轨道中线直接测量方法及其实现*

朱洪涛 林晓峰 卢 俊 钱计妙

(1.南昌大学机电工程学院，330031，南昌;2.江西日月明铁道设备开发有限公司，330029，南昌∥第一作者，教授)

高速铁路上的轨道几何参数可分为轨道内部几何参数和轨道外部几何参数两大部分。其中，轨道外部几何参数主要是指轨道中线及左右轨相对于设计线位的平面(横向)、高程(竖向)偏差。高速铁路无论是在建设阶段还是运营阶段，都必须严格控制轨道中线的位置及其变化，其控制指标的典型值为± 10 mm［1］。

轨道中线坐标是轨道几何平顺性检测的基本测量项目［2－3］。目前，对高速铁路轨道中线的测量方法主要有两种:①采用全站仪+水准仪进行人工直接测量;②采用轨道测量仪进行自动观测［4］。上述两种测量方法存在人工计算工作量大、测量效率低等问题。为此，本文描述了一种自动、连续、高精度直接测量轨道中线的测量方法及其实现，一种新型轨道测量仪可大大减少测量误差、简化计算、提高测量效率。

1 轨道中线测量方法

1.1 现有轨道中线测量方法及其存在的问题

1)轨道中线人工间接测量方法:人工间接测量时，可利用二端设置有棱镜的轨道尺或直接置镜于钢轨顶面，在轨道的同一断面上对左右轨棱镜分别进行一次人工照准和观测，二次测量点的连线中点坐标，扣除棱镜到轨面的固定高差后，即可视为轨道中线的坐标。与对应点的轨道设计中线坐标进行比较，可得到实测的轨道中线横、竖向偏差。该方法为间接测量轨道中线坐标的方法，需二次人工照准和观测，并进行坐标换算，其计算工作量大、测量效率低;同时，该方法还受轨距、超高、方位角、坡度等因素的影响，在扣除棱镜到轨面的固定高差时会带来角度误差。

2)轨道中线人工直接测量方法:人工直接测量时，利用带强制对中结构的轨道中线尺［5］，人工操作将棱镜准确定位在轨道中线上，一次人工照准和测量即可获得轨道中线坐标，且不受轨距、超高、方位角、坡度等因素的影响。其人工计算工作量减小了，测量精度和测量效率也提高了。该方法虽属于直接测量轨道中线坐标的方法，但仍属于人工测量。并且，该方法为定点测量，每点测量时都必须按一定的顺序进行繁琐的人工操作。因此，该方法只适用于对轨道中线少量点进行人工抽查。

3)轨道中线自动间接测量方法:其属自动间接观测的测量。计算机遥控高精度全站仪实测出轨道测量仪上棱镜点的三维坐标，并与轨道测量仪同步测量的姿态参数(轨距、超高、方位角、坡度等)进行信息融合，实时计算出对应点处的轨道中线点实测坐标、设计坐标及轨道中线横、竖向偏差。轨道测量仪为小车结构，可沿轨道推行，根据需要进行连续测量或定点测量，其操作简单快捷，并可通过计算机来完成复杂的数据处理，自动化程度和测量效率均显著地高于人工观测方法，是目前高速铁路轨道中线测量的主要方法。该方法为间接测量轨道中线的方法，参与坐标换算的信息既包括棱镜点坐标，还包括轨距、超高等测量项目的测量值，同时还需根据轨道设计资料估计轨道的方位角、坡度等，其误差环节较多，信息融合后的误差叠加现象明显。与轨道中线±10 mm 的控制精度指标相对应，轨道中线测量方法所必须达到的测量精度的典型值是±3 mm［6］，从而对小车结构、各测量项目的误差控制，特别是对全站仪的精度等级提出了更高的要求。

1.2 一种连续的轨道中线直接测量方法

轨道中线测量的理想状态是在轨道中线连续或定点测量过程中，轨道测量仪上的棱镜光学中心始终与轨道中线点重合。在这种理想状态下，全站仪观测所获得的小车棱镜光学中心坐标就是待测的轨道中线点坐标，而与小车姿态无关，即可自动、连续地直接测量轨道中线。

轨道中线测量理想状态的实现需要做到:①将小车棱镜光学中心设置于轨道测量仪左右轮系的下母线(即左、右轨顶面)的连线中点上;②轨道测量仪左右轮系以轨道作用边(轨顶面下16 mm 处)为基准将小车棱镜自动强制对中，使上述连线中点与轨道中线点重合。

2 轨道中线直接测量方法的实现

2.1 新型轨道测量仪的总体结构

为满足新型轨道测量仪进行轨道中线直接测量和其他轨道几何参数测量的要求，新型轨道测量仪的总体结构设计为呈前后、左右对称分布的“工”字型结构，如图1。此新型轨道测量仪主要由防尘罩、测量梁、提手、推杆座、中间回转组件和辅助梁等组成。其中，辅助梁除没有设置小车棱镜适配器之外，其结构都与测量梁基本相同。将推杆组件安装在推杆座组件上后，新型轨道测量仪可沿轨道推行，对轨道中线坐标等轨道几何状态进行测量。

图1 新型轨道测量仪的总体结构图

测量梁的结构图如图2所示。测量梁主要由左轮系，左梁，自动强制对中装置，右梁，右轮系等组成。左梁与右梁、左轮系与右轮系对称布置且结构相同。其中，左轮系、右轮系通过走行轮与测量轮分别和左右轨的踏面与作用边压靠，小车棱镜适配器置于测量梁的对称中心、自动强制对中装置的中心箱体的下方。

