CN104482895A

CN104482895A - 客运专线板式无砟轨道板精调标架标定方法

Info

Publication number: CN104482895A
Application number: CN201410689454.4A
Authority: CN
Inventors: 任晓春; 许双安
Original assignee: China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd
Current assignee: China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2015-04-01

Abstract

本发明涉及一种客运专线板式无砟轨道板精调标架标定方法。现有无砟轨道板精调标架标定方法，作为检测台的承轨台与设计尺寸一般存在较大的误差，同时受温度影响很大，难以保证标准框标定工作的高精度。本发明建立了由标定台底座、调平固定基座、基准平台和承轨台组成的室内标准框精密标定台，并在标定台纵轴线延长线上安置校准用的全站仪；对标定台本身的几何关系进行检验后，进行标架标准框棱镜间距和标准框的棱镜高度标定。本发明涉及了一种可量测可溯源的标定台，克服传统在轨道板上直接标定的不足，标定方法更科学，标定精度更高，数据处理方法理论严谨，结果更可靠，保证了标定工作质量和效率。

Description

客运专线板式无砟轨道板精调标架标定方法

技术领域

本发明属于铁路建设测绘技术领域，具体涉及一种客运专线板式无砟轨道板精调标架标定方法。

背景技术

作为客运专线板式无砟轨道系统重要组成部份的轨道板，替代普通铁路的道渣和轨枕，通过扣件系统直接安放钢轨，轨道板铺设的精度将直接影响轨道最终的平顺性。为满足高速列车运行时对轨道几何尺寸的特殊要求，在铺设轨道板时必须进行精确定位。轨道板的精确定位铺设是将轨道定位的设计信息和现场施工安装的测量信息通过精密的测量标架动态采集并实时计算分析，施工现场实时指挥轨道板的安装精调。精调标架是模拟钢轨的测量装置，实现空间位置过渡作用。设计加工的精调标架几何尺寸必须严格保证与钢轨在实际轨道结构中空间几何关系一致。标架的标定工作就是检定标架几何尺寸与理论设计值的差值，是保证轨道板精确定位的基础性条件，因此研制一种用于精调标架标定的装置是十分必要的。

目前在板式无砟轨道施工时，仅仅在轨道板制造车间人为选择一块制造误差较小的轨道板，从中截取一段含1对承轨台作为检测台，将精调标架标准框放置到承轨台，使用全站仪测量标准框固定端分别在左、右两侧承轨台时其上方棱镜中心的坐标，再通过坐标反算得到这2个测点的距离，然后将其与设计钢轨顶面距离进行比较，进而判定被检标准框是否合格。这种检测方法作为检测台的承轨台与设计尺寸一般存在较大的误差，同时受温度影响很大，无法实现计量溯源和量值传递，且数据处理方法不严密和无法实现自动化、程序化，难以保证标准框标定工作的高精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种客运专线板式无砟轨道板精调标架标定方法，可用于CRTSⅠ、CRTSⅡ、CRTSⅢ等板式无砟轨道板钳口式精调标架标准框的准确标定，标定精度更高。

本发明所采用的技术方案是：

客运专线板式无砟轨道板精调标架标定方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：建立室内标准框精密标定台：

所述标定台设立在室内，气压和湿度保持稳定，常温环境下使用，标定台上放置标准框；

标定台底部设置有一对标定台底座，左右对称；标定台底座上方通过调平固定基座支撑有基准平台；基准平台上方为一对左右对称的承轨台，分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型；

承轨台及基准平台在加工时预制量测参考基准点和基准线，用于标定自身的检测；

标定台对面设置50cm×50cm×60cm的长方体强制对中墩，强制对中墩中心位于标定台纵轴线延长线上，距离标定台中心10m，强制对中墩上安置校准用的全站仪；

步骤二：标定台参数检测：

在每次标定之前，须对标定台本身的几何关系进行检验，以保证标定工作的可靠性；

作为标架标定基准，标定台承轨台主要量测参数有：钳口位置、轨底坡、大钳口距、小钳口距、承轨面与钳口面夹、套管中心至承轨台中心距离、相邻套管中心距离、钳口到预埋套管中心距离、承轨台中心到轨道板面的距离、一对承轨台4个预埋套管直线度；

