长大空间直线滑轨精调施工技术研究

2021-07-27陈本见

铁道建筑技术 2021年7期

陈本见

（中铁十一局集团第三工程有限公司湖北十堰 442000）

1 工程概况

火箭橇轨道是航空工业重要的大型、高精度地面动态模拟试验设施，其承载火箭橇运行的高速度［1］，对轨道的平顺性提出极高的技术要求［2］。位于某地的火箭橇滑轨［3］全程为无缝线路（见图1）。钢轨为QU100的贝氏体精加工而成，铺设在U型梁体上，通过竖向与横向扣件与“U”型梁连接。扣件预埋在“U”型梁上，扣件间距1 m，分为竖向扣件和横向扣件，竖向扣件控制滑轨高程，横向扣件控制滑轨方向。轨道为平行设置在“U”梁上的两根钢轨组成，分为主轨和副轨，靠东侧的为主轨、西侧的为副轨，轨距要求为1 435 mm。

图1 火箭橇滑轨结构示意

2 滑轨精调技术要求

2.1 基准桩技术要求

滑轨调校是以基准桩的基准点为基准进行调校，滑轨基准控制网［4］如图2所示。

图2 滑轨基准控制网示意

基准桩每60 m设置一处，每个基准桩上有一个强制对中盘，强制对中盘中心有一个M14×1.5 mm的螺纹用来安置测量仪器或量具，以此作为滑轨平面内直线性基准；强制对中盘的上平面还有一个高程控制基准标志点，作为滑轨高程控制的基准。

以基准点为基础建立的空间理论直线［5］为基准，根据实际情况进行滑轨的调整检测，使其满足调整技术要求（见表1）。

表1 基准点技术参数 mm

2.2 滑轨调整技术要求

滑轨调整的技术要求如表2所示。

表2 滑轨调整技术要求

3 滑轨精测技术

3.1 测量设备及环境要求

火箭橇滑轨的高精度主要体现在轨道直线性的百万分之一上［6］，传统的测量仪器精度无法满足精度要求，所以选用目前最先进的测量仪器——激光跟踪仪，它是一种高精度测量仪器，采用球坐标［7］定位，能够对运动目标实时跟踪测量，具有安装简单快捷、测量精度高、效率高等特点，适用于大尺寸设备测量。激光跟踪仪测量范围水平方向为±360°，垂直方向为±145°，测量半径达到了320 m，适宜的环境温度为0～40°，适应的环境湿度最大为95%，其测量精度是15 μm＋6L（L为测量半径，单位为m），火箭橇滑轨每一站测量范围最长为30 m，所以其精度为 15 μm＋6L＝15 μm＋6 ×30 μm＝0.195 mm ＜0.2 mm［8］，能够满足火箭橇滑轨的对轨道调校的精度要求。

3.2 滑轨精测

滑轨精测［9］流程如下：施工准备→测量数据→数据分析及处理→形成成果报告。

3.2.1 施工准备

（1）施工区段编号

为便于数据的整理和分析，对现场进行区段划分编号。根据实际情况，需激光跟踪仪精测的施工区段主要为延长段主轨。区段编号的原则是以每节梁作为一个单元，编号表达为：Z（F）＋L＋测点数字号，Z（F）表示主轨（副轨），L表示桥梁号，测点数字号从北向南 1，…，15，如 Z200-10，表示主轨 200＃梁 10＃扣件。

（2）滑轨除污涂油

为确保测量数据的精准性，减少测量误差，必须在测量前利用钢丝球、棉抹布、煤油等先将滑轨锈迹、污渍清理干净。清理完成后在钢轨上均匀涂抹机油，确保钢轨表层被油膜保护并起到防锈作用。

（3）基准桩复核

基准点的稳定性直接影响滑轨的平顺性，每次测量前应对基准点数据进行复核，方法如下：

将激光跟踪仪架设在两个基准点中间位置，使用高精度模式观测两个基准点，计算两个基准点之间的水平距离和高差，与设计值进行对比，检核基准点稳定性。

（4）设备检查

激光跟踪仪到场后，首先需要对仪器进行检查，第一查看仪器的鉴定证书是否齐全，第二就是检查仪器本身测量精度，主要是检查仪器的水平角、竖直角误差和测距精度是否满足精度要求。通过多次重复测量多个固定点，对所得测量数据进行处理，求出夹角的平均值和距离平均值，然后用观测值减去平均值得到不符值，最后计算得出角度测量中误差和距离测量中误差，将仪器实际精度与理论精度进行分析比较，判断仪器精度是否达标，如果不达标就要对仪器进行返厂检修。

