馬長(zhǎng)清 劉 振 鄧少云

(1. 湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程學(xué)院,湖南衡陽(yáng) 421002;2. 廣州鐵路局集團(tuán)有限公司工務(wù)檢測(cè)所,廣東廣州 510000)

隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高和運(yùn)量的不斷增大,鐵路線路平面曲線必然逐漸產(chǎn)生變形,為保證列車在動(dòng)力作用下行車的安全和平穩(wěn),必須要對(duì)鐵路平面曲線進(jìn)行整正,使既有曲線恢復(fù)到良好的狀態(tài)[12]。當(dāng)前,各鐵路局工務(wù)部門曲線整正作業(yè)主要采用的是傳統(tǒng)方法:維修時(shí)采用正矢法,大修時(shí)采用偏角法或坐標(biāo)法[34]。 正矢法又稱繩正法,測(cè)量工具簡(jiǎn)單,內(nèi)業(yè)計(jì)算簡(jiǎn)捷,行車干擾小,但受正矢測(cè)量精度影響大,精度較低且可靠性較差,一般適用于簡(jiǎn)單的線路養(yǎng)護(hù)作業(yè)[5];偏角法則依據(jù)平曲線各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的偏角與弦長(zhǎng)進(jìn)行曲線整正,所用作業(yè)方法簡(jiǎn)單,觀測(cè)條件要求不高,但是作業(yè)時(shí)測(cè)量?jī)x器需要架設(shè)在既有線軌道上,測(cè)量時(shí)需要頻繁上下道,對(duì)行車的干擾大,人員與儀器存在較大安全隱患;縱向里程主要用鋼尺進(jìn)行丈量,測(cè)量精度不高[6]。 坐標(biāo)法精度與偏角法相當(dāng),可任意設(shè)站,但是縱向里程也依賴鋼尺丈量,精度不高[79]。

基于此,湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院、中國(guó)鐵路武漢局和廣州局就“距離與方向交會(huì)法測(cè)量計(jì)算鐵路既有曲線的研究與探討”課題進(jìn)行聯(lián)合研究,旨在結(jié)合現(xiàn)代化測(cè)量工具和新方法,對(duì)現(xiàn)有曲線測(cè)量方法、計(jì)算原理和方法進(jìn)行改進(jìn),形成一套成熟的施測(cè)工法,從而提高工作效率和測(cè)量精度,保證既有線測(cè)量作業(yè)人員的人身安全,并將此方法推廣應(yīng)用到線路復(fù)測(cè)等相關(guān)工作中,適應(yīng)鐵路高速發(fā)展的需要。

1 測(cè)量工具的改進(jìn)設(shè)計(jì)

線路測(cè)點(diǎn)位置即測(cè)點(diǎn)里程位置所對(duì)應(yīng)的鋼軌中心位置。 目前,主要采用絕緣鋼尺量距的方法確定里程位置,鋼軌中心點(diǎn)位一般采用簡(jiǎn)單估中,精度較低。 鑒于此,本課題的精度改進(jìn)設(shè)計(jì)包括兩部分:激光測(cè)距里程定位裝置與軌道磁鐵對(duì)中裝置。

1.1 激光測(cè)距里程定位裝置

該裝置由激光發(fā)射器和反射板組成,主要用于線路里程的測(cè)量。 激光發(fā)射器固定在一個(gè)可調(diào)云臺(tái)上,云臺(tái)固定在磁力底座上。 調(diào)節(jié)激光發(fā)射器方向時(shí),將云臺(tái)的阻尼調(diào)至適當(dāng)大小,再用手握緊激光發(fā)射器,調(diào)整方向使之對(duì)準(zhǔn)反射板(見(jiàn)圖1、圖2)。

圖1 測(cè)距工裝裝置示意

云臺(tái)與激光發(fā)射器接口為通用1/4-20 英制螺紋。 云臺(tái)和磁力底座如圖3、圖4 所示。

圖2 激光發(fā)射端放大示意

圖3 云臺(tái)裝置示意

圖4 磁力底座示意

反射板由不銹鋼反射板和磁力底座組成。 磁力底座與激光發(fā)射器底座相同。

1.2 軌道磁鐵對(duì)中裝置[12]

該裝置上部棱鏡和對(duì)中桿棱鏡完全相同。 下半部即為磁鐵棱鏡座:磁鐵部分緊緊吸在鋼軌側(cè)面,磁鐵與鋼軌接觸部分上面和側(cè)面的形狀和尺寸按鋼軌斷面的形狀和尺寸來(lái)加工,可保證棱鏡座的小對(duì)中桿準(zhǔn)確對(duì)中鋼軌中心,如圖5 所示。 橫桿端頂部可安裝棱鏡接頭(徠卡式接頭或測(cè)機(jī)舍接頭),橫桿端頂下有一小對(duì)中桿并配有鎖緊螺帽,松開(kāi)時(shí)小對(duì)中桿可落在鋼軌上。棱鏡座的各個(gè)配件都是機(jī)加工,對(duì)中精度很高,可達(dá)到1 mm 之內(nèi)。

