軌道中線直接測量方法及其實現(xiàn)*

朱洪濤 林曉峰 盧 俊 錢計妙

(1.南昌大學機電工程學院，330031，南昌;2.江西日月明鐵道設備開發(fā)有限公司，330029，南昌∥第一作者，教授)

高速鐵路上的軌道幾何參數(shù)可分為軌道內(nèi)部幾何參數(shù)和軌道外部幾何參數(shù)兩大部分。其中，軌道外部幾何參數(shù)主要是指軌道中線及左右軌相對于設計線位的平面(橫向)、高程(豎向)偏差。高速鐵路無論是在建設階段還是運營階段，都必須嚴格控制軌道中線的位置及其變化，其控制指標的典型值為± 10 mm［1］。

軌道中線坐標是軌道幾何平順性檢測的基本測量項目［2－3］。目前，對高速鐵路軌道中線的測量方法主要有兩種:①采用全站儀+水準儀進行人工直接測量;②采用軌道測量儀進行自動觀測［4］。上述兩種測量方法存在人工計算工作量大、測量效率低等問題。為此，本文描述了一種自動、連續(xù)、高精度直接測量軌道中線的測量方法及其實現(xiàn)，一種新型軌道測量儀可大大減少測量誤差、簡化計算、提高測量效率。

1 軌道中線測量方法

1.1 現(xiàn)有軌道中線測量方法及其存在的問題

1)軌道中線人工間接測量方法:人工間接測量時，可利用二端設置有棱鏡的軌道尺或直接置鏡于鋼軌頂面，在軌道的同一斷面上對左右軌棱鏡分別進行一次人工照準和觀測，二次測量點的連線中點坐標，扣除棱鏡到軌面的固定高差后，即可視為軌道中線的坐標。與對應點的軌道設計中線坐標進行比較，可得到實測的軌道中線橫、豎向偏差。該方法為間接測量軌道中線坐標的方法，需二次人工照準和觀測，并進行坐標換算，其計算工作量大、測量效率低;同時，該方法還受軌距、超高、方位角、坡度等因素的影響，在扣除棱鏡到軌面的固定高差時會帶來角度誤差。

2)軌道中線人工直接測量方法:人工直接測量時，利用帶強制對中結構的軌道中線尺［5］，人工操作將棱鏡準確定位在軌道中線上，一次人工照準和測量即可獲得軌道中線坐標，且不受軌距、超高、方位角、坡度等因素的影響。其人工計算工作量減小了，測量精度和測量效率也提高了。該方法雖屬于直接測量軌道中線坐標的方法，但仍屬于人工測量。并且，該方法為定點測量，每點測量時都必須按一定的順序進行繁瑣的人工操作。因此，該方法只適用于對軌道中線少量點進行人工抽查。

3)軌道中線自動間接測量方法:其屬自動間接觀測的測量。計算機遙控高精度全站儀實測出軌道測量儀上棱鏡點的三維坐標，并與軌道測量儀同步測量的姿態(tài)參數(shù)(軌距、超高、方位角、坡度等)進行信息融合，實時計算出對應點處的軌道中線點實測坐標、設計坐標及軌道中線橫、豎向偏差。軌道測量儀為小車結構，可沿軌道推行，根據(jù)需要進行連續(xù)測量或定點測量，其操作簡單快捷，并可通過計算機來完成復雜的數(shù)據(jù)處理，自動化程度和測量效率均顯著地高于人工觀測方法，是目前高速鐵路軌道中線測量的主要方法。該方法為間接測量軌道中線的方法，參與坐標換算的信息既包括棱鏡點坐標，還包括軌距、超高等測量項目的測量值，同時還需根據(jù)軌道設計資料估計軌道的方位角、坡度等，其誤差環(huán)節(jié)較多，信息融合后的誤差疊加現(xiàn)象明顯。與軌道中線±10 mm 的控制精度指標相對應，軌道中線測量方法所必須達到的測量精度的典型值是±3 mm［6］，從而對小車結構、各測量項目的誤差控制，特別是對全站儀的精度等級提出了更高的要求。

