真空管磁浮列車T形槽軌平順度檢測方法研究及應用

何 勇，劉成龍，楊雪峰,段博凱

(1. 西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 611756； 2. 西南交通大學高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 611756)

目前，國內(nèi)外關(guān)于真空管磁浮列車的研究正處于研討和小范圍試驗階段[1-3]。我國真空管高速交通工程運營速度的戰(zhàn)略定位為600～1000 km/h[4]，如此高速運行的磁浮列車要求T形槽軌(以下簡稱槽軌)需具備良好的平順度。

為配合我國某重點實驗室真空管磁浮列車試驗線的建設，本文對該試驗線中的槽軌平順度檢測與分析方法進行研究，并將研究結(jié)果在試驗線的建設中進行了應用驗證。該試驗線為長約150 m的直線管道，其內(nèi)徑約4 m，管道內(nèi)設計了5條槽軌，其位置分布如圖1所示。所謂槽軌的平順度是指槽軌橫向直線度和豎向平整度，即要求槽軌中心線上的各點在平面內(nèi)是一條直線、在豎面內(nèi)是等高的。由于管道內(nèi)環(huán)境條件苛刻，同時槽軌平順度的檢測誤差要求小于1 mm，因此槽軌平順度檢測的難度大，檢測、分析和調(diào)整方法及其精度值得研究。

1 槽軌平順度測量與分析方法

本文采用三維坐標測量法來檢測槽軌的平順度[5]，需先在管道內(nèi)建立高精度的三維控制網(wǎng)，進而依據(jù)三維控制網(wǎng)測量各條槽軌上各個測點的三維坐標，然后根據(jù)同一條槽軌上各個測點的三維坐標分析自身的平順度，最后對平順度不滿足設計要求的槽軌進行精調(diào)。

1.1 三維控制網(wǎng)布設及其測量方法

根據(jù)測量的目的與要求，以及現(xiàn)場實際環(huán)境條件，沿管道內(nèi)兩側(cè)壁對稱布設5對測量控制點，并借鑒高鐵軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)建網(wǎng)技術(shù)[6-8]，采用全站儀自由測站測量技術(shù)進行管道內(nèi)三維控制網(wǎng)測量。設計的三維控制網(wǎng)測量網(wǎng)形及點位布設如圖2所示。

本文建立的三維控制網(wǎng)與傳統(tǒng)CPⅢ控制網(wǎng)不同，前者是在管道內(nèi)無法進行水準測量的情形下，僅進行了自由測站測量，然后基于自由測站測量的三維觀測值，通過數(shù)據(jù)處理得到控制網(wǎng)的三維坐標及其精度，具體方法及步驟敘述如下。

1.1.1 平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方法

(1) 采用智能型全站儀配合專用數(shù)據(jù)采集軟件完成外業(yè)測量后，對平面控制網(wǎng)先進行自由網(wǎng)平差，得到控制點在假定坐標系下的平面坐標及其精度。

(2) 控制網(wǎng)的坐標系設計為如圖1所示的工程獨立坐標系，即X軸為管道縱向、Y軸為管道橫向、Z軸垂直XOY面豎直向上，該坐標系有利于后續(xù)槽軌平順度的分析與調(diào)整。

(3) 由控制點中C1和C5自由網(wǎng)平差后的坐標計算出C1到C5的距離L，進一步以C1(0，0)和C5(L，0)為已知點進行平面控制網(wǎng)約束平差，得出各個控制點的平面坐標及其精度。

1.1.2 高程控制網(wǎng)構(gòu)建與數(shù)據(jù)處理方法

已知自由測站基本觀測量為水平方向值、天頂距和斜距，則可根據(jù)三角高程原理計算出測站至各控制點間的單向高差，因此本文基于自由測站三維觀測值構(gòu)建三角高程網(wǎng)。

設三角高程在單向觀測過程中，測站點到控制點間的天頂距為β、斜距為S、儀器高為i、目標高為v，則三角高差計算式為[9]

(1)

式中，K為大氣垂直折光系數(shù)；R為地球平均曲率半徑。

由式(1)可計算出測站點到本站觀測的控制點間的直接高差，同一測站兩直接高差相減即可得到相鄰控制點間的間接高差[10]，因其滿足中間法三角高程測量的條件[11]，因此相鄰控制點間的間接高差計算公式可以簡化為式(2)。由此，可計算出各相鄰控制點間的間接高差。

h′=S1cosβ1-S2cosβ2

(2)

采用精密的觀測儀器，嚴格控制觀測限差要求，可構(gòu)建高精度的三角高程控制網(wǎng)，其網(wǎng)形如圖3所示，進一步進行三角高程網(wǎng)平差計算可得出各個控制點的高程值及其精度。

1.2 槽軌上各個測點三維坐標的測量方法

依據(jù)建立好的高精度三維控制網(wǎng)，本文采用自由設站測量與極坐標測量相結(jié)合的方法對槽軌上各測點進行測量，從而得到各條槽軌上一系列測點(離散點)的三維坐標。

