本课题的主要研究对象为板式高铁无砟换轨机器人，研究重点为换轨机器人龙口悬臂算子分裂输运方程，通过整体改进结构设计、龙口悬臂强度校核与算子分裂输运方程推导构成理论研究，结合数值分析、参数有限元分析与样机模型试验平台构成理论验证。根据现有换轨施工装备结构与实际换轨施工分析，进行了无砟换轨机器人结构改进设计。
第一章 绪论
本章将通过对国内外相关文献的分析整理，介绍本课题关于轨道交通技术、无砟轨道技术与换轨施工装备的发展背景、研究成果与现状，研究轨道、钢轨及施工装备的性能特点与设计原理等。主要内容包括：阐述板式高铁无砟轨道历史沿革、无砟换轨施工装备技术改进过程、国内外成果情况以及本课题的研究意义及技术路线等。
1.1 概述
在快速发展的全球化经济浪潮中，各国均出现大气环境严重污染、矿产资源紧缺等典型问题，由此造成交通工程领域客货运力紧张、噪声排放污染、城乡交通堵塞及捷运安全等交通工程现象。因而，全球国家都争先恐后将发展高效、共融、健康、稳定的智能交通工程技术作为交通发展的主要任务。其中，轨道交通装备制造业是智能交通工程技术的重中之重，其发展模式将向人车共融、数字化设计、信息化管理与自动化控制方向靠拢。全球轨道交通装备制造业市场容量由 2012年 1610亿欧元增长至 2016年 1820亿欧元，预估 2000 亿欧元体量将在 2020 年之前达到。我国发展轨道交通装备制造业的机遇不可错过。我国将轨道交通装备制造业列为十大“中国制造 2025”领域，交通从业者与研究者要抓住此次产业变革浪潮的机会，发展新模式下的中国现代智能轨道交通技术，实现技术上针对发达国家的“弯道超车”。我国经历了 60 多年轨道交通装备制造技术的探索，建立了规模完整、设备齐全、配套良好、自主研发的交通工程装备体系。近年我国提出“高效、健康、重载、高速”的技术路线，大力发展高速铁路建设与运营理念，并取得举世瞩目的成就，高铁技术甚至走出国门，形成“高铁外交”的局面。“中国制造 2025”的良好尝试，将有力推进我国交通智能装备制造业升级，能够带动电子商务、物流仓储、材料矿产等多产业链的整体实力。中国交通工程轨道装备制造作为我国创新能力最强、国际竞争力最高、自主研发实力最扎实的高端技术，已经成为我国创新驱动、健康发展、人车共融的典型案例。我国要以国家战略“中国制造 2025”与“一带一路”为机遇，坚持技术改革与创新演进的发展策略，推动产业链全企业“走出去”方针，将交通工程装备制造技术辐射到“一带一路”区域，对自身发展及发展中国家的基建与互联互通作出贡献。
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1.2 无砟轨道换轨装备技术
日本是全球第一条高速铁路诞生的国家，1964 年其东海道新干线建成通车。目前高铁技术已发展到美国、西班牙、法国、英国等 10 个国家，运营总里程达24000km，最高行车速度 300km/h 以上。在目前世界轨道交通领域，全球很多国家正在制定并出台实施高速铁路建设规划。日本、法国、德国率先进行高铁修建探索，以上国家是轨道交通工程技术的最高代表。其中，有砟道床轨道由法国提出，日本发展了新干线板式无砟轨道技术，德国率先完成双块式和博格板式无砟轨道技术的突破，这些轨道交通装备技术具有稳定性高、技术性强的特点，都有相当长的运营经验，无论是设备和材料生产技术，还是工程建造技术，都代表着世界高速铁路轨道工程最高的发展水平。在我国，一直保持“客运高速，货运重载”的设计理念与建设方向。20 世纪 80年代提议修建高速铁路，1998 年国家“十五”规划提出建设高速铁路，2004 年开始大规模修建高速铁路。自 20 世纪 80 年代至今，我国高铁技术探索经历 3 个阶段：一是选定条件较好的既有线（如京哈、京广线）进行提速改造，通过多次提速改造，铁路客运列车时速由 120km/h 逐渐提升到 140km/h、160km/h、200km/h、250km/h。二是建设 160km/h 的广深准无砟板式高速铁路、200km/h 的无砟板式秦沈客运专线。三是实施中长期铁路网规划，引进国外高速铁路先进技术，修建“四纵四横”高（快）速铁路网和城际铁路网，形成了时速 200km/h、250 km/h、300 km/h、350km/h 等不同等级的高速铁路网。我国从 20 世纪 60 年代陆续进行无缝铁路的探索与研究，为提高铁路运营速度和安全作出不少努力。20 世纪 80 年代以前，无缝铁路的研究与应用仅局限于部分线路区间，铺设数量较少；20 世纪 90 年代，我国开始建设时速 200-350km/h 高速铁路，并进行既有线 6 次大提速，使我国无缝铁路铺设里程大增，跨区间无缝线路技术普及到主要干线。线路养护及整道也逐步实现了由手工、小型机械到大型机械养修的跨越，干线铁路养护的大型机械化作业达到 90%以上[60]。
