高速滑軌工程軌道測量方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵設(shè)備選擇

張偉靖 孫 寧 黃立喜 梅小飛

(63870部隊(duì)，陜西 華陰 714200)

1 概述

高速滑軌車借助與扣合在軌頭上的滑靴沿著軌道高速運(yùn)動，粗糙的軌道不僅會在滑車產(chǎn)生巨大的震動，而且當(dāng)轎車質(zhì)量較大，速度很高時(shí)，還可能發(fā)生損壞軌道，滑車的脫軌等安全問題。研究指出，當(dāng)某處軌道實(shí)際位置與理論值的誤差每增加0.2 mm，滑車運(yùn)動時(shí)震動載荷將增加30%，因而高速滑軌道的高平直度是保證滑車能高速平穩(wěn)運(yùn)行的必需條件，保證高平直度的方法是對軌道進(jìn)行精密調(diào)整。

2 測量原理

2.1 主軌測量原理

主軌調(diào)直就是對主軌進(jìn)行高低和橫向調(diào)整，測量需得到每一個(gè)固定點(diǎn)的高低和橫向調(diào)整量。其思路是：以相鄰兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)造空間基準(zhǔn)直線，經(jīng)過基準(zhǔn)線構(gòu)造空間水平面和垂直面，得到軌上每個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，由于兩點(diǎn)與兩平面的位置關(guān)系得到點(diǎn)于水平面和垂直面的距離，將此距離值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行運(yùn)算比較，得到主軌相對基準(zhǔn)線的高低和左右偏差值，作為軌道調(diào)整的參數(shù)。

2.2 副軌測量原理

副軌測量是在主軌調(diào)直的基礎(chǔ)上進(jìn)行，采用的軌檢尺技術(shù)已在鐵路上廣泛采用，比較成熟，本文不再探討。

3 測量方案設(shè)計(jì)及設(shè)備選擇

對主軌的測量，激光跟蹤儀和全站儀從原理上都可實(shí)現(xiàn)，但其測量精度、操作方便性和價(jià)格等相差較大，下面主要從設(shè)備的測量原理、測量方法、測量精度和操作方便性等方面對激光跟蹤儀和全站儀進(jìn)行比較。

3.1 激光跟蹤儀

激光跟蹤儀是建立在激光技術(shù)和自動控制及技術(shù)基礎(chǔ)上的一種新型空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)。它采用極坐標(biāo)法原理進(jìn)行三維測量，通過測量目標(biāo)的水平角、垂直角及斜距，建立以測站為中心的坐標(biāo)系。

激光跟蹤儀儀器坐標(biāo)系是以跟蹤頭中心為原點(diǎn)，以度盤上的0讀數(shù)方向?yàn)閄軸，以度盤的法線向上的方向?yàn)閆軸，以右手坐標(biāo)系確定Y軸，如此建立起儀器坐標(biāo)系。當(dāng)反射器在空間移動時(shí)，儀器會自動跟蹤，同時(shí)記錄干涉測距值D及水平度盤上和垂直度盤上的角度數(shù)值Hz，Vt，用這三個(gè)觀測值，按下式就可得到點(diǎn)儀器坐標(biāo)系中的空間三維直角坐標(biāo)x,y,z。

x=D·sinVt·cosHz,

y=D·sinVt·sinHz,

z=D·cosVt。

3.1.1測量方案設(shè)計(jì)

將激光跟蹤儀器置于兩軌之間，前后位置在兩相鄰基準(zhǔn)樁之間，將激光反射靶球分別置于兩個(gè)基準(zhǔn)樁上，在儀器坐標(biāo)系中，先測量兩個(gè)基準(zhǔn)樁頂?shù)淖鴺?biāo)，在軟件中對兩個(gè)樁頂坐標(biāo)進(jìn)行修正得到兩個(gè)理論基準(zhǔn)點(diǎn)，用兩個(gè)理論點(diǎn)構(gòu)造直線，此直線與理想的空間基準(zhǔn)線重合。用軟件生成過直線的水平面和垂直面，將靶球置于鋼軌中心線上依次取點(diǎn)，得到一個(gè)扣件位置的坐標(biāo)。在軟件中測得扣件位置與兩個(gè)面的距離。將兩個(gè)距離與主軌和基準(zhǔn)線兩個(gè)方向分量的設(shè)計(jì)距離值相減，得到調(diào)軌用的橫向偏差和豎向偏差。