自由設站測量的原理是全站儀在合適位置整平后，對4個及以上三維控制點進行三維觀測，進而對三維觀測值進行平差和精度評定[12-13]，得到儀器中心的三維坐標、定向角未知數(shù)及其精度情況，如圖4所示。

若設站精度滿足高精度的要求，則進一步采用極坐標測量法對安裝在槽軌測點上的測量標志進行測量，從而得到該測點的三維坐標，待該點測量完成后將測量標志移動至下一個測點，依次類推完成單條槽軌的測量。

1.3 槽軌平順度分析與精調(diào)方法

1.3.1 槽軌平順度分析方法

對于單條槽軌，平面內(nèi)依據(jù)各個離散點的X、Y坐標采用最小二乘擬合得到擬合直線，并將其作為基準直線，則可得出各點的擬合殘差(即橫向偏差)；豎面內(nèi)依據(jù)各個離散點的Z坐標取其平均值作為該條槽軌的基準高程，則可得出各測點與基準高程的較差(即豎向偏差)。將上述基準直線和基準高程統(tǒng)稱為參考基準。將上述擬合殘差和較差統(tǒng)稱為偏差(下同)，之后對偏差進行統(tǒng)計分析即可得到槽軌的平順度情況。

式中，4項指標分別為擬合殘差的最大值、絕對值的平均值、極差和中誤差。

綜上所述，通過以上4項統(tǒng)計指標來分析槽軌平順度，橫向(豎向)偏差的各項統(tǒng)計指標值越小，則表明各點Y(Z)坐標之間相差越小且越靠近基準直線(基準高程)，即直線度(平整度)越好。

1.3.2 槽軌平順度調(diào)整量計算方法

為提高槽軌平順度質(zhì)量，本文提出基于偏差計算調(diào)整量并據(jù)此對槽軌進行精調(diào)的方法。以計算平面內(nèi)橫向調(diào)整量為例(計算豎向調(diào)整量同理)，介紹橫向調(diào)整量計算方法如下：

槽軌精調(diào)完成后，依據(jù)上述測量和分析方法再次對槽軌進行平順度檢測和分析，若平順度滿足設計要求，則可進行后續(xù)工作；否則應再次進行精調(diào)，直至平順度滿足設計要求。

2 研究結(jié)果應用情況

運用本文方法在管道內(nèi)建立三維控制網(wǎng)，經(jīng)統(tǒng)計可知平差計算得到的各控制點的X、Y、Z坐標中誤差均小于1 mm，表明該方法實際可行且精度高。依據(jù)此控制網(wǎng)進行多次自由設站測量，結(jié)果表明設站精度能夠滿足高精度的要求。

依據(jù)本文選定參考基準的方法，則可得到各測點與參考基準間的偏差情況，如圖5所示(僅描繪L軌，其余4軌同理)；根據(jù)平順度統(tǒng)計指標對各槽軌上一系列測點的橫向(平面內(nèi))和豎向(豎面內(nèi))偏差情況進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表1。

由圖5可知，槽軌上各測點分布在參考基準的附近，波動比較明顯；由表1可知，對于各條槽軌而言，橫向和豎向偏差的各項統(tǒng)計指標值都比較大。綜上表明各槽軌的平順度不好，因此需要進行精調(diào)。

依據(jù)本文計算調(diào)整量的方法計算出槽軌上各扣件處的橫向和豎向調(diào)整量，進而對槽軌進行精調(diào)，待精調(diào)工作完成后再次對槽軌的平順度進行檢測和分析，精調(diào)后各槽軌橫向與豎向偏差情況統(tǒng)計分析結(jié)果見表2。

由表1和表2對比可知，精調(diào)后各條槽軌的橫向偏差和豎向偏差的各項統(tǒng)計指標值均明顯減小，表明本文提出的槽軌精調(diào)方法能有效提高槽軌的平順度。

表1 各槽軌橫向與豎向偏差情況統(tǒng)計分析結(jié)果 mm

表2 精調(diào)后各槽軌橫向與豎向偏差情況統(tǒng)計分析結(jié)果 mm

3 結(jié) 論

通過對真空管磁浮試驗列車T形槽軌平順度檢測、分析與調(diào)整方法的研究分析和應用驗證，得出以下主要結(jié)論：

(1) 采用自由測站測量技術(shù)在管道內(nèi)建立三維控制網(wǎng)，以及基于三維控制網(wǎng)采用自由設站測量與極坐標測量法相結(jié)合的技術(shù)測量槽軌上各測點的三維坐標，方法可行且精度高、可靠性強。

(2) 基于實測的三維坐標分析選定參考基準的方法能準確方便地得出各測點的偏差，將槽軌的平順度偏差情況量化為4項統(tǒng)計指標來分析槽軌的直線度和平整度，能夠定量和全面地反映槽軌平順度。

(3) 基于偏差計算調(diào)整量和據(jù)此對槽軌進行精調(diào)的方法可顯著提升槽軌的平順度。

(4) 本文研究結(jié)果在實際工作中取得了較好的效果，對今后真空管磁浮列車T形槽軌平順度的檢測、分析、調(diào)整和實際應用具有參考價值。