火箭橇滑軌空間線形高精度測量和調(diào)校技術(shù)研究

趙洪洋

(中鐵十一局集團(tuán)第三工程有限公司 湖北十堰 442012)

1 引言

隨著我國高新技術(shù)和武器裝備研制的發(fā)展，迫切需要在地面模擬高速運動裝備在空中真實飛行的動態(tài)試驗方法。我國于1997年在中部地區(qū)建成長度3.132 km火箭橇試驗滑軌，2012年在西北某地又建成了9 km高精度火箭橇滑軌[1]。由于軍事工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，原有軌道的精度和長度已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代高速試驗的要求，2020年在原有9 km滑軌基礎(chǔ)上延長至16 km，目前該滑軌長度居世界第一。火箭橇滑軌能否達(dá)到既定的測試要求，軌道直線度是關(guān)鍵因素，如何借鑒高鐵軌道測控技術(shù)摸索總結(jié)出火箭橇滑軌的調(diào)校測量技術(shù)，是火箭橇滑軌調(diào)校施工面臨的關(guān)鍵難題。

2 滑軌調(diào)校測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

滑軌進(jìn)行完鋼軌焊接、探傷、軌道張拉錨固鎖定后，開始對軌道直線度進(jìn)行調(diào)校。軌道調(diào)校依據(jù)高精度徠卡AT402激光跟蹤儀測量，先對主軌調(diào)校，依次以主軌為基準(zhǔn)，調(diào)校副軌，主軌相對于基準(zhǔn)線、副軌相對于主軌在水平方向和垂直方向的允許偏差均為±0.20 mm，調(diào)校技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)按表1要求執(zhí)行。

表1 火箭撬滑軌調(diào)校技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3 滑軌調(diào)校測量技術(shù)方案

3.1 滑軌調(diào)校流程

火箭撬軌道調(diào)校原則為:先主軌，后副軌；先高程，后水平；先粗調(diào)，再精調(diào)。火箭橇滑軌0.2 mm級直線度的安裝精度要求極高，需要經(jīng)歷多次測量和調(diào)校才能滿足驗收標(biāo)準(zhǔn)，其調(diào)校方法大致分為粗調(diào)和精調(diào)兩個階段。

3.2 現(xiàn)場條件

3.2.1 建立測量控制網(wǎng)

如圖1所示，測量控制網(wǎng)分為兩級，分別為K樁控制網(wǎng)和C樁控制網(wǎng)[2](又稱基準(zhǔn)樁)。C樁控制網(wǎng)主要用于軌道安裝及對調(diào)校進(jìn)行精確控制，沿線路布設(shè)，間距為60 m左右一個；而K樁控制網(wǎng)[3]主要是對滑軌的整體控制且為C樁網(wǎng)的起算點，間距為300 m左右一個。

圖1 測量控制網(wǎng)示意(單位:mm)

3.2.2 軌道結(jié)構(gòu)

軌道結(jié)構(gòu)如圖2所示。由主軌和副軌兩部分組成的無縫線路，軌道幾何中心線擬建一條空間直線，整個鋼軌鋪設(shè)在2.2 m寬、2～3 m高的梁面上。梁面由若干長度為15 m的預(yù)制梁組裝而成，每片梁上有15對預(yù)埋扣件，每個扣件間隔為1 m。

圖2 軌道結(jié)構(gòu)

軌道扣件局部結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過用開口扳手和套筒扳手調(diào)節(jié)橫向和豎向螺母便可分別調(diào)節(jié)鋼軌高程、水平方向及軌面左右傾斜度。

圖3 軌道安裝示意(單位:mm)

3.3 施工準(zhǔn)備

3.3.1 儀器設(shè)備及工裝檢測

火箭橇滑軌的高平順性要求，需用到徠卡AT402激光跟蹤儀、高精度全站儀、電子水準(zhǔn)儀等儀器分別進(jìn)行滑軌粗調(diào)和精調(diào)作業(yè)。依據(jù)滑軌調(diào)校技術(shù)要求，并且根據(jù)調(diào)校步驟不同，先后設(shè)計了粗調(diào)和精調(diào)工裝裝置，并對工裝進(jìn)行測試，確保精度滿足施工需要。

3.3.2 清理滑軌上的污染物

測量前用毛巾清除粘附在滑軌上的灰渣、污垢等。嚴(yán)禁使用鋼絲刷，以防破壞鋼軌件表面的防護(hù)層。

3.4 滑軌粗鋪和粗調(diào)

滑軌直線度最終要達(dá)到0.2 mm以內(nèi)，為了減少后續(xù)滑軌調(diào)整量，前期軌道和扣件安裝必須要經(jīng)過粗調(diào)。從實際施工情況來看，粗調(diào)后滑軌調(diào)整量控制在2 mm以內(nèi)可有效減少后期精調(diào)施工作業(yè)量。

3.4.1 滑軌扣件安裝施工測量

在兩相鄰基準(zhǔn)樁中間架設(shè)全站儀，使用相鄰四個連續(xù)基準(zhǔn)樁控制點進(jìn)行自由設(shè)站[4]，設(shè)站精度應(yīng)滿足表2要求。