3.1.2測量精度分析

根據(jù)激光跟蹤儀的測量原理，在儀器坐標(biāo)系中，每一個(gè)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)由儀器坐標(biāo)原點(diǎn)到測點(diǎn)的斜距和兩個(gè)夾角通過坐標(biāo)換算而來，其關(guān)系式如下式：

x=D·sinβ·sinα，

y=D·sinβ·cosα，

z=D·cosβ。

在已知激光跟蹤儀的測距精度和測角精度的情況如下，根據(jù)誤差傳播定律，其測量坐標(biāo)的最大允許誤差為:

下面以目前市場上主流產(chǎn)品徠卡AT401型激光跟蹤儀為例，計(jì)算其利用于軌道測量時(shí)的三維坐標(biāo)測量的精度。其測角精度為0.5″，測距精度為15 μm+6 μm/m。

在兩端最遠(yuǎn)處，斜距D約為31 m，測距最大允許誤差MD為0.20 mm,水平角α約為76°，垂直角β約為89°，x坐標(biāo)的測量最大允許誤差。

y坐標(biāo)的測量最大允許誤差:

z坐標(biāo)的測量最大允許誤差:

從以上計(jì)算可得出，X方向的測量誤差最大，它是沿軌道方向的，不參與調(diào)軌，其余兩個(gè)方向的最大誤差不超過0.09 mm，以上計(jì)算的條件是指距離遠(yuǎn)，角度最大，設(shè)備測量誤差最大時(shí)得到的。當(dāng)測點(diǎn)離儀器越近時(shí)，測量誤差會減小，如果再考慮工裝卡具、氣象等影響，其誤差不會超過0.1 mm是滿足測量精度要求的。

3.2 全站儀

全站儀是集測距、測角和微處理等技術(shù)、能夠自動測量目標(biāo)點(diǎn)與全站儀的水平角、垂直角、斜距，并且能計(jì)算它們之間水平距離、高差、坐標(biāo)增量，同時(shí)可自動顯示、記錄、存儲和數(shù)據(jù)輸出。它建立坐標(biāo)系的方法與激光跟蹤儀類似，以為自己坐標(biāo)原點(diǎn)建立獨(dú)立的極坐標(biāo)或三維坐標(biāo)系。新型的全站儀具有能自動識別反射棱鏡目標(biāo)點(diǎn)和快速跟蹤功能。

3.2.1測量方案設(shè)計(jì)

同激光跟蹤儀。

3.2.2測量精度分析

以目前市場精度最高的徠卡TS30型全站儀為例，對三維坐標(biāo)測量精度進(jìn)行計(jì)算。其測角精度為0.5，測距精度為0.6 mm+1 μm/m。

相同條件下，x坐標(biāo)的測量最大允許誤差：

y坐標(biāo)的測量最大允許誤差:

z坐標(biāo)的測量最大允許誤差:

表1 兩種儀器比較

從以上計(jì)算可得出，y,z坐標(biāo)測量誤差最大為0.17 mm，如果再考慮其他的影響因素，如反射棱鏡誤差，連接工裝的誤差，環(huán)境影響等因素，其誤差已接近軌道的測量指標(biāo)值0.02 mm。

3.3 技術(shù)特點(diǎn)對比

兩種儀器比較，見表1。從表1對比可得出，激光跟蹤儀的測量精度、操作方便性、效率等優(yōu)先于全站儀，其他方面性能基本相當(dāng)。我們多次與專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行討論，并進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)證。方案的可行性、操作的方便性、精度分析計(jì)算方法和結(jié)果得到了驗(yàn)證和確認(rèn)。綜合考慮，認(rèn)為激光跟蹤儀更適合于軌道測量。

4 結(jié)語

本文針對高速滑軌工程軌道的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和指標(biāo)，在全面研究大空間精密測量技術(shù)和設(shè)備的基礎(chǔ)上，對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)地分析對比，設(shè)計(jì)了科學(xué)合理的測量方案，選擇了合適的設(shè)備，本文所做的工作將為軌道測量的工程實(shí)施提供充分的技術(shù)支持。