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

        2018-12-27 08:36:58張偉靖黃立喜梅小飛
        山西建筑 2018年35期
        關(guān)鍵詞:基準(zhǔn)線全站儀測(cè)距

        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(dòng),粗糙的軌道不僅會(huì)在滑車產(chǎn)生巨大的震動(dòng),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(dòng)時(shí)震動(dòng)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(duì)軌道進(jìn)行精密調(diào)整。

        2 測(cè)量原理

        2.1 主軌測(cè)量原理

        主軌調(diào)直就是對(duì)主軌進(jìn)行高低和橫向調(diào)整,測(cè)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(duì)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(cè)量原理

        副軌測(cè)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(cè)量方案設(shè)計(jì)及設(shè)備選擇

        對(duì)主軌的測(cè)量,激光跟蹤儀和全站儀從原理上都可實(shí)現(xiàn),但其測(cè)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(cè)量原理、測(cè)量方法、測(cè)量精度和操作方便性等方面對(duì)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(dòng)控制及技術(shù)基礎(chǔ)上的一種新型空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。它采用極坐標(biāo)法原理進(jìn)行三維測(cè)量,通過測(cè)量目標(biāo)的水平角、垂直角及斜距,建立以測(cè)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(dòng)時(shí),儀器會(huì)自動(dòng)跟蹤,同時(shí)記錄干涉測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量?jī)蓚€(gè)基準(zhǔn)樁頂?shù)淖鴺?biāo),在軟件中對(duì)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(cè)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(cè)量精度分析

        根據(jù)激光跟蹤儀的測(cè)量原理,在儀器坐標(biāo)系中,每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)由儀器坐標(biāo)原點(diǎn)到測(cè)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(cè)距精度和測(cè)角精度的情況如下,根據(jù)誤差傳播定律,其測(cè)量坐標(biāo)的最大允許誤差為:

        下面以目前市場(chǎng)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(cè)量時(shí)的三維坐標(biāo)測(cè)量的精度。其測(cè)角精度為0.5″,測(cè)距精度為15 μm+6 μm/m。

        在兩端最遠(yuǎn)處,斜距D約為31 m,測(cè)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(cè)量最大允許誤差。

        y坐標(biāo)的測(cè)量最大允許誤差:

        z坐標(biāo)的測(cè)量最大允許誤差:

        從以上計(jì)算可得出,X方向的測(cè)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(cè)量誤差最大時(shí)得到的。當(dāng)測(cè)點(diǎn)離儀器越近時(shí),測(cè)量誤差會(huì)減小,如果再考慮工裝卡具、氣象等影響,其誤差不會(huì)超過0.1 mm是滿足測(cè)量精度要求的。

        3.2 全站儀

        全站儀是集測(cè)距、測(cè)角和微處理等技術(shù)、能夠自動(dòng)測(cè)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(dòng)顯示、記錄、存儲(chǔ)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(dòng)識(shí)別反射棱鏡目標(biāo)點(diǎn)和快速跟蹤功能。

        3.2.1測(cè)量方案設(shè)計(jì)

        同激光跟蹤儀。

        3.2.2測(cè)量精度分析

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

        相同條件下,x坐標(biāo)的測(cè)量最大允許誤差:

        y坐標(biāo)的測(cè)量最大允許誤差:

        z坐標(biāo)的測(cè)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(cè)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(cè)量指標(biāo)值0.02 mm。

        3.3 技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

        兩種儀器比較,見表1。從表1對(duì)比可得出,激光跟蹤儀的測(cè)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(cè)量。

        4 結(jié)語

        本文針對(duì)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(cè)量技術(shù)和設(shè)備的基礎(chǔ)上,對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)地分析對(duì)比,設(shè)計(jì)了科學(xué)合理的測(cè)量方案,選擇了合適的設(shè)備,本文所做的工作將為軌道測(cè)量的工程實(shí)施提供充分的技術(shù)支持。

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