CN107101586A - 一种用于检测crts ii型无砟轨道板空间几何形位的方法及装置 - Google Patents

一种用于检测crts ii型无砟轨道板空间几何形位的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于检测CRTS II型无砟轨道板空间几何形位的方法及装置，所述方法包括如下步骤：基于相邻的CP III控制点建立测量控制网；在确保CP III控制点与布设的轨道板检测点相通视的前提下，利用激光跟踪仪在测量控制网内任一点自由设置测站，并设置测量坐标系；使用激光跟踪球靶与基座的结合，实施激光跟踪仪对轨道板检测点的连续测量；依据获得的轨道板检测点的三维坐标，确定本次测量所得到的轨道板的空间位置和几何形状，并与初始测量或上次测量进行比较分析，从而确定出轨道板的空间位移量和变形情况。本发明可及时发现服役中的无砟轨道板所发生的几何形变情况，为列车运行的平稳性、舒适性及安全性提供保障。

Description

一种用于检测CRTS II型无砟轨道板空间几何形位的方法及 装置
技术领域
本发明是涉及一种用于检测CRTS II型无砟轨道板空间几何形位的方法及装置，属于无砟轨道板安全检测技术领域。
背景技术
CRTS II型板式无砟轨道是预制轨道板通过水泥沥青砂浆层铺设在现场摊铺的混凝土支承层或现场浇筑的钢筋混凝土底座板上的连续无砟轨道。随着中国高速铁路的发展，CRTS II型无砟轨道结构得到了广泛应用。用于CRTS II型无砟轨道系统的轨道板称为CRTS II型无砟轨道板。在轨道交通中，轨道是高速列车的承载和导向设施，良好的轨道是保证列车高速运行的前提。但由于我国幅员辽阔，环境复杂多样，服役中的无砟轨道板一直暴露在复杂的大气环境下，并且在长期承受列车荷载、环境条件等因素的作用下，难以避免产生空间几何形位的变化。而轨道板作为影响轨道平顺的重要因素，需要对服役中的无砟轨道板经常进行空间几何形位检测，以及时发现服役中的无砟轨道板因受内外力影响而发生的细微变形和位移情况，以减少不必要的安全事故。而现有技术中关于无砟轨道板外观尺寸偏差的检测方法均是针对无砟轨道板在加工好尚未使用时所作的质量检测，且关于CRTS II型无砟轨道板的几何尺寸的检测需要采用测量平台、观测墩、全站仪、平板棱镜等仪器和设备(可参见文献：铁道勘察，2010年第2期第8-9页)，不仅测量操作复杂，而且测量环境受制约较大，不能适用于对服役中的CRTS II型无砟轨道板进行在线检测，本领域啓需研究一种操作简单、不受检测环境影响且检测精度高的可用于检测服役中的CRTS II型无砟轨道板的空间几何形位的技术，以及时发现服役中的无砟轨道板所发生的几何形变情况，避免影响列车运行的平稳性、舒适性及安全性，但至今未见相关技术报道。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的是提供一种操作简单、不受检测环境影响且检测精度高的可用于检测服役中的CRTS II型无砟轨道板的空间几何形位的方法及装置，以利于及时发现服役中的无砟轨道板所发生的几何形变情况，为列车运行的平稳性、舒适性及安全性提供保障和科学依据。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于检测CRTS II型无砟轨道板空间几何形位的方法，包括如下步骤：
a)基于相邻的CP III控制点建立测量控制网；
b)在确保CP III控制点与布设的轨道板检测点相通视的前提下，利用激光跟踪仪在测量控制网内任一点自由设置测站，并设置测量坐标系；
c)使用激光跟踪球靶与基座的结合，实施激光跟踪仪对轨道板检测点的连续测量；
d)依据获得的轨道板检测点的三维坐标，确定本次测量所得到的轨道板的空间位置和几何形状，并与初始测量或上次测量所得到的轨道板的空间位置和几何形状进行比较分析，从而确定出轨道板的空间位移量和变形情况。