通过标定台加工时预留的参考点或参考线，采用精密卡尺或设计的专门工装对上述参数可以直接量测的进行检测；对于不能进行直接量测的，则采用全站仪坐标测量法采集特征点，通过空间几何计算出标定台参数；

步骤三：标架标准框棱镜间距标定：

棱镜间距指标准框固定端分别正确放置于一对承轨台上左右时，标准框固定端上方棱镜中心两次空间位置在标定台横轴线方向上的间距；正确放置是指标准框固定端的2个触头和承轨台大钳口侧壁紧密贴合；

全站仪望远镜视线高度与标架棱镜高度一致，标定测量时，先把标准标架固定触及端靠紧外侧钳口面（全站仪左端），对标架上固定端棱镜（全站仪左侧）进行测量，然后将标架旋转180度掉头，再对该棱镜（全站仪右侧）进行测量；反算两棱镜之间的距离，并计算出棱镜位置的调整量；根据偏差量用螺丝刀调节触及端触头长度，重新测量后调节，直至满足设计限差要求；

步骤四：标准框的棱镜高度标定：

棱镜高度指标准框正确放置时，固定端上方棱镜中心到承轨台顶面的垂直距离；正确放置是指标准框固定端的2个触头和承轨台大钳口侧壁紧密贴合；

采用高度尺直接测量或全站仪坐标测量，采用全站坐标测量法时，在承轨台上正确安放标准标架，先测量标准棱镜，其棱镜中心点记作点P；测量完毕后，将精密球棱镜放置在标准棱镜下方的承轨台顶面上，在以标准框棱镜在承轨台顶面投影点为中心的区域采集多个点，让标准棱镜在承轨台顶面上的投影尽量重合于采集点构成的几何图形重心；利用采集的承轨台顶面多个点坐标拟合出承轨台平面，点P到该平面的距离即为标准框的棱镜高度。

步骤一中，承轨台及基准平台在加工时预制量测参考基准点和基准线包括：

承轨台两个内斜面钳口线、承轨台顶轨底中心线；

钢轨顶在承轨台顶面投影点，设置锥形定位点；

承轨台顶面及2个内斜面上预留特征点。

本发明具有以下优点：

1、本发明提供了一种科学、严密、可靠、通用的无砟轨道板精调标架标准框标定方法，研制了一种可量测可溯源的标定台，标定台严格按照板式无砟轨道结构设计尺寸设计经过数控机床精密加工制造，可用于CRTSⅠ、CRTSⅡ、CRTSⅢ等板式无砟轨道板设精调框式标架的标定工作，克服传统在轨道板上直接标定的不足，标定方法更科学，标定精度更高；

2、本发明采用卡尺直接测量与全站仪坐标测量相结合，直接测量数据与空间几何分析数据联合处理计算，相互验证，克服了传统仅靠全站仪坐标测量无法消除排除粗差的缺陷。数据处理方法理论严谨，结果更可靠；

3、本发明中全站仪采集标定数据时已经实现了自动化观测，数据处理采用专门的软件实现实时自动化，保证了标定工作质量和效率。

附图说明

图1为标定台的结构示意图。

图2为标定台承轨台特征点位示意图。

图3为标定台检测平面拟合测量点示意图。

图4为本发明标定测量示意图。

图5为标定数据计算原理示意图。

图中，1-承轨台，2-基准平台，3-调平固定基座，4-标定台底座。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及的客运专线板式无砟轨道板精调标架标定方法，由以下步骤实现：

步骤一：建立室内标准框精密标定台：

所述标定台设立在室内，气压和湿度保持稳定，常温环境下使用，使得标定工作中精密检测台和标准框尺寸受环境影响降至最低，以保证标定工作的准确和严谨。标定台上放置标准框。

标定台底部设置有一对标定台底座，左右对称。标定台底座分5层填压、夯实，从下到上依次为灰土垫层、中粗砂垫层、砼垫层、钢筋砼基础和砼设备基础，以此提高标定台底座的承载力，达到减震、稳定的目的。标定台底座上方通过调平固定基座支撑有基准平台。调平固定基座材料为Q235钢材，使用3轴CNC加工而成，其加工定位精度为土0.01mm/300mm。基准平台采用铸铁大梁加两端铸铁长梁的结构，且所有铸造件均需经过人工时效处理，以增加结构稳定性。基准平台上方为一对左右对称的承轨台，分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。在承轨台材料选择时，考虑型面切削成型的方便性，兼顾承轨台面的耐磨性能要求高的特点，选用线性热膨胀系数为优于1.0×10^-6m/℃的钢材作为承轨台的主体材料。为了保证检测台上承轨台的高精度，承轨台所有外形尺寸与定位尺寸，均使用3轴联动的CNC（计算机数字控制机床Computer Numerical Contro1）加工中心整体切削完成，加工定位精度为±0.007mm/300mm。标定台上还包括其他量具附件，由于直接或间接地应用于标定台的检测元件、工作表面及检测基准，因此需进行精加工处理，以使标定台经装配、调试后，达到设计的技术规格与参数要求。整体结构严格按照对应类型无砟轨道板结构设计图进行加工和安装。