表2 粗調(diào)測量自由設(shè)站精度要求

設(shè)站精度滿足要求后每隔10 m測量一個扣件外側(cè)擋板定位參考點的坐標(biāo)，根據(jù)滑軌設(shè)計位置和相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸計算出定位點與設(shè)計橫向擋板面的偏距，每次設(shè)站可測量四個基準(zhǔn)點間180 m長度。

用電子水準(zhǔn)儀測量每一個豎向螺絲頂面的高程，測量范圍以兩片梁為宜，計算每個墊板對應(yīng)的設(shè)計高程，根據(jù)滑軌設(shè)計位置和相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸計算出豎向螺絲與設(shè)計承軌墊板間的高差。

3.4.2 滑軌扣件安裝

將計算出的定位點與設(shè)計橫向擋板面間的偏距、豎向螺絲與設(shè)計承軌墊板間的高差調(diào)整數(shù)據(jù)交由施工隊安裝扣件(見圖4)。通過L型鋼尺測量對應(yīng)的偏距與高差調(diào)整墊板和外側(cè)擋板位置，通過水平尺控制墊板水平；墊板需要逐個扣件調(diào)整，外側(cè)擋板每10 m安裝一個，10 m之內(nèi)的其他擋板則采用拉弦線的方法調(diào)整。

圖4 扣件安裝定位

3.4.3 滑軌橫向偏差測量與粗調(diào)

利用全站儀后視前后各兩個基準(zhǔn)樁進(jìn)行自由設(shè)站，然后將粗調(diào)工裝卡在需要測量處的滑軌內(nèi)側(cè)，如圖5所示。設(shè)站精度滿足表2要求且扣件粗調(diào)到位后，將螺絲擰緊后拉弦線調(diào)整中間的扣件。調(diào)整完成后再將所有扣件處鋼軌橫向復(fù)測一遍，將誤差大的扣件再進(jìn)行微調(diào)，最終使得粗調(diào)完成后的軌道橫向誤差控制在2 mm內(nèi)。

圖5 軌道橫向粗調(diào)工裝及其測量棱鏡

全站儀相鄰測站間應(yīng)至少搭接一個基準(zhǔn)樁控制點和三個扣件點，搭接點間橫向坐標(biāo)較差應(yīng)小于2mm。滑軌橫向偏差測量方法如圖6所示。

圖6 全站儀測量滑軌橫向偏差方法

3.5 主軌精調(diào)

滑軌粗調(diào)完成后進(jìn)行應(yīng)力放散、張拉錨固鎖定后開始滑軌空間線形精調(diào)。主軌精調(diào)采用AT402激光跟蹤儀進(jìn)行測量，使用邊緣基座依次測量兩個基準(zhǔn)樁之間的每個扣件處滑軌三維坐標(biāo)，如圖7所示。在儀器坐標(biāo)系下測量完成后，利用兩個基準(zhǔn)樁控制點進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，檢核基準(zhǔn)樁控制點穩(wěn)定性，檢核合格后將扣件點滑軌測量結(jié)果與設(shè)計值進(jìn)行比較算出調(diào)整量。根據(jù)調(diào)整量調(diào)校軌面傾斜、高程和橫向偏差[5－6]。采用百分表調(diào)整滑軌高程和橫向偏差，采用水準(zhǔn)管調(diào)整軌面左右傾斜[7]。

圖7 激光跟蹤儀滑軌精調(diào)測量方法

3.5.1 滑軌直線度精確測量步驟

(1)將激光跟蹤儀架設(shè)在兩個基準(zhǔn)點之間，并將儀器整平，再預(yù)熱30 min進(jìn)行初始化。激光跟蹤儀初始化時靶球距離儀器8～10 m為宜。

(2)采用精密測量模式對本站兩個基準(zhǔn)點進(jìn)行測量，每次測量時間為10 s，連續(xù)測量三次，要求三次重復(fù)測量坐標(biāo)較差小于0.1 mm，然后取均值作為基準(zhǔn)點測量結(jié)果。

(3)使用邊緣基座對扣件點處滑軌進(jìn)行坐標(biāo)測量，標(biāo)準(zhǔn)模式下測量時間為3 s。為了使兩站觀測值能夠很好地銜接，對兩站之間的公共點進(jìn)行重復(fù)觀測，相鄰兩測站重復(fù)觀測3個扣件點。前后兩站搭接點觀測值之差小于0.4 mm后，將搭接點的兩套坐標(biāo)采用余弦函數(shù)平滑搭接的方法進(jìn)行平順搭接；如果兩者之差超過0.4 mm，則該兩站測量數(shù)據(jù)視為誤差過大，要求重新觀測。