該裝置包括5 個(gè)部分(如圖5 所示):100 吸附底座,200 找中支架,300 垂向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),400 橫向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),500 找中桿。

圖5 鋼軌找中裝置組成

(1)定位座100 的截面與鋼軌600 尺寸相同,通過(guò)該弧面與鋼軌下側(cè)面圓弧面接觸,實(shí)現(xiàn)定位,如圖6 所示。

(2)定位座100 上面布置強(qiáng)磁鐵110,依靠強(qiáng)磁鐵110 與鋼軌600 的吸力實(shí)現(xiàn)該支座的固定,如圖7所示。

圖6 鋼軌找中裝置組成示意

圖7 吸附底座示意

(3)找中支架200 由支撐桿210 與托板220 組成,220 上設(shè)有錐形孔,錐形孔與定位座100 的相對(duì)位置固定;錐形孔的軸線位置則根據(jù)定位座100 與支撐桿210 及托板220 的相對(duì)尺寸確定,三者組成的部件與鋼軌下側(cè)面圓弧接觸后,托板220 上錐形孔的錐尖剛好位于鋼軌的中心面上,如圖6 所示。

(4)垂向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)300 為矩形滑槽,滑塊310 可在滑槽320 內(nèi)垂直于鋼軌方向滑動(dòng),旋轉(zhuǎn)330 手柄;絲杠340 帶動(dòng)320 移動(dòng),絲杠340 與端蓋350 間設(shè)置擋肩(防止滑塊310 在滑槽320 內(nèi)滑動(dòng));調(diào)節(jié)完成后,旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘360,滑塊310 的位置即固定。 滑塊310 有限位槽,限位螺釘370 可以防止310 滑動(dòng)時(shí)脫落。 具體結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

(5)橫向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)400 可實(shí)現(xiàn)平行于鋼軌方向的調(diào)節(jié)。 調(diào)節(jié)手柄420、抱箍410 可在滑槽430 內(nèi)平行于鋼軌方向滑動(dòng)。 411 的端面為圓弧面,可以防止放置于其中心孔內(nèi)的桿件在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中抱死,彈性柱塞412 解決了其中心孔內(nèi)桿件轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的竄動(dòng)問(wèn)題,如圖9 所示。

圖8 垂向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)剖面示意

圖9 橫向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)示意

(6)500 為找中桿,510 為錐形桿,其錐形端置于托板220 錐形孔內(nèi),510 錐形端與找中裝置200 的組合可實(shí)現(xiàn)鋼軌找中;平板520 上固定萬(wàn)向水平氣泡530,萬(wàn)向水平氣泡530 的軸線與錐形桿510 的軸線平行。 通過(guò)調(diào)節(jié)橫向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)400 與垂向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)300,并同時(shí)觀察萬(wàn)向水平氣泡530,直到萬(wàn)向水平氣泡530 居中。 此時(shí),錐形桿510 的軸線即處于鋼軌中心面并與水平面垂直。 找中桿與實(shí)物裝置如圖10所示。

圖10 找中桿示意圖與實(shí)物裝置現(xiàn)場(chǎng)

2 施測(cè)工法的研究

2.1 外業(yè)里程丈量

既有曲線整正的目的是保證線路曲線平滑圓順,其正矢精度滿足修理規(guī)則要求即可。 因此,現(xiàn)場(chǎng)里程丈量沒(méi)有必要采用鐵路中心里程。 為了便于現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記,單線里程丈量采用左股鋼軌進(jìn)行標(biāo)記,雙線下行采用左股鋼軌、上行采用右股鋼軌進(jìn)行標(biāo)記,直線上每50 m 一點(diǎn)、曲線上每20 m 或25 m 一點(diǎn)進(jìn)行里程標(biāo)記(標(biāo)記在外側(cè)鋼軌軌腰上)[1011]。 為保證里程丈量精度,改用徠卡D510 激光測(cè)距儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼尺。 大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,測(cè)距精度得到了很大提升。 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 測(cè)距結(jié)果比較 m

采用傳統(tǒng)絕緣精密鋼尺進(jìn)行測(cè)量時(shí),對(duì)于直線段,一般采用25 m+25 m 進(jìn)行50 m 里程定位,其產(chǎn)生的誤差主要由測(cè)段誤差和鋼尺未能緊密貼合鋼軌面造成;對(duì)于曲線段,測(cè)量弦長(zhǎng)時(shí),鋼尺狀態(tài)為懸空且難以貼合軌面,故數(shù)據(jù)偏差較大。 而激光測(cè)距則很好地克服了傳統(tǒng)測(cè)距的不足,提高了丈量精度。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量如圖11 所示,左圖為現(xiàn)有里程測(cè)量模式,右圖為傳統(tǒng)丈量模式。