3.2.2 滑轨数据测量及分析处理

（1）滑轨测量

根据滑轨精调技术要求，完成准备工作后，使用激光跟踪仪进行测量（见图3）。测量步骤如下：

图3 激光跟踪仪测量示意

①仪器架设在两个基准点之间，在调平后进行初始化作业，作业前先将仪器预热30 min，等仪器与周围条件状态相吻合的时候进行观测，每站观测之前均需对仪器进行再一次初始化，激光跟踪仪初始化时靶球距离仪器约8～10 m为宜。

②采用精密测量模式对本站两个基准点进行测量，每次测量时间为10 s，连续测量3次。每次测量完成应将靶球拿起再放一遍，这样可最大限度地准确测量基准点坐标。要求三次重复测量坐标较差小于0.1 mm，然后取均值作为基准点测量结果。

③使用边缘基座对扣件点进行测量，测量模式为标准模式，测量时间约为3 s。为了使两站观测值能够很好地衔接，对两站之间的公共点进行重复观测，相邻两测站重复观测不少于3个扣件点。

如果前后两站搭接点观测值之差小于0.4 mm，将搭接点的两套坐标采用余弦函数平滑搭接的方法统一成一套。

如果两者之差偏差超过0.4 mm，则这两站数据视为粗差过大，要求对这两站重新观测。

（2）测量数据分析

本次使用的激光跟踪仪徕卡AT402与其搭配的测量软件是由美国New River Kinematics公司开发的Spatial Analyzer软件（简称SA），使用时需要专门的许可码授权才能运行，电脑和仪器通过网线连接后就可以操控仪器进行测量工作。

数据处理的核心部分在于坐标系建立与坐标转换［10］上，当一站数据测量完成后，就要进行一系列的坐标转换。主要涉及到了三个坐标系的转换，仪器坐标系—基点坐标系—轨道坐标系，数据测量是在仪器坐标系下进行的，测量完成后就要建立一个新的基点坐标系，以Z轴为铅垂线，第一个基准桩Ci为原点，两个基准桩Ci与Ci＋1的连线为Y轴建立基点坐标系。最后一步就是坐标转换，就是将基点坐标系转换为轨道坐标系，需要根据基准桩坐标计算出来的转换量进行“两转换，一平移”，两转换指的是将空间坐标系两轴绕着的Z轴和X轴按照计算出来的转换量进行旋转（见图4、图5），转换成轨道坐标系下的空间坐标；一平移就是将第一个基准桩坐标带入，使得里程、偏距和高程都是轨道参数。

图4 绕X轴旋转参数

图5 绕Z轴旋转参数

将转换后的坐标导入数据批量处理软件中，就可以得到滑轨精调数据报告（见表3），将其交由技术人员进行轨道精调作业。

表3 测量成果报告

续表3

4 滑轨精调

滑轨精调流程图如图6所示。

图6 滑轨精调流程

4.1 滑轨精调原则

火箭橇滑轨精调是根据静态测量数据［11］进行全面、系统地调整，合理控制轨距、轨向、高低等变化率，将其几何尺寸调整至允许范围内。

滑轨精调的基本原则是：先整体后局部，先主轨后副轨，重视复检。具体操作时主副轨精调还需依据各自特性，进行调整：主轨精调时应先高程、后轨向；副轨精调以调校好的主轨为基准，用零级道尺测量，配合钢轨水平调平仪进行调校。滑轨精调主要有3个关键之处：数据测量、数据分析、滑轨精调。遵循原则，把握关键点，才能保质保量完成滑轨精调［12］。