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第二章 无砟换轨机器人龙口悬臂改进设计及强度校核
本章将依据结构力学与钢结构校核理论，针对目前轨道交通工程铺换钢轨施工装备发展现状，展开阐述板式高铁无砟换轨机器人改进设计方案；采用终端集中载荷、内应力应变分析和稳定性强度计算的方式，研究无砟换轨机器人龙口悬臂结构校核模型；并探索一种基于通用型机械悬吊臂的动力/运动特性响应输运方程模型，为进一步研究无砟换轨机器人龙口悬臂算子分裂输运模型提供依据。
2.1 无砟换轨机器人结构改进设计
本课题主要研究现场智能自动更换铁路钢轨的施工设备，是一种用于板式高铁无砟轨道的自动控制换轨机器人。在国家“一带一路”总体战略与“高铁”技术推广的应用背景中，铁路建设将成为国家规划与工程应用领域至关重要的一环。我国早期及现役铁路轨道均采用有砟轨道，即传统枕木、石子结合的轨道铺设工艺。有砟轨道铺设快捷、成本低廉，但轨道易变形，维修难，运行速度慢，舒适性差。而新型板式高速铁路轨道多用无砟轨道，如图 2-1 所示。无砟轨道主体结构通常分为底座（或支撑层）、轨道板（或道床板）两层。相比早期传统有砟轨道，无砟轨道维修少、高度低、弹性均匀且耐久性好。因此，针对无砟轨道的大型自动化轨道交通工程建设与维修装备的设计与发展，将成为目前轨道建设工程应用领域的关键环节。智能换轨装备技术将智能控制方案与现有换轨施工作业装备结合，完成旧轨拆除，新轨铺设。平板拖车含有换轨结构的铺换装备分为套筒式换轨车、龙门式整体换轨车及桁架式整体换轨车（如图 2-2 所示）三种类型。传统加装换轨结构的铺换装备需外界通勤工程车提供牵引，没有自主作业施工能力。目前使用的换轨车，在大坡道小半径曲线路段（如图 2-3 所示）换轨时效果不理想。大坡道小半径区段施工过程中，相错量较大，容易引起换轨装备掉道问题。新换钢轨在曲线换轨时依靠曲线上既有钢轨自身重力随动摆头，虽然可以使曲线新换长钢轨入槽，但在曲线上起始点开始换轨时，需人力推动对位，在缓圆点以及曲线终点时，前导轨槽不能回位，也需人工推动前一导轨槽以方便入槽。另外，由于新、旧轨之间产生的钢轨横向力影响，更换一定长度后，钢轨入槽困难。
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2.2 无砟换轨机器人龙口悬臂校核模型
无砟换轨机器人的龙口悬臂一般为桁架式，如图 2-7 所示。无砟换轨机器人臂架长，自重较大，悬臂结构设计合理性直接影响换轨施工过程的承载能力、钢轨稳定性和换轨装置自重。目前无砟换轨机器人采用桁架水平式龙口悬臂结构。本章根据板式高铁无砟轨道换轨施工装备的发展历程与现状分析，首先进行板式高铁无砟轨道换轨机器人改进结构设计，提出一种智能控制换轨施工装备方案。然后对换轨机器人核心结构---龙口悬臂进行结构分析建模，利用结构力学与刚强度校核方案，建立无砟换轨机器人龙口悬臂校核模型。最后，整理龙口悬臂相关技术性能参数，完成无砟换轨机器人龙口悬臂校核计算。
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第三章 龙口悬臂算子分裂输运方程.......28
3.1 无砟换轨机器人龙口悬臂输运模型......28
3.1.1 龙口悬臂结构概述............28
3.1.2 龙口悬臂输运方程建模....29
3.1.3 龙口悬臂输运方程矩阵变换.......30
3.2 算子分裂离散方程建立....31
3.3 无砟换轨机器人龙口悬臂数值特征方程.........33
3.4 本章小结......34
第四章 无砟换轨机器人龙口悬臂特性参数分析.........37
4.1 龙口悬臂输运模型数值分析........37
4.2 龙口悬臂输运方程参数分析依据...........39
4.3 龙口悬臂动力/运动参数仿真结果.........44
4.4 本章小结.......51
