寿命，保证了隧道铁路路轨系统在通车后安全可靠的运行。

在一些可选实施例中，滑动板300通过底座400设置于路轨所在的隧道结构体上，其中，底座400上设有导轨205，导轨205沿路轨的宽度方向设置，且导轨205与滑动板300滑动连接。具体的，在滑动板300的底面沿路轨的宽度方向设置滑槽，且滑槽与导轨205相适配，籍此，滑动板300在横向伺服调控器202的作用下，可在导轨205上沿路轨的宽度方向移动，实现对路轨的水平错动的调整。

在本申请实施例中，底座400为U型结构，在U型结构的底板上沿路轨的宽度方向设置导轨205，滑动板300位于U型结构的腔体内，横向伺服调控器202的一端连接于U型结构的侧壁内侧，另一端连接于滑动板300上，籍此，在横向伺服调控器202的作用下，实现滑动板300在导轨205上沿路轨的宽度方向移动。进一步的，导轨205有多条，多条导轨205并列设置，以有效保证滑动板300在移动过程中的水平度，避免滑动板300产生错动，影响路轨水平错动的调整，以保证路轨水平错动的调控精度。

在本申请实施例中，横向伺服调控器202两两对称布置，且纵向导向轴203位于多个横向伺服调控器202的中部，在纵向导向轴203与横向伺服调控器202之间设置纵向伺服调控器201，使调控模块200的结构更加紧凑。

在一些可选实施例中，调控模块200根据监测分析模块100发送的调控指令，对路轨的差异沉降和水平错动进行分级调控。具体的，监测分析模块100根据路轨动态变化信号，对路轨的差异沉降和/或水平错动的程度进行判断，比如，将路轨的差异沉降和/或水平错动划分为多个区间，根据路轨的差异沉降和/或水平错动的区间范围，确定调用纵向伺服调控器201和/或横向伺服调控的数量，实现对路轨的差异沉降和/或水平错动的分级调控。

在一些可选实施例中，每段路轨对应设置一套监测分析模块100和两套调控模块200，其中，监测分析模块100位于每段路轨的中部，两套调控模块200分别位于每段路轨的两端。籍此，既保证可以对每段路轨的动态变化进行有效监测，同时避免多台调控模块200之间的相互影响，降低成本，提高设备利用效率。

在本申请实施中，三维伺服控制系统采用节段式设计，节段数量根据断层分布、错动情况与施工条件确定，每一节段的三维伺服控制系统采用模块化设计，每节三维伺服控制系统具备相同功能结构，以便环境岩体发生强烈运动时路轨系统进行可适性调整。

在一些可选实施例中，适用于路轨变形的三维伺服控制系统还包括：预警模块500，预警模块500与监测分析模块100通讯连接，响应于接收到监测分析模块100根据动态变化信号发出的报警指令，对路轨的动态变化进行报警。

具体的，监测分析模块100根据路轨的动态变化信号判断路轨的差异沉降和/或水平错动是否超出调控模块200的调控范围，当路轨的差异沉降和/或水平错动在调控模块200的调控范围（比如，纵向伺服调控器201和/或横向伺服调控器202的调控行程）之内时，监测分析模块100根据动态变化信号生成调控指令，有调控模块200对路轨的差异沉降和/水平错动进行调控。当路轨的差异沉降和/或水平错动超出调控模块200的调控范围时，监测分析模块100将发出报警指令，有报警模块对路轨的动态变化进行报警，提醒相关人员及时采取有效措施，保证隧道铁路路轨系统的安全可靠运行。其中，报警模块可通过声、光、电等信号方式实现报警。

在本申请实施例中，三维伺服控制系统中，监测分析模块100实现对路轨系统差异沉降及水平错动的实时监测，并实现监测数据的分析，用于预警和发布调控指令；调控模块200实现对路轨差异沉降及水平错动的精准调控，当控调控模块200的控制平台接收到调控指令（路轨存在动态变化）后及时对系统进行位移精准调整。利用三维伺服控制实现路轨刚性隔离，控制隧道工程岩体大变形，确保隧道结构保持稳定。

在本申请实施例中，钢轨材料为具有高强、高韧、吸能、忍受变形特性的钢材，如NPR钢轨。三维伺服控制系统包括监测分析模块100和调控模块200构成的控制回路，包含有监测分析模块100、阻尼器、纵向伺服调控器201、横向伺服调控器202等。监测分析模块100连接钢轨、轨枕检测的输入端，纵向伺服调控器201、横向伺服调控器202通过监测分析模块100连接伺服驱动器（比如，均可采用液压油缸）输入端，调控模块200与总线数据连接，对钢轨、轨枕输出调控。

