高速拖曳水池軌道建設工程若干問題探討

魏方以，徐 昊，蔣志鵬，貢建國

（上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海200240）

0 引言

在高速拖曳水池建設過程中，軌道建設是極為關鍵的核心工程，其直接影響到高速拖車的速度穩定性與精度，從而影響模型試驗性能數據的準確性和重復性[1]。拖曳水池軌道與傳統鐵軌在結構特點、荷載特點與工作特點等方面存在明顯區別，通常由主軌和副軌組成，每根軌道為整根無縫焊接，并嚴格保證軌道的水平度、直線度和平行度，控制水池池壁不均勻沉降變形對軌道的影響，以確保模型拖曳試驗精度。

隨著近年來國內新建拖曳水池不斷增多，整體趨勢也呈現投入多、規模大、精度高、功能廣等多元特征。但如何提高其軌道建設的質量、控制加工與安裝精度，從而滿足未來各類模型試驗的科研需求，是業內尤為關注的問題。本文以上海交通大學拖曳水池軌道建設為例，總結分析了軌道設計加工與安裝、軌道測量與調整、軌道安裝精度分析等若干工程問題，并針對相關技術問題探討可行對策。上海交通大學拖曳水池軌道如圖1所示。

圖1 上海交通大學拖曳水池軌道

1 軌道的設計、加工與安裝

上海交通大學多功能拖曳水池整體尺度300 m×16 m×7.5 m，拖車最大拖曳速度達10 m/s，軌道由中國航空救生研究所（610所）負責建造，其技術指標如下[2]：

軌道總長約300 m，軌距16.6 m；

相對于水平面，軌道頂面各點水平度偏差小于±0.1 mm，每米偏差小于±0.05 mm；

每根軌道直線度偏差小于±0.2 mm，每米偏差小于±0.1 mm；

軌道基座的間距不小于500 mm，軌道在各基座處沿垂向可調距離不小于20 mm，沿水平向可調距離不小于±5 mm.

因此，高精度技術指標為軌道系統的設計、加工、安裝、調試和維護等工作帶來了重大的技術難度與挑戰。

1.1軌道設計與加工

鋼軌材質選用U71Mn，經質檢局對金相組織、硬度、沖擊功、抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率等項目檢驗合格。根據軌道技術指標，除滿足拖車載荷要求外，軌道設計時應考慮兩個方向的調節余量，滿足雙向調節和鎖定，從而克服由于水池地基的變形、內部應力與外部載荷變化所引起的軌道基礎沉降及變形，如圖2所示。710所胡志仁等針對拖曳水池高精度軌道的調節鎖緊問題，對軌道調節范圍、軌道直線度和水平度調節機構以及調節支座的固定3個方面進行了研究[3]。軌道六個面進行精密預加工過程中，需要對加工質量嚴格控制管理，認真制定鋼軌加工尺寸檢測記錄表，避免出現軌道預加工后軌面粗糙度超標，影響軌道精確調整，導致拖車運行速度不穩定，水平導輪卡軌等現象。

圖2 軌道布置圖

軌道焊接軌頭精密預加工過程中，需提前制定可行的軌道焊接施工方案，完成軌道現場焊接試驗，詳細記錄每個試驗焊接頭的正火參數、檢測精度、超聲波探傷及落錘試驗情況，最終記錄軌道正式焊接、正火相關數據，并檢測滑軌固有頻率。

1.2軌道的安裝

軌道安裝分為預埋件鋪設與澆筑、軌道鋪設兩部分。土建施工時應預留預埋孔或槽，防止在扣件鋪設與澆筑時出現尺寸偏差。在保證設計水位前提下，開始鋪設預埋件，預埋件的定位采用激光跟蹤儀，并保持對池壁的沉降與變形監測，以便預埋件澆筑固定后滿足軌道調整要求，施工流程如圖3所示。

圖3 軌道預埋件施工流程圖

軌道焊接后，由五工位精銑機床加工，加工精度同軌道預加工要求一致，逐步推進完成300 m軌長。軌道安裝時檢測與調整所采用的測量儀器必須達到高于0.05 mm的測量精度，包括Leica TM30和FARO激光跟蹤儀等，如圖4.

圖4 Leica激光跟蹤儀及靶球

2 軌道的測量與調整

通常，拖曳水池軌道測量采用傳統水準槽[4-5]、軸線定位[6]、USMN[7]、常規測量[8]等測量方法。我校水池采用建立基于GPS精密高程測量技術的永久獨立基準線方法，沿水池縱向單側布置12個基準樁，跨度約306 m.與傳統水準槽測量方法相比，獨立基準線測量方法能更好地控制高精度軌道的測量和調整精度，有力保證了軌道的安裝、調整與維護。此外，也有一些水池基準點間距在水池兩端為18 m，中間相鄰基準樁距離約30 m，按照基準點的直線度要求，測量精度為±0.2 mm+0.5 ppm，安裝精度為±2 mm，全長相對誤差±0.5 mm.采用Leica TM30和Trimble水準儀完成了基準點強制歸心裝置的安裝放樣及精密測量工作，點位放樣精度達到3 mm，高程放樣精度達到1 mm.對軌道檢測與調整采用的設備包括Leica TM30和FARO激光跟蹤儀和Trimble水準儀。采用Leica TM30全站儀進行了基準樁的安裝放樣，定義當地坐標系，1號點為坐標系原點，x軸與滑軌平行，基本指東，y軸指南，z軸垂直向上，構成左手坐標系。基準樁個數共計12個，點位分布及坐標系如圖5所示。