承轨台及基准平台在加工时预制量测参考基准点和基准线，用于标定自身的检测。包括：承轨台两个内斜面钳口线、承轨台顶轨底中心线，见图2中点P1、P2、P6、P7；钢轨顶在承轨台顶面投影点，设置锥形定位点；承轨台顶面及2个内斜面上预留特征点，见图3，用于全站采集该三个平面特征点进行拟合计算分析。

参见附图2和附图3，标定台承轨台特征点位示意图，标定台上1对承轨台作为精调标架的标定基准，整体和细部尺寸严格按照无砟轨道板结构设计图进行精密加工和安装。精密加工的承轨台本具有可量测性，标定工作开始前应对检测台本身的几何关系进行检校。采用游标卡尺结合全站仪坐标测量的方法进行标定台检测，游标卡尺法是使用游标卡尺及其相关测量工装等测量直接得到标定台参数，量具除了游标卡尺外还需要其它量具如:深度尺、坡度尺、百分表等。标定台自身参数检测按照如下步骤进行：

（1）钳口位置。点P1、P6为钳口线位置，位于1:40承轨台底面上方28mm处；

（2）轨底坡（1:40即1.432°）。承轨面倾斜度可以通过承轨台底面P4与P9连线、P5与P10连线反映出其倾斜度。可采用百分表直接测量，或用精密全站仪采集承轨台平面上点P4、P9、P5、P10的坐标计算得出。

（3）大钳口距（1891.5mm）。外钳口距离是指轨道板同一横断面内，左右两个承轨台1:40承轨面向上平移28mm后，与左右两个承轨台外侧钳口面交点之间的距离，即附图2中同一对承轨台左右对应P1点之间的距离。测量大钳口距，在预留的特征面采用内径千分尺或标准量规进行直接测量。

（4）小钳口距（375.7mm）。小钳口距离是指一个承轨台横断面内1:40承轨面向上平移28mm后与两钳口面交点之间的距离，即附图2中同一个承轨台上P1点和P6点之间的距离。测量小钳口距，在预留的特征面采用内径千分尺或标准量规进行直接测量。

（5）承轨面与钳口面夹（110°）。图中点P6、P7所在平面及点P6、P7所在平面与两个承轨台1:40承轨面的夹角。夹角测量可采用卡尺工装直接测量，也可采用全站仪采集两个平面坐标，通过平面拟合求出两平面夹角。

（6）套管中心至承轨台中心距离（116.7mm），可采用游标卡尺直接测量，也可采用全站采集两套管中心坐标求出其距离。

（7）相邻套管中心距离（233.3mm），可采用游标卡尺直接测量，也可采用全站采集两套管中心坐标求出其距离。

（8）钳口到预埋套管中心距（71.2mm），在预留的特征面采用内径千分尺或标准量规进行直接测量。

（9）承轨台中心到轨道板面的距离（38mm），用深度卡尺可以量测。

（10）1对承轨台预埋套管直线度，即4个预埋套管中心点在一条直线上的偏离程度，可采用全站仪采集四个预埋套管中心坐标拟合直线求得四点直线度。

（11）基准平台可用平尺和合像水平仪进行检测平面度等参数。

采用全站仪坐标测量时，采集设置在承轨台顶面及两个内侧斜面上预留特征点坐标，分别拟合出承轨台顶面S1、内侧斜面S2、内侧斜面S3。利用平面S3上的点可以计算出轨底坡值，将承轨台顶平面S1沿着法线方向（规定承轨台顶面法现方向向上）正向向上平移28mm得到钳口线所有在平面SQK。平面SQK与内侧斜面S2、内侧斜面S3分别交于直线JX1、JX2。利用承轨台面上两个套管的定位点坐标及承轨台顶面法线向量可以解析出横截面SH，横截面SH与交线JX1、JX2相交于点P1、P2，点P1与P2即为小钳口距离。