作为优选方案，基于四个相邻的CP III控制点建立测量控制网，以确保测量精度。
作为优选方案，所述测站的位置位于两个相邻的CP III控制点之间，以确保CPIII控制点与布设的轨道板检测点相通视，以更方便、有效的采集数据。
作为进一步优选方案，所述测站的位置能够通过后方交会读取与其相邻的两个CPIII控制点的三维坐标。
作为优选方案，在检测之前，对CP III控制网进行复测，以确保测量控制网的精确性。
作为优选方案，在轨道板顶面及位于列车行进方向的轨道板左、右侧面按阵列均匀布设轨道板检测点。
作为进一步优选方案，按列车行进方向，位于轨道板顶面上的每一行轨道板检测点与位于轨道板左、右侧面上的相同行数的轨道板检测点处于同一个横截面上。
作为进一步优选方案，按列车行进方向，位于轨道板左、右侧面上的轨道板检测点均为3列，自上至下依次位于同侧的轨道板顶侧边、轨道板底侧边及与砂浆层相接触的支撑层或底座板的上表面。
一种用于检测CRTS II型无砟轨道板空间几何形位的装置，包括激光跟踪仪、激光跟踪球靶、基座和固定在每一个轨道板检测点位置的多个测点标记垫片，所述基座的顶部设有用于放置激光跟踪球靶的凹槽，在所述凹槽的底部设有用于磁力吸附固定激光跟踪球靶的磁性件，在所述基座的底部设有与所述测点标记垫片相卡接的卡接头，在所述测点标记垫片上设有与所述卡接头相适配的卡接槽。
作为优选方案，所述测点标记垫片采用金属片。
作为优选方案，所述磁性件为磁石。
作为优选方案，所述测点标记垫片的中心与其固定连接的轨道板检测点的中心、基座中心和激光跟踪球靶的中心均处于同一轴线上。
相较于现有技术，本发明的有益技术效果在于：
本发明利用激光跟踪技术首次实现了对服役中的CRTS II型无砟轨道板的空间几何形位的在线检测，通过合理布设轨道板检测点，使轨道板检测点能随轨道板的几何形位变化产生相应的三维坐标变化，然后利用激光跟踪仪在不同时间点采集布设的轨道板检测点的三维坐标，根据分析不同时间点的三维坐标，从而确定出轨道板的空间位移量和变形情况；所述方法不仅测量精度高(可达到15μm+6μm/m)，而且操作简单，不受检测环境影响，相较于现有的全站仪检测技术，不仅可对加工好尚未使用的CRTS II型无砟轨道板进行质量检测，尤其还可以对服役中的CRTS II型无砟轨道板进行维护检测，有利于及时发现服役中的无砟轨道板所发生的几何形变情况，为列车运行的平稳性、舒适性及安全性提供保障和科学依据；因此，本发明相对于现有技术，具有显著性进步和应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例建立测量控制网的示意图；
图2是本发明实施例在检测列车行进方向左侧检测点时的示意图；
图3是本发明实施例在检测列车行进方向右侧检测点时的示意图；
图4是本发明实施例中激光跟踪仪观测视线与轨道板、钢轨形成的相似三角形模型；
图5是本发明实施例提供的一种用于检测CRTS II型无砟轨道板空间几何形位的装置的结构示意图；
图6是本发明实施例所述基座的结构示意图；
图7是本发明实施例分析轨道板空间变形的模拟模型图。
图中标号示意如下：1、轨道板；11、轨道板的顶面；12、轨道板的左(右)侧面；13、轨道板检测点；14、轨道板顶侧边；15、轨道板底侧边；2、砂浆层；3、支撑层(或底座板)；4、测点标记垫片；41、卡接槽；5、基座；51、凹槽；52、磁性件；53、卡接头；6、激光跟踪球靶；7、激光跟踪仪。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。
实施例
本发明实施例提供的一种用于检测CRTS II型无砟轨道板空间几何形位的方法，包括如下步骤：
a)基于相邻的CP III控制点建立测量控制网；
测量控制网的布设是基于CP III控制网的基础上，实现无砟轨道的勘测控制网、施工精调控制网和运营控制网的三网合一；在检测之前，对CP III控制网进行复测，以确保测量控制网的精确性；为了确保测量精度，以基于四个相邻的CP III控制点建立测量控制网(如图1所示)。