1.2 一種連續(xù)的軌道中線直接測量方法

軌道中線測量的理想狀態(tài)是在軌道中線連續(xù)或定點測量過程中，軌道測量儀上的棱鏡光學中心始終與軌道中線點重合。在這種理想狀態(tài)下，全站儀觀測所獲得的小車棱鏡光學中心坐標就是待測的軌道中線點坐標，而與小車姿態(tài)無關，即可自動、連續(xù)地直接測量軌道中線。

軌道中線測量理想狀態(tài)的實現(xiàn)需要做到:①將小車棱鏡光學中心設置于軌道測量儀左右輪系的下母線(即左、右軌頂面)的連線中點上;②軌道測量儀左右輪系以軌道作用邊(軌頂面下16 mm 處)為基準將小車棱鏡自動強制對中，使上述連線中點與軌道中線點重合。

2 軌道中線直接測量方法的實現(xiàn)

2.1 新型軌道測量儀的總體結構

為滿足新型軌道測量儀進行軌道中線直接測量和其他軌道幾何參數(shù)測量的要求，新型軌道測量儀的總體結構設計為呈前后、左右對稱分布的“工”字型結構，如圖1。此新型軌道測量儀主要由防塵罩、測量梁、提手、推桿座、中間回轉組件和輔助梁等組成。其中，輔助梁除沒有設置小車棱鏡適配器之外，其結構都與測量梁基本相同。將推桿組件安裝在推桿座組件上后，新型軌道測量儀可沿軌道推行，對軌道中線坐標等軌道幾何狀態(tài)進行測量。

圖1 新型軌道測量儀的總體結構圖

測量梁的結構圖如圖2所示。測量梁主要由左輪系，左梁，自動強制對中裝置，右梁，右輪系等組成。左梁與右梁、左輪系與右輪系對稱布置且結構相同。其中，左輪系、右輪系通過走行輪與測量輪分別和左右軌的踏面與作用邊壓靠，小車棱鏡適配器置于測量梁的對稱中心、自動強制對中裝置的中心箱體的下方。

新型軌道測量儀中的各零部件在滿足測量要求的前提下，在機械結構設計、機械加工工藝和材料選擇等方面都充分考慮了其實用性、便捷性和美觀性等要求。

圖2 測量梁的結構圖

2.2 關鍵結構的實現(xiàn)

自動強制對中裝置是該新型軌道測量儀的核心部件，由自動強制對中機構與小車棱鏡適配器等組成。其結構如圖3所示。該裝置包括由上齒條、中心箱體、中心齒輪、下齒條等組成的自動對中裝置及由棱鏡底座、磁鐵和球形棱鏡等組成的小車棱鏡適配器。自動強制對中裝置的主要功能是保證新型軌道測量儀在走行、測量等過程中，小車棱鏡光學中心始終與軌道中線點重合。

圖3 自動強制對中裝置的結構圖

2.2.1 小車棱鏡適配器設計

小車棱鏡適配器的作用是為小車棱鏡光學中心提供安裝、定位的基礎，并使其光學中心處于新型軌道測量儀左、右輪系之走行輪的下母線連線中點上。

小車棱鏡適配器中的球形棱鏡具有安裝方便、精度高、性價比高等優(yōu)點。因此，該新型軌道測量儀選擇了球形棱鏡。由于球形棱鏡的外殼為鐵磁性材料，因此考慮到安裝的便利性，利用磁鐵的磁力將其準確定位并安裝在棱鏡底座的中線位置。

小車棱鏡適配器安裝在測量梁的對稱中心、中心箱體的下方。為保證小車棱鏡光學中心與軌道中線點重合，小車棱鏡適配器安裝面高度與棱鏡底座的直徑和高度、球形棱鏡直徑等構成一個豎向尺寸鏈，按完全互換原則進行設計、加工與調(diào)整;其橫向位置按完全對稱結構進行設計、加工與調(diào)整。

2.2.2 自動強制對中機構的設計

自動強制對中機構的作用是在小車推行及軌道中線測量的過程中，在保持左右輪系與相應鋼軌作用邊密貼的前提下，實現(xiàn)中心箱體自動強制對中，從而確保小車棱鏡光學中心點始終與軌道中線點重合。