钳口距的计算与小钳口距的计算方法相似。具体的计算方法是，先有左右承轨台2个内斜面及顶面特征点分别求出平移28mm后的拟合面与各自的内斜面交线JXL、JXR，据垂线做承轨台顶面SL的法线向量及右侧右侧承轨台上的预埋套管点计算出一个左右承轨台整体的横截面LRHJ，整体横截面与两交线相交与点PL1、PR2，点PL1与PR2即为大钳口距离。

同理，采集其他需要量测的特征点、特征线或面上的坐标点，利用空间解析几何可以求出待检测参数。

步骤二：标定台参数检测：

步骤三：标架标准框棱镜间距标定：

步骤四：标准框的棱镜高度标定：

图5为本方法标定数据计算示意图。标定台检测及标架标定的几何尺寸标定数据处理计算中，涉及的空间数学计算内容有：点与点之间的距离；多点组成的直线拟合与直线度分析；多点组成的平面拟合与平面度分析；平面与平面间的夹角计算；空间直线、平面的平移等计算。

1）两点之间空间距离的计算

已知空间两点的坐标P₁(X₁，Y₁，Z₁)，P₂(X₂，Y₂，Z₂)，由式（1）计算两点间的空间距离S：

（1）

2)直线方程与直线拟合

空间直线数学方程如式（2）所示:

（2）

式中，x，y，z为点位观测坐标；x₀，y₀，z₀，m，n，p为6个未知参数。一般来讲，空间两点就可确定一条直线，即空间两点共6个坐标值的观测值组合方程，就可求解上述6个未知参数。当存在多个观测点时，可以采用空间直线拟合的最小二乘算法求解。

空间直线还可以表示成两个已知平面的交线及过一点且知道直线方向向量的方法来进行求解。

3)平面方程与平面拟合

空间平面的数学方程一般表达式如式(3)所示：

Ax+By+Cz+D=0 (3)

一般来讲，空间3个点就可以确定一个平面。在标定台承轨台平面度检测中，采集的空间点多余3个，存在多余观测条件，可以组成误差方程，按最小二乘法拟合计算多个观测点共同组成的最佳空间平面，并由此可以进行平面度的统计分析。

4)点线面相对关系计算

如上所述，通过空间拟合计算，确定出空间直线和平面方程后，可以计算出点线面之间相对关系量，包括：点到直线的距离；点到平面的距离；两条直线的交点；直线与平面的线面角；平面与平面之间的二面角；直线平移及平面平移计算等空间几何计算方法。

点到平面的距离公式：

（4）

平面与平面的夹角：

（5）

5)标准标架棱镜间距计算。标准框固定端分别“正确放置”在一对承轨台左右外钳口时，标准框固定端上方棱镜中心2次空间位置在轨道板横轴线方向上的间距即为棱镜间距。利用标定台上4个预埋套管特征点拟合轴线方程，将标准框实测坐标投影到以轴线为坐标轴的坐标系中，两投影点的距离即为标准框棱镜间距。

6)标准标架棱镜高度计算。标准框固定端分别“正确放置”在一对承轨台断面上左右外钳口时，标准框固定端上方棱镜中心到承轨台顶面的距离即为棱镜标定高度。利用专用精密棱镜在承轨台顶面采集的正多边形多个点坐标拟合出平行于承轨台顶面的平面S，该平面到承轨台顶面的距离即为专用精密棱镜的高度d。标准标架棱镜高度即为点P到平面S的距离加上冷静的高度d。

7)标准标架棱镜高度拟合计算值可与高度尺量取值进行比较，排除粗差，两者较差在限差内，可按量测次数取加权平均作为最终结果。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.客运专线板式无砟轨道板精调标架标定方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：建立室内标准框精密标定台：

步骤二：标定台参数检测：

步骤三：标架标准框棱镜间距标定：

步骤四：标准框的棱镜高度标定：

2.根据权利要求1所述的客运专线板式无砟轨道板精调标架标定方法，其特征在于：

承轨台两个内斜面钳口线、承轨台顶轨底中心线；

钢轨顶在承轨台顶面投影点，设置锥形定位点；

承轨台顶面及2个内斜面上预留特征点。