高速拖曳水池轨道建设工程若干问题探讨

魏方以，徐 昊，蒋志鹏，贡建国

（上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240）

0 引言

在高速拖曳水池建设过程中，轨道建设是极为关键的核心工程，其直接影响到高速拖车的速度稳定性与精度，从而影响模型试验性能数据的准确性和重复性[1]。拖曳水池轨道与传统铁轨在结构特点、荷载特点与工作特点等方面存在明显区别，通常由主轨和副轨组成，每根轨道为整根无缝焊接，并严格保证轨道的水平度、直线度和平行度，控制水池池壁不均匀沉降变形对轨道的影响，以确保模型拖曳试验精度。

随着近年来国内新建拖曳水池不断增多，整体趋势也呈现投入多、规模大、精度高、功能广等多元特征。但如何提高其轨道建设的质量、控制加工与安装精度，从而满足未来各类模型试验的科研需求，是业内尤为关注的问题。本文以上海交通大学拖曳水池轨道建设为例，总结分析了轨道设计加工与安装、轨道测量与调整、轨道安装精度分析等若干工程问题，并针对相关技术问题探讨可行对策。上海交通大学拖曳水池轨道如图1所示。

图1 上海交通大学拖曳水池轨道

1 轨道的设计、加工与安装

上海交通大学多功能拖曳水池整体尺度300 m×16 m×7.5 m，拖车最大拖曳速度达10 m/s，轨道由中国航空救生研究所（610所）负责建造，其技术指标如下[2]：

轨道总长约300 m，轨距16.6 m；

相对于水平面，轨道顶面各点水平度偏差小于±0.1 mm，每米偏差小于±0.05 mm；

每根轨道直线度偏差小于±0.2 mm，每米偏差小于±0.1 mm；

轨道基座的间距不小于500 mm，轨道在各基座处沿垂向可调距离不小于20 mm，沿水平向可调距离不小于±5 mm.

因此，高精度技术指标为轨道系统的设计、加工、安装、调试和维护等工作带来了重大的技术难度与挑战。

1.1轨道设计与加工

钢轨材质选用U71Mn，经质检局对金相组织、硬度、冲击功、抗拉强度、屈服强度、断后伸长率等项目检验合格。根据轨道技术指标，除满足拖车载荷要求外，轨道设计时应考虑两个方向的调节余量，满足双向调节和锁定，从而克服由于水池地基的变形、内部应力与外部载荷变化所引起的轨道基础沉降及变形，如图2所示。710所胡志仁等针对拖曳水池高精度轨道的调节锁紧问题，对轨道调节范围、轨道直线度和水平度调节机构以及调节支座的固定3个方面进行了研究[3]。轨道六个面进行精密预加工过程中，需要对加工质量严格控制管理，认真制定钢轨加工尺寸检测记录表，避免出现轨道预加工后轨面粗糙度超标，影响轨道精确调整，导致拖车运行速度不稳定，水平导轮卡轨等现象。

图2 轨道布置图

轨道焊接轨头精密预加工过程中，需提前制定可行的轨道焊接施工方案，完成轨道现场焊接试验，详细记录每个试验焊接头的正火参数、检测精度、超声波探伤及落锤试验情况，最终记录轨道正式焊接、正火相关数据，并检测滑轨固有频率。

1.2轨道的安装

轨道安装分为预埋件铺设与浇筑、轨道铺设两部分。土建施工时应预留预埋孔或槽，防止在扣件铺设与浇筑时出现尺寸偏差。在保证设计水位前提下，开始铺设预埋件，预埋件的定位采用激光跟踪仪，并保持对池壁的沉降与变形监测，以便预埋件浇筑固定后满足轨道调整要求，施工流程如图3所示。

图3 轨道预埋件施工流程图

轨道焊接后，由五工位精铣机床加工，加工精度同轨道预加工要求一致，逐步推进完成300 m轨长。轨道安装时检测与调整所采用的测量仪器必须达到高于0.05 mm的测量精度，包括Leica TM30和FARO激光跟踪仪等，如图4.

图4 Leica激光跟踪仪及靶球

2 轨道的测量与调整

通常，拖曳水池轨道测量采用传统水准槽[4-5]、轴线定位[6]、USMN[7]、常规测量[8]等测量方法。我校水池采用建立基于GPS精密高程测量技术的永久独立基准线方法，沿水池纵向单侧布置12个基准桩，跨度约306 m.与传统水准槽测量方法相比，独立基准线测量方法能更好地控制高精度轨道的测量和调整精度，有力保证了轨道的安装、调整与维护。此外，也有一些水池基准点间距在水池两端为18 m，中间相邻基准桩距离约30 m，按照基准点的直线度要求，测量精度为±0.2 mm+0.5 ppm，安装精度为±2 mm，全长相对误差±0.5 mm.采用Leica TM30和Trimble水准仪完成了基准点强制归心装置的安装放样及精密测量工作，点位放样精度达到3 mm，高程放样精度达到1 mm.对轨道检测与调整采用的设备包括Leica TM30和FARO激光跟踪仪和Trimble水准仪。采用Leica TM30全站仪进行了基准桩的安装放样，定义当地坐标系，1号点为坐标系原点，x轴与滑轨平行，基本指东，y轴指南，z轴垂直向上，构成左手坐标系。基准桩个数共计12个，点位分布及坐标系如图5所示。