圖11 里程測(cè)量工作

2.2 中線平面測(cè)量原理與方法

(1)測(cè)量原理

以置鏡點(diǎn)為圓心,定向方向?yàn)镹 建立測(cè)量相對(duì)坐標(biāo)系。 由于第一點(diǎn)、第二點(diǎn)方向角和平距已測(cè)量,所以第一、二兩點(diǎn)的N,E 坐標(biāo)均可直接計(jì)算出來(lái),第三點(diǎn)方向已知(方位角已測(cè)),第三點(diǎn)和第二點(diǎn)的距離為測(cè)點(diǎn)間距(在以第二點(diǎn)為圓心、間距為半徑的圓上)。 此圓與第三點(diǎn)和置鏡點(diǎn)直線方向的關(guān)系為相交、相切、相離(相離時(shí)表示角度測(cè)量有誤)。 一般情況下為相交,相交時(shí)應(yīng)有兩個(gè)交點(diǎn)。 根據(jù)第一點(diǎn)、第二點(diǎn)的N,E 坐標(biāo)以及理論的交點(diǎn)坐標(biāo),結(jié)合既有線變形狀況,可以排除兩個(gè)交點(diǎn)中的一個(gè)交點(diǎn),從而計(jì)算出第三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。 以之類推,可以求出整個(gè)測(cè)站內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的全部坐標(biāo)。 若一次測(cè)量不完整個(gè)曲線,則將第二測(cè)站內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的計(jì)算坐標(biāo),平移旋轉(zhuǎn)到第一測(cè)站內(nèi)的最后3 個(gè)點(diǎn)上,從而計(jì)算出第二測(cè)站內(nèi)各測(cè)點(diǎn)位于第一測(cè)站內(nèi)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。 多測(cè)站測(cè)量曲線時(shí),重復(fù)以上步驟,即可計(jì)算出所有測(cè)點(diǎn)在一個(gè)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

(2)測(cè)量方法

傳統(tǒng)偏角法作業(yè)必須將儀器(如電子經(jīng)緯儀)架設(shè)于線路鋼軌之上[12]。 而坐標(biāo)法可將全站儀架設(shè)在鐵路路肩通視條件較好之處,儀器精確整平后,打開(kāi)激光對(duì)中,在地面上標(biāo)記好對(duì)中點(diǎn),記錄儀器對(duì)應(yīng)于鋼軌上標(biāo)志里程的大概位置值,然后將儀器瞄準(zhǔn)既有鐵路上某一固定建筑物作為方向定向點(diǎn)。 為操作計(jì)算方便,將此方向設(shè)為零方向(即將儀器水平角設(shè)置為0°00′00″),然后依次測(cè)量既有鐵路上各個(gè)測(cè)點(diǎn)。 測(cè)量時(shí),第一點(diǎn)、第二點(diǎn)、距離測(cè)站最近點(diǎn)和每站測(cè)量終點(diǎn)等必須測(cè)量和記錄其水平角和水平距離,其他各點(diǎn)只測(cè)量水平角。 列車經(jīng)過(guò)后,須重新對(duì)中整平(對(duì)中點(diǎn)為原儀器架設(shè)整平后的標(biāo)記點(diǎn)),重新定向。 若一條曲線一次測(cè)量不完,可將儀器搬到下一置鏡位置,重復(fù)以上步驟,并重復(fù)上一站最后3 個(gè)點(diǎn)即可。 圖12,圖13 為傳統(tǒng)偏角法作業(yè)現(xiàn)場(chǎng),圖14,圖15 為新工法作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

圖12 偏角法現(xiàn)場(chǎng)設(shè)站

圖13 偏角法現(xiàn)場(chǎng)對(duì)點(diǎn)

圖14 新工法現(xiàn)場(chǎng)設(shè)站

圖15 新工法現(xiàn)場(chǎng)對(duì)點(diǎn)

原始觀測(cè)數(shù)據(jù)整理如圖16 所示。

圖16 數(shù)據(jù)整理成果示意

3 測(cè)點(diǎn)撥距計(jì)算

3.1 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)外業(yè)資料和鐵路有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求,優(yōu)選出合理的曲線半徑及前后緩和曲線長(zhǎng)度,使得各測(cè)點(diǎn)撥距的絕對(duì)值之和最小,即