(4)使用調(diào)整量計算軟件[8]計算出每個扣件點處滑軌高低和橫向方向調(diào)整值，生成調(diào)整量報告。

3.5.2 滑軌精密調(diào)校步驟

(1)將帶有調(diào)平裝置的百分表固定到底座內(nèi)側(cè)螺栓的一側(cè)，整平百分表基座；將軌面左右傾斜度檢測裝置放在滑軌表面上，顯示調(diào)整軌面左右傾斜度；把高程和橫向方向兩個百分表初始值歸零，并將滑軌線形調(diào)整到位后的理論值標(biāo)注在軌面上。

(2)依據(jù)“先高低后方向”的原則，一次松開3處扣件。根據(jù)調(diào)整值用開口扳手調(diào)整豎向螺母以調(diào)整軌面高程，同時通過軌面左右傾斜度檢測裝置控制滑軌面左右傾斜度；根據(jù)調(diào)整量用套筒扳手轉(zhuǎn)動橫向螺母以調(diào)整滑軌橫向方向，待三處扣件百分表數(shù)值均趨近于理論值時，用套筒扳手鎖緊豎向和橫向螺母，扭矩值達(dá)400 N·m。再擰松下一處扣件螺絲，直至完成整條延長線主軌安裝。

(3)對調(diào)整后的軌道線形進(jìn)行復(fù)測，檢查是否達(dá)到滑軌安裝要求。如達(dá)到要求，則完成主軌安裝工作，進(jìn)行驗收；如果未達(dá)到要求，則按照本次測量結(jié)果重復(fù)上述步驟進(jìn)行下一遍精調(diào)，直至達(dá)到要求。

3.5.3 施工要點

(1)調(diào)校當(dāng)中使用套筒扳手及開口扳手時一定要輕拿輕放，且不可碰到調(diào)校裝置或引起大的振動，使百分表波動，并且調(diào)校時要時刻關(guān)注讀數(shù)變化，防止調(diào)校過量。若碰撞調(diào)校裝置后使表讀數(shù)出現(xiàn)異常時，此點位切勿再調(diào)校，做好標(biāo)注，待下次測量時再重新調(diào)校。

(2)當(dāng)橫向方向調(diào)整量小于0.5 mm時，可以不松開豎向螺母，直接用套筒扳手轉(zhuǎn)動橫向螺母以調(diào)整滑軌橫向方向。

(3)在觀測實施過程中一定要使邊緣基座內(nèi)側(cè)面緊貼軌道內(nèi)側(cè)面。

(4)靶球一定要正對激光束射出方向，減弱測量誤差。激光跟蹤儀觀測過程中要避免工作人員在儀器周圍頻繁走動。

3.6 副軌精調(diào)

副軌粗調(diào)之后，基本能達(dá)到直線度、平整度在±2 mm范圍內(nèi)，傾斜度基本在10′范圍內(nèi)，整體軌向基本順直平滑。副軌精調(diào)采用精密軌距尺相對定位測量[9－10]，也就是主軌精調(diào)完成后，采用專用精密軌距尺，以主軌為基準(zhǔn)，測量每一個扣件處滑軌的軌距和超高，計算調(diào)整量，并對副軌每一個扣件的橫向、豎向螺栓進(jìn)行調(diào)校，調(diào)校方法與主軌相同，直至調(diào)整到位。重復(fù)進(jìn)行以上副軌精調(diào)工作，直至達(dá)到質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)。

3.7 滑軌線形驗收

主軌線形采用激光跟蹤儀進(jìn)行驗收，副軌線形采用精密軌距尺進(jìn)行驗收。在兩基準(zhǔn)樁范圍內(nèi)，若80%的點位數(shù)據(jù)滿足技術(shù)要求，對不合格的點位用百分表現(xiàn)場調(diào)校并檢測，并立即進(jìn)行跟檢驗收。若合格點位達(dá)不到80%，則重復(fù)精調(diào)直至滿足驗收要求。

從本工程滑軌線形測量結(jié)果來看，滑軌普遍在三遍精調(diào)后80%的點位能達(dá)到0.2 mm限差要求，少數(shù)測段需要四至五遍精調(diào)才能滿足要求。表3為隨機(jī)挑選的一段主軌驗收測量數(shù)據(jù)，滑軌直線度等精度指標(biāo)滿足驗收技術(shù)要求。

表3 某段主軌驗收測量數(shù)據(jù)

4 應(yīng)用前景

火箭橇滑軌軌道調(diào)校技術(shù)異于常規(guī)鐵路，且遠(yuǎn)高于鐵路的軌道平順性要求，其調(diào)校測量方法對高鐵軌道平順性測控技術(shù)[11－12]具有補充作用，并且可為今后類似的火箭橇建設(shè)積累豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗，本文總結(jié)出一套科學(xué)的施工工藝，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語

調(diào)校后的火箭橇滑軌，在近期的數(shù)次科研測試中均圓滿完成了任務(wù)，達(dá)到了測試要求。通過借鑒吸收成熟的高鐵軌道測量技術(shù)，邊實踐、邊研究總結(jié)出了切實可行的滑軌調(diào)校測量和施工工藝，提高了滑軌調(diào)校效率，有效地縮短了工期，提前完成了火箭橇的軌道調(diào)校任務(wù)。