图5 基准桩点位分布及坐标系

为使测量结果更精确，需对基准桩进行多次复测，同时相对上次安装位置进行微调，并利用激光跟踪仪测量与全站仪测量进行互相检核。

3 轨道精度分析

拖车系统的稳定性对模型试验至关重要，决定拖车运动性能的因素比较多，包括轨道精度、运行距离、拖车与轨道的固有频率、拖车结构配置、拖车轮压均衡性、拖车控制系统品质等，其中轨道精度是关键因素[3]。而轨道精度取决于轨道设计与加工、轨道测量与调整以及水池地基环境因素等。因此，校核施工后的轨道精度显得尤为重要和复杂。

轨道系统精度的重要考核指标是轨道直线度、水平度、平行度等。为全面了解我校水池轨道精度达标情况，通过抽样校验基准线、局部控制点稳定性观测、轨道全局校验等方法，总结分析出轨道精度情况如下：

1）基准线抽样校验。实测基准桩数据经坐标体系旋转后换算，基准桩坐标最终成果如表1所示，该成果可以作为轨道基准，由于工区地质环境较为复杂，加上水池蓄水的变化和基准桩高度较高，坐标可能随时间存在微小变化。

表1 基准桩坐标成果

2）5组控制点稳定性监测情况。分别在主副轨上150、190，504，550，570 号扣件点附近各取 5 个控制点，并结合2016年3月至2017年5月共计6次监测值进行分析。

如图6结果显示，拖曳水池中间部位轨道间距受水位影响明显，而端部与砼结合部位的轨道，间距的变化反映的是温度与水位两种介质综合影响结果，曲线变形特点有很大区别。

图6 局部控制点稳定性观测间距随时间变化曲线

3）高程方向。主、副轨相对位置关系如图7，主副轨高程方向总体有波浪式凸起变形，主要是池壁段位间沉降差异引起，一定时间和区间范围内呈规律性变化。但对应点主副轨高差值接近于0，Z主-Z副=0视为双观测，则高程Z向直线性中误差±0.1 mm.

图7 轨道垂直方向主副轨相对位置关系

4）水平方向。通过对10～250 m段（着重考虑常用加速、稳速段）轨道水平方向变形数据分析，如图8所示，经最小二乘处理各测段轨道Y向直线性数据，形成Y向合理的调整后不符值，整体Y向直线性中误差小于±0.14 mm.

图8 轨道水平方向主副轨相对位置关系

5）直线度方向。利用激光跟踪仪专用靶球对A（主轨），B（副轨）两轨直线度进行检测，测量结果如图9～图10所示，除轨道两端外，直线度较好，绝大部分偏差在0.2 mm左右。

图9 A轨直线度测量结果

图10 B轨直线度测量结果

最后，通过开展模型试验，结合信号实测数据分析与频谱分析情况，对拖车控制精度及轨道精度进行验证，模型试验结果准确性及重复性良好。图11～图12显示为某船模阻力试验时厉图及频谱分析图，30 kn基本无振动干扰，信号采集带宽较小。

图11 Vs=30kn，Vm=4.806 m/s试验数据时厉图

图12 Vs=30kn，Vm=4.806m/s试验数据频谱分析图

4 讨论

轨道建设工程系统复杂、技术要求高、地质条件复杂、周期长、难度大，任何工程环节对轨道质量与精度都有重大影响，针对以上各技术问题，提出几点建议如下：1）轨道设计形式必须考虑有足够横向、纵向调节余量，轨道加工与安装过程需严格控制施工误差；2）改进传统水槽测量方法，利用高精密激光跟踪仪最大限度提高测量调整精度；3）在水池土建过程中，充分考虑地基影响，保证足够的压水时间，对温度、池壁沉降与变形进行定期监测；4）对可能出现的拖车与轨道共振影响，建议轨道扣件或车轮采用不均匀形式分布，或在轨道相邻两扣件中心挠度满足荷载变形情况下，可考虑加大扣件支点距离，或利用高分子材料填充方式增加部分支撑点。

参考文献：

[1]俞湘三.船舶性能实验技术[M].上海：上海交通大学出版社，1991.

[2]上海交通大学多功能拖曳水池拖车与轨道系统验收技术资料[Z].2017.

[3]胡志仁，陈玉龙，金梁斌.高精度轨道调节锁紧机构设计[J].机电工程，2017（05）：483-486，537.

[4]胡志仁，金梁斌，陈玉龙.拖曳水池高精度轨道测量方法研究[J].机械工程师，2017（7）：120-123.

[5]杨大明，赵洪江.新建船池质量探讨[J].科学技术与工程，2009（03）：758-760.

[6]肖代文，邹进贵，张洪波，等.拖曳水池轴线定位测量研究[J].地理空间信息，2007（04）：88-89.

[7]周闻青，冷建兴，叶 欣，等.基于USMN的大型操纵性水池基础轨道空间位置测量方法研究[J].计测技术，2016（03）：10-13.

[8]姚纪震，万承东.船模试验水池工程测量简介[J].工程勘察，1983（03）：29-32.