3.2 曲線半徑和緩長(zhǎng)的優(yōu)選

先選擇曲線中部的三個(gè)點(diǎn),利用三點(diǎn)定圓的原理,計(jì)算出圓心坐標(biāo)及半徑,將兩個(gè)起點(diǎn)作為初切線,最后兩點(diǎn)作為終切線,計(jì)算曲線的總偏角,從而計(jì)算出曲線的主要要素,找出ZY、YZ 點(diǎn)的大致位置,最后利用圓曲線每三點(diǎn)為一組求出計(jì)算半徑R′,將R′取整,計(jì)算出圓心到初(終)切線的垂直距離P′,從而由式(2)計(jì)算出曲線的初(終)內(nèi)移量P

由式(3)計(jì)算出起(終)緩長(zhǎng)l

將l 取整后,重新計(jì)算圓心位置,進(jìn)行全曲線撥量計(jì)算,算出一個(gè)實(shí)驗(yàn)值f,有

由此可算出直圓點(diǎn)到圓直點(diǎn)之間各個(gè)f。 選擇f最小的那一組R1,l1,l2,X0,Y0,即為最優(yōu)值。

3.3 各測(cè)點(diǎn)撥距計(jì)算

利用各測(cè)點(diǎn)的里程,計(jì)算出此里程對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)位置切線方程,測(cè)點(diǎn)到切線的距離近似為各測(cè)點(diǎn)的撥道量,計(jì)算內(nèi)容主要分為以下幾個(gè)方面:

①直線(前后切線)點(diǎn)撥距計(jì)算。

②圓曲線上各測(cè)點(diǎn)的撥距計(jì)算。

③緩和曲線上各測(cè)點(diǎn)的撥距計(jì)算。

4 數(shù)據(jù)處理軟件開(kāi)發(fā)

為提高數(shù)據(jù)處理效率,達(dá)到外業(yè)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的無(wú)縫連接,基于EXCEL 和VB6.0 開(kāi)發(fā)編寫了觀測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件,數(shù)據(jù)處理流程如圖17 所示。

圖17 數(shù)據(jù)處理流程

5 實(shí)例應(yīng)用對(duì)比

為了探究該施測(cè)工法的可靠性與現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)效率,在京廣線(武漢局信陽(yáng)工務(wù)段京廣線下行)既有曲線測(cè)量項(xiàng)目中進(jìn)行了傳統(tǒng)的偏角法與新工法之間的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。 兩種方法所采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一致,包括2 個(gè)曲線作業(yè)面(均為大半徑曲線),編號(hào)為41 號(hào)曲線和42 號(hào)曲線,以現(xiàn)場(chǎng)外業(yè)數(shù)據(jù)測(cè)量與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理所用的總時(shí)間和最終曲線撥道量為對(duì)比量進(jìn)行工法分析。

5.1 施測(cè)時(shí)間對(duì)比

施測(cè)時(shí)間對(duì)比如表2 所示。

由表2 和表3 可以看出,傳統(tǒng)偏角法內(nèi)外業(yè)所用時(shí)間遠(yuǎn)多于自由測(cè)站新工法。

表2 偏角法與自由設(shè)站新工法外業(yè)施測(cè)時(shí)間對(duì)比min

表3 偏角法與自由設(shè)站新工法內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間對(duì)比min

5.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)比

表4、表5 分別為41 號(hào)曲線新工法與偏角法數(shù)據(jù)計(jì)算成果,表6、表7 分別為42 號(hào)曲線新工法與偏角法數(shù)據(jù)處理成果。

該方法已在武漢鐵路局、廣鐵集團(tuán)各工務(wù)相關(guān)部門實(shí)際作業(yè)中得到認(rèn)可和廣泛應(yīng)用。 如武漢局已將其應(yīng)用于寧西線線路復(fù)測(cè)及局內(nèi)鐵路線路大修測(cè)量。 現(xiàn)以京廣線(武漢局信陽(yáng)工務(wù)段京廣線下行)既有曲線測(cè)量為例進(jìn)行對(duì)比,該次作業(yè)范圍包括曲線有2 個(gè),編號(hào)為41 號(hào)曲線和42 號(hào)曲線。 圖13 為現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)錄入與整理,表1 和表2 為編號(hào)41、42 曲線的計(jì)算成果。

表4 41 號(hào)曲線計(jì)算成果(新工法)

表5 41 號(hào)曲線計(jì)算成果(偏角法)

表6 42 號(hào)曲線計(jì)算成果(新工法)

表7 42 號(hào)曲線計(jì)算成果(偏角法)

續(xù)表7

兩種方法的撥道量較差如表8 所示。

表8 偏角法與新工法撥量成果較差 mm

通過(guò)測(cè)量成果的比較,偏角法與坐標(biāo)法在撥量上相差不大(最大差值為8 mm),其精度在既有線現(xiàn)場(chǎng)施工允許范圍之內(nèi)[1415]。