自動強制對中機構采用齒輪齒條的直線對中方案，主要由中心箱體、安裝在中心箱體上的中心齒輪、與左梁固聯(lián)的上齒條、與右梁固聯(lián)的下齒條及壓縮彈簧等組成，位于測量梁的中間位置。中心齒輪同時與上、下齒條嚙合，組成直線對中機構［7－9］。根據(jù)相對運動原理，中心齒輪與齒條的節(jié)點為二者的速度瞬心［9］，當任一齒條帶動中心齒輪時，中心齒輪都同時帶動另一齒條做相反方向的直線運動，并且兩齒條的移動距離相等，從而確保上、下齒條從中心箱體中能夠同步伸出或縮回。因此，當左、右輪系與鋼軌密貼時，自動強制對中機構就會發(fā)揮強制對中的作用。壓縮彈簧施加一個驅動左、右梁伸出的彈簧力，始終保持左、右輪系與鋼軌的密貼，實現(xiàn)自動強制對中的作用。

由于設置有自動強制對中裝置，能保證小車棱鏡光學中心點始終與軌道中線點重合，故新型軌道測量儀在測量軌道中線時，在其內(nèi)部主控計算機的控制下，遙控型全站儀將自動完成對小車棱鏡的搜索、跟蹤、照準、觀測和測量數(shù)據(jù)的無線上傳;在上位機進行軌道中線實測坐標的計算，查詢軌道中線設計坐標并計算軌道中線橫、豎向偏差，且顯示和存儲測量結果，完成對軌道中線的自動測量。此時全站儀測量小車棱鏡光學中心所獲得的坐標值即為軌道中線點的實測坐標值，避免了軌距、超高、方位角、坡度等因素的影響，減少了引入測量誤差的環(huán)節(jié)，從而提高了測量裝置的精度。

自動強制對中機構的上、下齒條還為左梁、右梁提供雙軸導向的作用。同時，上、下齒條之間的相對位移就是軌距相對于標準軌距的偏差，安裝于左梁中的軌距傳感器可將下齒條作為軌距測量探桿以實現(xiàn)對軌距的測量。

2.3 三維建模與運動仿真

根據(jù)設計要求，在零件初始設計參數(shù)的基礎上，利用UG 軟件進行三維實體建模，并按照裝配關系進行虛擬裝配，最后進行運動模擬仿真，并參照設計要求對結構進行最優(yōu)化設計。軌道中線測量的新型軌道測量儀的虛擬樣機模型如圖4所示。

圖4 軌道中線直接測量的新型軌道測量儀樣機模型圖

3 新型軌道測量儀的樣機制造與調(diào)試

按照設計零件圖，加工出新型軌道測量儀的各個零件，并按照裝配圖進行整車組裝，同時將電控部分進行組裝，實現(xiàn)機電結合;最后對其各項性能進行調(diào)試，實現(xiàn)了設計預期功能。樣機工作時的寬度為1 634 mm，長度為708 mm，高度為200 mm，重約55 kg。軌道中線測量的新型軌道測量儀樣機實物如圖5所示。

圖5 新型軌道測量儀樣機實物圖

4 結語

現(xiàn)行的軌道中線人工間接觀測的測量方法中存在人工計算工作量大、測量效率低等問題，人工直接觀測的測量方法中存在人工操作繁瑣、只能對軌道中線少量點進行人工抽查等問題。而現(xiàn)行的軌道中線自動測量方法為間接觀測，存在誤差環(huán)節(jié)較多、信息融合時誤差疊加現(xiàn)象明顯、對小車結構及全站儀精度等有更高的要求等問題。

本文在分析現(xiàn)行的軌道中線測量方法的基礎上，提出了一種直接測量軌道中線的自動直接觀測方法，并設計了一種能實現(xiàn)對軌道中線直接測量的新型軌道測量儀。該新型軌道測量儀利用自動強制對中機構和小車棱鏡適配器機構等保證了小車棱鏡光學中心始終與軌道中線點重合，從而在測量原理上有效地減少了測量的誤差環(huán)節(jié)，使軌道中線測量的精度僅取決于全站儀而不受軌距、水平、坡度、方位角等參數(shù)的影響，實現(xiàn)了軌道中線自動、連續(xù)、高精度的直接測量。

新型軌道測量儀適用于高速鐵路線路現(xiàn)場施工、維護等場合下對軌道中線進行的連續(xù)或定點測量，可簡化操作、減少計算工作量，使全站儀的測量精度得到最有效的發(fā)揮。初步結果顯示，中線測量的精度有比較顯著的提高，故其應用前景廣闊。

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