第五章 无砟换轨机器人龙口悬臂模型试验......53
5.1 龙口悬臂相似准则理论建立........53
5.2 龙口悬臂终端运动特性试验........55
5.3 本章小结.......66
第五章 无砟换轨机器人龙口悬臂模型试验
本章通过重载精密装备设计过程中的工程分析，发现实际试验条件与现有试验仪器不能满足重型机械结构的终端振动试验需求，考虑采用等缩比模型方法建立龙口悬臂相似准则理论；通过 INSIZE 6388 数显千分尺与 DXL360 数字角度尺等测量仪器搭建无砟换轨机器人龙口悬臂样机模型试验平台；测量标定龙口悬臂在运行、提轨与换轨过程中终端位置振动与水平角度偏转数据，并进行试验数据处理分析，对比验证无砟换轨机器人龙口悬臂算子分裂输运方程正确性与参数分析的有效性。
5.1 龙口悬臂相似准则理论建立
机械悬臂终端振动是重载精密装备设计分析过程中必须考虑到的工程问题。由龙口悬臂结构振动而产生的噪声、疲劳、精度等问题成为评价换轨机器人作业品质优劣的重要指标。根据计算技术、方法的改善，对换轨机器人龙口悬臂结构进行强度校核与参数仿真分析，掌握其在各种动力/运动参数作用下的响应和特性。然而因为本构关系和本构参数等问题并没有找到解决办法，而且实际问题又相对复杂，基于结构动力学样机的模型试验依然是研究机械结构动力/运动特性的最终重要手段。目前受实际试验条件、现有试验仪器，尚不能满足大型或重型机械结构的终端振动试验需求。为解决这样的问题，采用缩比模型进行试验，并通过建立相似准则理论来预估真实的全尺寸换轨机器人龙口悬臂动力/运动特性是唯一可行的方案。在实际工程应用领域，针对板式高铁无砟轨道换轨施工装备的试验几乎没有。各种获取轨道工程技术的改进方法，均来源于一线施工人员经验反馈。众所周知，经验方法最原始同时可靠，但是其可行性与有效性远远不如具体试验研究。试验研究因其具有真实、直观、正确等优点，同时具有试验条件与试验成本的条件制约。随着计算机技术的不断发展，出现一批虚拟仿真软件能够完成样机模型试验的测试研究，其相对于试验具有重复性高、成本低且试验周期短的优势。但是虚拟仿真与硬件在环试验终究是建立在假设与简化的模型基础上。因此，通过虚拟仿真、硬件在环与样机模型试验相结合的研究方案，成为换轨施工装备工程领域不可替代的策略与方法。
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总结
本课题的主要研究对象为板式高铁无砟换轨机器人，研究重点为换轨机器人龙口悬臂算子分裂输运方程，通过整体改进结构设计、龙口悬臂强度校核与算子分裂输运方程推导构成理论研究，结合数值分析、参数有限元分析与样机模型试验平台构成理论验证。根据现有换轨施工装备结构与实际换轨施工分析，进行了无砟换轨机器人结构改进设计。利用结构力学与钢结构分析理论，进行了龙口悬臂模型的结构强度校核。通过将换轨机器人龙口悬臂视为 Euler-Bernoulli 梁模型，建立龙口悬臂输运数学模型并进行算子分裂输运方程推导。依据龙口悬臂算子分裂输运模型矩阵变换，进行针对换轨机器人龙口悬臂运行、提轨与换轨过程下的数值分析、参数有限元分析与样机模型试验测定。将对比分析仿真结果与试验数据验证算子分裂输运方程的正确性。最后，针对本课题研究内容总结主要结论如下：
（1）根据板式高铁无砟轨道换轨机器人结构改进设计，提出一种新型自动控制换轨施工装备方案。利用结构力学与刚强度校核理论对龙口悬臂进行结构分析，并完成无砟换轨机器人龙口悬臂校核计算。
（2）通过无砟轨道换轨机器人龙口悬臂结构分析及校核计算，建立换轨机器人龙口悬臂输运方程模型。采用 Bezier 离散方法推导算子分裂离散方程，完成换轨机器人龙口悬臂数值特征方程推演。
（3）利用龙口悬臂算子分裂输运方程求解其数值特征，将龙口悬臂输运模型分裂为多因变参数的仿真分析场：固有模态场、荷载静力场、时变温度场以及恒速运动场，并完成各个参数场的仿真分析，确认龙口悬臂算子分裂输运模型合理有效。
（4）通过相似条件等缩比模型方法，完成龙口悬臂相似准则理论研究。建立无砟换轨机器人龙口悬臂样机试验平台，利用 INSIZE 6388 数显千分尺与 DXL360 数字角度尺进行终端位置振动与水平角度偏转标定试验，验证龙口悬臂算子分裂输运特性和参数分析的关联性与正确性。
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参考文献（略）