4.2 滑轨精调施工工艺及控制要点

4.2.1 扣件安装及调整

滑轨铺设前，提前将扣件安装好并对其进行调整，能够有效减少后期精调量，降低精调难度，提高精调质量。

以外侧竖向螺栓顶面中心为控制点测量数据，并反算竖向扣件（承轨垫板）及横向扣件（“U”型挡板）的调整量。依据调整量，先对外侧竖向螺栓底部螺帽高度进行调节，然后将水平气泡仪（精度要求0.02 mm/m）平放在承轨垫板上，并将其调平。待承轨垫板调整到位后，开始调整外侧“U”型挡板的偏距（即方向），外侧“U”型挡板调整完成后内侧仅安装上即可，便于滑轨入槽。

根据现场试验，垫板未受压状态时，螺母每旋转一圈，调整量为2 mm。扣件调整时应严格参照这一数据进行调整作业，以提高作业效率与质量。

4.2.2 主轨精调

在主轨完成铺设及应力放散后，对主轨精调作业。主轨精调作业主要分为3个阶段，具体工艺如下：

（1）第一阶段：利用零级道尺、钢轨水平调平仪进行高程、轨面倾斜度、方向精调，确保整体高程与方向误差在0.5 mm以内，轨面倾斜度误差在15′以内。具体步骤如下：

①进行人员编组。按照每组4人（技术员1人、操作工3人）对作业人员进行分组。

②高程及轨面倾斜度调整。滑轨高程与轨面倾斜度由承轨垫板与高低螺帽控制，因此在进行滑轨高程调整时同步利用钢轨水平调平仪进行轨面倾斜度调整。

首先以副轨为临时基准，由技术人员利用零级道尺读出调整前主副轨相对高差，将其用石笔记录在滑轨顶面上，并用石笔标记道尺测量位置。然后根据测量数据计算出道尺需要调整到的数值，并将其记录，如道尺测量原始参考数据显示为“＋0.5 mm”，测量调整量为“上0.6 mm”，道尺需要在调整后显示的数值为“＋1.1 mm”。依据调整值用开口扳手调整高低螺母，高程调整的同时将钢轨水平调平仪的气泡调整居中位置，直至调整合格。

③方向调整。高程与倾斜度调整完成后，利用零级道尺对主轨方向进行调整。首先以副轨为临时基准，将道尺活动端搭在主轨一侧，固定端搭在副轨一侧，读出主副轨相对距离，并标记测量位置，记录数据。道尺方向数据表示以“1 435”为参考值，如：“＋0.5 mm”即表示两根钢轨距离为1 435.5 mm。根据测量数据计算调整后道尺需显示的数据，并用石笔记录在滑轨顶面。如测量数据显示为“左0.4 mm”（测量数据中的左右统一规定为东边（即主轨一侧）为左，西边（副轨一侧）为右），则调整后道尺需显示的数据为“＋0.9 mm”。数据记录完成后调整横向螺母，通过“U”型挡板挤压钢轨底部，开始方向调整，直至调整到期望值。第一阶段精调时，需保护好滑轨上道尺测量标记及记录的数据，确保数据的重复可用性，便于复检复调，确保第一阶段精调完成后，主轨所有数据均满足期望值。

（2）第二阶段：利用零级道尺、钢轨水平调平仪同时对高程、轨面倾斜度及方向进行微调，确保调整后的数据90%以上满足技术要求。精调方法与第一阶段一致。

（3）第三阶段：利用百分表对第二阶段调完后不达标的数据进行进一步微调，确保所有数据均在技术要求允许范围内。先将百分表架设在梁面上，调整百分表基座螺栓使基座水平气泡居中；然后调整百分表，使高程调节百分表探针与主轨顶面接触并有活动量，方向调整表探针与主轨内侧边接触并有活动量；然后使百分表指针指向“0”刻度。百分表架设完成后根据调整量进行高程、轨面倾斜度、方向调整。数据合格的点位用百分表检测，若有变化，将其调校到原位。

主轨精调完成，待所有数据均满足技术要求后，对其进行验收。

4.2.3 副轨精调

在主轨完成精调后，方可对副轨进行精调。测量工具使用零级道尺，具体方法同主轨精调基本一致。零级道尺使用时应找准两根钢轨的最小间距，并在钢轨上做好标记便于复测复检。副轨精调完成后确保各项数据符合验收标准。