新型轨道测量仪中的各零部件在满足测量要求的前提下，在机械结构设计、机械加工工艺和材料选择等方面都充分考虑了其实用性、便捷性和美观性等要求。

图2 测量梁的结构图

2.2 关键结构的实现

自动强制对中装置是该新型轨道测量仪的核心部件，由自动强制对中机构与小车棱镜适配器等组成。其结构如图3所示。该装置包括由上齿条、中心箱体、中心齿轮、下齿条等组成的自动对中装置及由棱镜底座、磁铁和球形棱镜等组成的小车棱镜适配器。自动强制对中装置的主要功能是保证新型轨道测量仪在走行、测量等过程中，小车棱镜光学中心始终与轨道中线点重合。

图3 自动强制对中装置的结构图

2.2.1 小车棱镜适配器设计

小车棱镜适配器的作用是为小车棱镜光学中心提供安装、定位的基础，并使其光学中心处于新型轨道测量仪左、右轮系之走行轮的下母线连线中点上。

小车棱镜适配器中的球形棱镜具有安装方便、精度高、性价比高等优点。因此，该新型轨道测量仪选择了球形棱镜。由于球形棱镜的外壳为铁磁性材料，因此考虑到安装的便利性，利用磁铁的磁力将其准确定位并安装在棱镜底座的中线位置。

小车棱镜适配器安装在测量梁的对称中心、中心箱体的下方。为保证小车棱镜光学中心与轨道中线点重合，小车棱镜适配器安装面高度与棱镜底座的直径和高度、球形棱镜直径等构成一个竖向尺寸链，按完全互换原则进行设计、加工与调整;其横向位置按完全对称结构进行设计、加工与调整。

2.2.2 自动强制对中机构的设计

自动强制对中机构的作用是在小车推行及轨道中线测量的过程中，在保持左右轮系与相应钢轨作用边密贴的前提下，实现中心箱体自动强制对中，从而确保小车棱镜光学中心点始终与轨道中线点重合。

自动强制对中机构采用齿轮齿条的直线对中方案，主要由中心箱体、安装在中心箱体上的中心齿轮、与左梁固联的上齿条、与右梁固联的下齿条及压缩弹簧等组成，位于测量梁的中间位置。中心齿轮同时与上、下齿条啮合，组成直线对中机构［7－9］。根据相对运动原理，中心齿轮与齿条的节点为二者的速度瞬心［9］，当任一齿条带动中心齿轮时，中心齿轮都同时带动另一齿条做相反方向的直线运动，并且两齿条的移动距离相等，从而确保上、下齿条从中心箱体中能够同步伸出或缩回。因此，当左、右轮系与钢轨密贴时，自动强制对中机构就会发挥强制对中的作用。压缩弹簧施加一个驱动左、右梁伸出的弹簧力，始终保持左、右轮系与钢轨的密贴，实现自动强制对中的作用。

由于设置有自动强制对中装置，能保证小车棱镜光学中心点始终与轨道中线点重合，故新型轨道测量仪在测量轨道中线时，在其内部主控计算机的控制下，遥控型全站仪将自动完成对小车棱镜的搜索、跟踪、照准、观测和测量数据的无线上传;在上位机进行轨道中线实测坐标的计算，查询轨道中线设计坐标并计算轨道中线横、竖向偏差，且显示和存储测量结果，完成对轨道中线的自动测量。此时全站仪测量小车棱镜光学中心所获得的坐标值即为轨道中线点的实测坐标值，避免了轨距、超高、方位角、坡度等因素的影响，减少了引入测量误差的环节，从而提高了测量装置的精度。

自动强制对中机构的上、下齿条还为左梁、右梁提供双轴导向的作用。同时，上、下齿条之间的相对位移就是轨距相对于标准轨距的偏差，安装于左梁中的轨距传感器可将下齿条作为轨距测量探杆以实现对轨距的测量。

2.3 三维建模与运动仿真

根据设计要求，在零件初始设计参数的基础上，利用UG 软件进行三维实体建模，并按照装配关系进行虚拟装配，最后进行运动模拟仿真，并参照设计要求对结构进行最优化设计。轨道中线测量的新型轨道测量仪的虚拟样机模型如图4所示。

图4 轨道中线直接测量的新型轨道测量仪样机模型图

3 新型轨道测量仪的样机制造与调试

按照设计零件图，加工出新型轨道测量仪的各个零件，并按照装配图进行整车组装，同时将电控部分进行组装，实现机电结合;最后对其各项性能进行调试，实现了设计预期功能。样机工作时的宽度为1 634 mm，长度为708 mm，高度为200 mm，重约55 kg。轨道中线测量的新型轨道测量仪样机实物如图5所示。

图5 新型轨道测量仪样机实物图

4 结语

现行的轨道中线人工间接观测的测量方法中存在人工计算工作量大、测量效率低等问题，人工直接观测的测量方法中存在人工操作繁琐、只能对轨道中线少量点进行人工抽查等问题。而现行的轨道中线自动测量方法为间接观测，存在误差环节较多、信息融合时误差叠加现象明显、对小车结构及全站仪精度等有更高的要求等问题。

本文在分析现行的轨道中线测量方法的基础上，提出了一种直接测量轨道中线的自动直接观测方法，并设计了一种能实现对轨道中线直接测量的新型轨道测量仪。该新型轨道测量仪利用自动强制对中机构和小车棱镜适配器机构等保证了小车棱镜光学中心始终与轨道中线点重合，从而在测量原理上有效地减少了测量的误差环节，使轨道中线测量的精度仅取决于全站仪而不受轨距、水平、坡度、方位角等参数的影响，实现了轨道中线自动、连续、高精度的直接测量。

新型轨道测量仪适用于高速铁路线路现场施工、维护等场合下对轨道中线进行的连续或定点测量，可简化操作、减少计算工作量，使全站仪的测量精度得到最有效的发挥。初步结果显示，中线测量的精度有比较显著的提高，故其应用前景广阔。

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