三维伺服控制系统监测分析模块100包括X、Y、Z三个独立空间的控制回路。三维伺服控制系统是一个高精度监测位移、位置、速度的空间伺服系统。监测分析模块100自动监测、解算钢轨、轨枕的点位移的偏移量、偏移方向，从而求得X、Y、Z空间的差异沉降、偏移位移，并将经过监测分析的X、Y、Z空间偏移作为数据信号通过总线通讯方式发送给控制模块。同时，监测分析模块100完成集中监控、综合管理，主要实现实时在线综合管理、预警安全保护及监控功能。调控模块200中纵向伺服调控器201、横向伺服调控器202在得到控制指令后对路轨差异沉降及水平错动的动态变化精准调控，实时调控钢轨、轨枕运动轨迹至偏移前路轨位置，保证路轨的正常良好运行工作。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于路轨变形的三维伺服控制系统，其特征在于，包括：监测分析模块、滑动板和调控模块，

所述监测分析模块设置于所述路轨的轨枕上表面，能够对所述路轨的动态变化进行实时监测，获取所述路轨的动态变化信号，并根据所述路轨的动态变化信号生成调控指令并发送至所述调控模块；其中，所述路轨的动态变化包括所述路轨的差异沉降和/或水平错动；所述监测分析模块包括：激光监测仪和数据处理器，所述激光监测仪设置在所述路轨上，所述数据处理器设置于所述路轨的轨枕下表面，且与所述激光监测仪通讯连接，能够根据所述路轨的动态变化信号生成调控指令并发送至所述调控模块；所述激光监测仪通过设置于隧道结构体上的反射板对发出的测量激光进行反射，以对所述路轨的宽度方向、高度方向的空间位置进行实时监测，获取测量点处所述路轨在宽度方向、高度方向的实时坐标，并将所述实时坐标发送至数据处理器，以由所述数据处理器根据所述实时坐标与路轨初始状态的坐标进行比对，判断所述路轨是否发生差异沉降和/或水平错动；

所述滑动板位于所述路轨所在的隧道结构体上，能够沿所述路轨的宽度方向移动；

所述调控模块设置于所述滑动板上，且与所述路轨的轨枕下表面抵接，能够根据所述监测分析模块发送的所述调控指令，对所述路轨的差异沉降和/或水平错动进行调控；其中，所述调控模块包括纵向伺服调控器、横向伺服调控器和隔离垫块；所述纵向伺服调控器沿所述路轨的高度方向设置，下端连接于所述滑动板上，上端连接于所述路轨的轨枕上；所述横向伺服调控器沿所述路轨的宽度方向设置，一端与所述滑动板固定连接，另一端连接于所述路轨所在的隧道结构体上；所述隔离垫块有两个，一个所述隔离垫块位于所述纵向伺服调控器的上端与所述路轨的轨枕之间，另一个所述隔离垫块位于所述纵向伺服调控器的下端与所述路轨所在的隧道结构体之间；所述隔离垫块包括：阻尼器和保护隔层，所述阻尼器位于所述保护隔层和所述纵向伺服调控器之间；

所述监测分析模块将所述路轨的差异沉降和/或水平错动划分为多个区间，并根据所述路轨动态变化信号，对所述路轨的差异沉降和/或水平错动的程度进行判断，根据所述路轨的差异沉降和/或水平错动的区间范围，确定调用所述纵向伺服调控器和/或所述横向伺服调控器的数量，对所述路轨的差异沉降和/或水平错动进行分级调控；

每段所述路轨对应设置一套所述监测分析模块和两套所述调控模块，其中，所述监测分析模块位于每段所述路轨的中部，两套所述调控模块分别位于每段所述路轨的两端。

2.根据权利要求1所述的适用于路轨变形的三维伺服控制系统，其特征在于，所述调控模块还包括：纵向导向轴，所述纵向导向轴与所述纵向伺服调控器并列设置，其中，所述纵向导向轴的上端通过十字伞形支架与所述路轨的轨枕连接，下端与所述路轨所在的隧道结构体连接。

3.根据权利要求2所述的适用于路轨变形的三维伺服控制系统，其特征在于，所述纵向伺服调控器有多个，多个所述纵向伺服调控器沿所述纵向导向轴的周向均布；

和/或，

所述横向伺服调控器有多个，多个所述横向伺服调控器在所述路轨的宽度方向上两两对称布置。

4.根据权利要求1所述的适用于路轨变形的三维伺服控制系统，其特征在于，所述滑动板通过底座设置于所述路轨所在的隧道结构体上，其中，所述底座上设有导轨，所述导轨沿所述路轨的宽度方向设置，且所述导轨与所述滑动板滑动连接。

5.根据权利要求1-4任一所述的适用于路轨变形的三维伺服控制系统，其特征在于，所述适用于路轨变形的三维伺服控制系统还包括：预警模块，所述预警模块与所述监测分析模块通讯连接，响应于接收到所述监测分析模块根据所述动态变化信号发出的报警指令，对所述路轨的动态变化进行报警。

Images