圖5 基準樁點位分布及坐標系

為使測量結果更精確，需對基準樁進行多次復測，同時相對上次安裝位置進行微調，并利用激光跟蹤儀測量與全站儀測量進行互相檢核。

3 軌道精度分析

拖車系統的穩定性對模型試驗至關重要，決定拖車運動性能的因素比較多，包括軌道精度、運行距離、拖車與軌道的固有頻率、拖車結構配置、拖車輪壓均衡性、拖車控制系統品質等，其中軌道精度是關鍵因素[3]。而軌道精度取決于軌道設計與加工、軌道測量與調整以及水池地基環境因素等。因此，校核施工后的軌道精度顯得尤為重要和復雜。

軌道系統精度的重要考核指標是軌道直線度、水平度、平行度等。為全面了解我校水池軌道精度達標情況，通過抽樣校驗基準線、局部控制點穩定性觀測、軌道全局校驗等方法，總結分析出軌道精度情況如下：

1）基準線抽樣校驗。實測基準樁數據經坐標體系旋轉后換算，基準樁坐標最終成果如表1所示，該成果可以作為軌道基準，由于工區地質環境較為復雜，加上水池蓄水的變化和基準樁高度較高，坐標可能隨時間存在微小變化。

表1 基準樁坐標成果

2）5組控制點穩定性監測情況。分別在主副軌上150、190，504，550，570 號扣件點附近各取 5 個控制點，并結合2016年3月至2017年5月共計6次監測值進行分析。

如圖6結果顯示，拖曳水池中間部位軌道間距受水位影響明顯，而端部與砼結合部位的軌道，間距的變化反映的是溫度與水位兩種介質綜合影響結果，曲線變形特點有很大區別。

圖6 局部控制點穩定性觀測間距隨時間變化曲線

3）高程方向。主、副軌相對位置關系如圖7，主副軌高程方向總體有波浪式凸起變形，主要是池壁段位間沉降差異引起，一定時間和區間范圍內呈規律性變化。但對應點主副軌高差值接近于0，Z主-Z副=0視為雙觀測，則高程Z向直線性中誤差±0.1 mm.

圖7 軌道垂直方向主副軌相對位置關系

4）水平方向。通過對10～250 m段（著重考慮常用加速、穩速段）軌道水平方向變形數據分析，如圖8所示，經最小二乘處理各測段軌道Y向直線性數據，形成Y向合理的調整后不符值，整體Y向直線性中誤差小于±0.14 mm.

圖8 軌道水平方向主副軌相對位置關系

5）直線度方向。利用激光跟蹤儀專用靶球對A（主軌），B（副軌）兩軌直線度進行檢測，測量結果如圖9～圖10所示，除軌道兩端外，直線度較好，絕大部分偏差在0.2 mm左右。

圖9 A軌直線度測量結果

圖10 B軌直線度測量結果

最后，通過開展模型試驗，結合信號實測數據分析與頻譜分析情況，對拖車控制精度及軌道精度進行驗證，模型試驗結果準確性及重復性良好。圖11～圖12顯示為某船模阻力試驗時厲圖及頻譜分析圖，30 kn基本無振動干擾，信號采集帶寬較小。

圖11 Vs=30kn，Vm=4.806 m/s試驗數據時厲圖

圖12 Vs=30kn，Vm=4.806m/s試驗數據頻譜分析圖

4 討論

軌道建設工程系統復雜、技術要求高、地質條件復雜、周期長、難度大，任何工程環節對軌道質量與精度都有重大影響，針對以上各技術問題，提出幾點建議如下：1）軌道設計形式必須考慮有足夠橫向、縱向調節余量，軌道加工與安裝過程需嚴格控制施工誤差；2）改進傳統水槽測量方法，利用高精密激光跟蹤儀最大限度提高測量調整精度；3）在水池土建過程中，充分考慮地基影響，保證足夠的壓水時間，對溫度、池壁沉降與變形進行定期監測；4）對可能出現的拖車與軌道共振影響，建議軌道扣件或車輪采用不均勻形式分布，或在軌道相鄰兩扣件中心撓度滿足荷載變形情況下，可考慮加大扣件支點距離，或利用高分子材料填充方式增加部分支撐點。

參考文獻：

[1]俞湘三.船舶性能實驗技術[M].上海：上海交通大學出版社，1991.

[2]上海交通大學多功能拖曳水池拖車與軌道系統驗收技術資料[Z].2017.

[3]胡志仁，陳玉龍，金梁斌.高精度軌道調節鎖緊機構設計[J].機電工程，2017（05）：483-486，537.

[4]胡志仁，金梁斌，陳玉龍.拖曳水池高精度軌道測量方法研究[J].機械工程師，2017（7）：120-123.

[5]楊大明，趙洪江.新建船池質量探討[J].科學技術與工程，2009（03）：758-760.

[6]肖代文，鄒進貴，張洪波，等.拖曳水池軸線定位測量研究[J].地理空間信息，2007（04）：88-89.

[7]周聞青，冷建興，葉 欣，等.基于USMN的大型操縱性水池基礎軌道空間位置測量方法研究[J].計測技術，2016（03）：10-13.

[8]姚紀震，萬承東.船模試驗水池工程測量簡介[J].工程勘察，1983（03）：29-32.