高速滑軌工程軌道測量方案設計及關鍵設備選擇

張偉靖 孫 寧 黃立喜 梅小飛

(63870部隊，陜西 華陰 714200)

1 概述

高速滑軌車借助與扣合在軌頭上的滑靴沿著軌道高速運動，粗糙的軌道不僅會在滑車產生巨大的震動，而且當轎車質量較大，速度很高時，還可能發生損壞軌道，滑車的脫軌等安全問題。研究指出，當某處軌道實際位置與理論值的誤差每增加0.2 mm，滑車運動時震動載荷將增加30%，因而高速滑軌道的高平直度是保證滑車能高速平穩運行的必需條件，保證高平直度的方法是對軌道進行精密調整。

2 測量原理

2.1 主軌測量原理

主軌調直就是對主軌進行高低和橫向調整，測量需得到每一個固定點的高低和橫向調整量。其思路是：以相鄰兩個基準點構造空間基準直線，經過基準線構造空間水平面和垂直面，得到軌上每個點的空間坐標，由于兩點與兩平面的位置關系得到點于水平面和垂直面的距離，將此距離值與設計值進行運算比較，得到主軌相對基準線的高低和左右偏差值，作為軌道調整的參數。

2.2 副軌測量原理

副軌測量是在主軌調直的基礎上進行，采用的軌檢尺技術已在鐵路上廣泛采用，比較成熟，本文不再探討。

3 測量方案設計及設備選擇

對主軌的測量，激光跟蹤儀和全站儀從原理上都可實現，但其測量精度、操作方便性和價格等相差較大，下面主要從設備的測量原理、測量方法、測量精度和操作方便性等方面對激光跟蹤儀和全站儀進行比較。

3.1 激光跟蹤儀

激光跟蹤儀是建立在激光技術和自動控制及技術基礎上的一種新型空間坐標測量系統。它采用極坐標法原理進行三維測量，通過測量目標的水平角、垂直角及斜距，建立以測站為中心的坐標系。

激光跟蹤儀儀器坐標系是以跟蹤頭中心為原點，以度盤上的0讀數方向為X軸，以度盤的法線向上的方向為Z軸，以右手坐標系確定Y軸，如此建立起儀器坐標系。當反射器在空間移動時，儀器會自動跟蹤，同時記錄干涉測距值D及水平度盤上和垂直度盤上的角度數值Hz，Vt，用這三個觀測值，按下式就可得到點儀器坐標系中的空間三維直角坐標x,y,z。

x=D·sinVt·cosHz,

y=D·sinVt·sinHz,

z=D·cosVt。

3.1.1測量方案設計

將激光跟蹤儀器置于兩軌之間，前后位置在兩相鄰基準樁之間，將激光反射靶球分別置于兩個基準樁上，在儀器坐標系中，先測量兩個基準樁頂的坐標，在軟件中對兩個樁頂坐標進行修正得到兩個理論基準點，用兩個理論點構造直線，此直線與理想的空間基準線重合。用軟件生成過直線的水平面和垂直面，將靶球置于鋼軌中心線上依次取點，得到一個扣件位置的坐標。在軟件中測得扣件位置與兩個面的距離。將兩個距離與主軌和基準線兩個方向分量的設計距離值相減，得到調軌用的橫向偏差和豎向偏差。

3.1.2測量精度分析

根據激光跟蹤儀的測量原理，在儀器坐標系中，每一個測點的三維坐標由儀器坐標原點到測點的斜距和兩個夾角通過坐標換算而來，其關系式如下式：

x=D·sinβ·sinα，

y=D·sinβ·cosα，

z=D·cosβ。

在已知激光跟蹤儀的測距精度和測角精度的情況如下，根據誤差傳播定律，其測量坐標的最大允許誤差為:

下面以目前市場上主流產品徠卡AT401型激光跟蹤儀為例，計算其利用于軌道測量時的三維坐標測量的精度。其測角精度為0.5″，測距精度為15 μm+6 μm/m。

在兩端最遠處，斜距D約為31 m，測距最大允許誤差MD為0.20 mm,水平角α約為76°，垂直角β約為89°，x坐標的測量最大允許誤差。

y坐標的測量最大允許誤差:

z坐標的測量最大允許誤差:

從以上計算可得出，X方向的測量誤差最大，它是沿軌道方向的，不參與調軌，其余兩個方向的最大誤差不超過0.09 mm，以上計算的條件是指距離遠，角度最大，設備測量誤差最大時得到的。當測點離儀器越近時，測量誤差會減小，如果再考慮工裝卡具、氣象等影響，其誤差不會超過0.1 mm是滿足測量精度要求的。

3.2 全站儀

全站儀是集測距、測角和微處理等技術、能夠自動測量目標點與全站儀的水平角、垂直角、斜距，并且能計算它們之間水平距離、高差、坐標增量，同時可自動顯示、記錄、存儲和數據輸出。它建立坐標系的方法與激光跟蹤儀類似，以為自己坐標原點建立獨立的極坐標或三維坐標系。新型的全站儀具有能自動識別反射棱鏡目標點和快速跟蹤功能。

3.2.1測量方案設計

同激光跟蹤儀。

3.2.2測量精度分析

以目前市場精度最高的徠卡TS30型全站儀為例，對三維坐標測量精度進行計算。其測角精度為0.5，測距精度為0.6 mm+1 μm/m。

相同條件下，x坐標的測量最大允許誤差：

y坐標的測量最大允許誤差:

z坐標的測量最大允許誤差:

表1 兩種儀器比較

從以上計算可得出，y,z坐標測量誤差最大為0.17 mm，如果再考慮其他的影響因素，如反射棱鏡誤差，連接工裝的誤差，環境影響等因素，其誤差已接近軌道的測量指標值0.02 mm。

3.3 技術特點對比

兩種儀器比較，見表1。從表1對比可得出，激光跟蹤儀的測量精度、操作方便性、效率等優先于全站儀，其他方面性能基本相當。我們多次與專業技術人員進行討論，并進行了實物驗證。方案的可行性、操作的方便性、精度分析計算方法和結果得到了驗證和確認。綜合考慮，認為激光跟蹤儀更適合于軌道測量。

4 結語

本文針對高速滑軌工程軌道的結構、特點和指標，在全面研究大空間精密測量技術和設備的基礎上，對相關設備進行了詳細地分析對比，設計了科學合理的測量方案，選擇了合適的設備，本文所做的工作將為軌道測量的工程實施提供充分的技術支持。