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(xué)機電工程學(xué)院，330031，南昌;2.江西日月明鐵道設(shè)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(shè)計線位的平面(橫向)、高程(豎向)偏差。高速鐵路無論是在建設(shè)階段還是運營階段，都必須嚴(yán)格控制軌道中線的位置及其變化，其控制指標(biāo)的典型值為± 10 mm［1］。

軌道中線坐標(biāo)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(zhǔn)儀進(jìn)行人工直接測量;②采用軌道測量儀進(jìn)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(shè)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(jìn)行一次人工照準(zhǔn)和觀測，二次測量點的連線中點坐標(biāo)，扣除棱鏡到軌面的固定高差后，即可視為軌道中線的坐標(biāo)。與對應(yīng)點的軌道設(shè)計中線坐標(biāo)進(jìn)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(biāo)的方法，需二次人工照準(zhǔn)和觀測，并進(jìn)行坐標(biāo)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(jié)構(gòu)的軌道中線尺［5］，人工操作將棱鏡準(zhǔn)確定位在軌道中線上，一次人工照準(zhǔn)和測量即可獲得軌道中線坐標(biāo)，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(biāo)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(jìn)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(jìn)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(biāo)，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(jìn)行信息融合，實時計算出對應(yīng)點處的軌道中線點實測坐標(biāo)、設(shè)計坐標(biāo)及軌道中線橫、豎向偏差。軌道測量儀為小車結(jié)構(gòu)，可沿軌道推行，根據(jù)需要進(jìn)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(fù)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(biāo)換算的信息既包括棱鏡點坐標(biāo)，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(shè)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(biāo)相對應(yīng)，軌道中線測量方法所必須達(dá)到的測量精度的典型值是±3 mm［6］，從而對小車結(jié)構(gòu)、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(xué)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?yán)忡R光學(xué)中心坐標(biāo)就是待測的軌道中線點坐標(biāo)，而與小車姿態(tài)無關(guān)，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?yán)忡R光學(xué)中心設(shè)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(zhǔn)將小車?yán)忡R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(jié)構(gòu)

為滿足新型軌道測量儀進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計為呈前后、左右對稱分布的“工”字型結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)組件和輔助梁等組成。其中，輔助梁除沒有設(shè)置小車?yán)忡R適配器之外，其結(jié)構(gòu)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(biāo)等軌道幾何狀態(tài)進(jìn)行測量。

圖1 新型軌道測量儀的總體結(jié)構(gòu)圖

測量梁的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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?yán)忡R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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)圖

2.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)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(gòu)與小車?yán)忡R適配器等組成。其結(jié)構(gòu)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?yán)忡R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?yán)忡R光學(xué)中心始終與軌道中線點重合。

圖3 自動強制對中裝置的結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 小車?yán)忡R適配器設(shè)計

小車?yán)忡R適配器的作用是為小車?yán)忡R光學(xué)中心提供安裝、定位的基礎(chǔ)，并使其光學(xué)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?yán)忡R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(zhǔn)確定位并安裝在棱鏡底座的中線位置。

小車?yán)忡R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?yán)忡R光學(xué)中心與軌道中線點重合，小車?yán)忡R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(gòu)成一個豎向尺寸鏈，按完全互換原則進(jìn)行設(shè)計、加工與調(diào)整;其橫向位置按完全對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計、加工與調(diào)整。

2.2.2 自動強制對中機構(gòu)的設(shè)計

自動強制對中機構(gòu)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(yīng)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?yán)忡R光學(xué)中心點始終與軌道中線點重合。

自動強制對中機構(gòu)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(gòu)［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(dāng)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(dāng)左、右輪系與鋼軌密貼時，自動強制對中機構(gòu)就會發(fā)揮強制對中的作用。壓縮彈簧施加一個驅(qū)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(shè)置有自動強制對中裝置，能保證小車?yán)忡R光學(xué)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?yán)忡R的搜索、跟蹤、照準(zhǔn)、觀測和測量數(shù)據(jù)的無線上傳;在上位機進(jìn)行軌道中線實測坐標(biāo)的計算，查詢軌道中線設(shè)計坐標(biāo)并計算軌道中線橫、豎向偏差，且顯示和存儲測量結(jié)果，完成對軌道中線的自動測量。此時全站儀測量小車?yán)忡R光學(xué)中心所獲得的坐標(biāo)值即為軌道中線點的實測坐標(biāo)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(gòu)的上、下齒條還為左梁、右梁提供雙軸導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計要求，在零件初始設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用UG 軟件進(jìn)行三維實體建模，并按照裝配關(guān)系進(jìn)行虛擬裝配，最后進(jìn)行運動模擬仿真，并參照設(shè)計要求對結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)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(shè)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(jìn)行整車組裝，同時將電控部分進(jìn)行組裝，實現(xiàn)機電結(jié)合;最后對其各項性能進(jìn)行調(diào)試，實現(xiàn)了設(shè)計預(yù)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(jié)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(chǔ)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(shè)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(gòu)和小車?yán)忡R適配器機構(gòu)等保證了小車?yán)忡R光學(xué)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(hù)等場合下對軌道中線進(jìn)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(jié)果顯示，中線測量的精度有比較顯著的提高，故其應(yīng)用前景廣闊。

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