关于轨道板检测点的布设方式灵活多样，现给出一种布设方案，参见图2和图3所示：
在轨道板1的顶面11及位于列车行进方向的左、右侧面12按阵列均匀布设轨道板检测点13，本实施例中，按列车行进方向，是在轨道板1的顶面11按5行3列阵列布设轨道板检测点13，在轨道板左、右侧面12上也按5行3列阵列布设轨道板检测点13，使位于轨道板顶面11上的每一行轨道板检测点13与位于轨道板左、右侧面12上的相同行数的轨道板检测点13处于同一个横截面上。并且，位于轨道板左、右侧面12上的轨道板检测点13按列车行进方向均为3列，自上至下依次位于同侧的轨道板顶侧边14、轨道板底侧边15及与砂浆层2相接触的支撑层(或底座板)3的上表面。
为了方便操作和提高检测效率，对于每一块轨道板的检测点的布设位置可一致。
在轨道板检测点13的位置布设好后，将测点标记垫片4固定在每一个轨道板检测点13，需使测点标记垫片4的中心与其固定连接的轨道板检测点13的中心处于同一轴线上。
b)在确保CP III控制点与布设的轨道板检测点相通视的前提下，利用激光跟踪仪在测量控制网内任一点自由设置测站，并设置测量坐标系；
参见图1所示：所述测站的位置位于两个相邻的CP III控制点之间，以确保CP III控制点与布设的轨道板检测点相通视，以更方便、有效的采集数据。作为进一步优选方案，所述测站的位置能够通过后方交会读取与其相邻的两个CP III控制点的三维坐标。
c)使用激光跟踪球靶与基座的结合，实施激光跟踪仪对轨道板检测点的连续测量；
首先，根据相似三角形原理推算激光跟踪仪的架设高度，以满足激光跟踪仪与CPIII控制点、轨道板检测点间相通视。例如：
以激光跟踪仪到轨道板检测点的直线与钢轨成90°夹角的视线为例，设激光跟踪仪视线高度AB为y2，钢轨顶距离轨道板顶面的高度CD为y1，轨道板的宽度CE为x1，激光跟踪仪距离轨道板中线的垂直距离BE为x2(参见图4所示)，已知y1的长度为0.2566m，x1的长度为1.275m，由三角形相似定理，可得式(1)：
说明当视线高度大于0.604m时即可顺利观测，同理计算观测其它点的视线高度；使激光跟踪仪的架设高度大于观测所有轨道板检测点所需的视线高度即可。
在激光跟踪仪架设完成后，使其连接应用计算机并设置参数，并在相邻两个CPIII控制点上分别放置激光跟踪球靶，并采集这两个控制点的空间坐标M1(X1,Y1,Z1)，M2(X2,Y2,Z2)，通过这两点空间坐标经计算机软件计算之后即可得到激光跟踪仪的架设位置坐标(XP,YP,ZP)。
然后通过将基座5与待测点位置的测点标记垫片4进行卡接，使激光跟踪球靶6固定在基座5上(参见图5所示)，所述基座5的结构如图6所示：所述基座5的顶部设有用于放置激光跟踪球靶6的凹槽51，在所述凹槽51的底部设有用于磁力吸附固定激光跟踪球靶6的磁性件52，在所述基座5的底部设有与所述测点标记垫片4相卡接的卡接头53，在所述测点标记垫片4上设有与所述卡接头53相适配的卡接槽41。所述测点标记垫片4以采用金属片较佳，以确保使用寿命。所述磁性件52可为磁石。
通过使激光跟踪球靶6固定在基座5上，同时使基座5卡接在固定在待测点位置的测点标记垫片4上，并使激光跟踪球靶6的中心与基座5的中心、测点标记垫片4的中心及轨道板检测点13的中心均处于同一轴线上，从而利用激光跟踪仪7对布设的轨道板检测点13一一进行连续测量。
由于以列车行进方向为例，当测量列车行进方向左侧的检测点时，激光跟踪仪7与轨道板1的相对位置如图2所示，此时，激光跟踪仪7可观测到的检测点点号为2、3、5、6、8、9、11、12、14、15和该段测量范围内的侧面的所有检测点；同样地，当测量列车行进方向右侧的检测点时，激光跟踪仪与轨道板的相对位置如图3所示，此时，激光跟踪仪7可观测到的检测点点号为1、2、4、5、7、8、10、11、13、14和该段测量范围内的侧面的所有检测点；因此，测量同一里程内的轨道板检测点时，激光跟踪仪7只需架设两次即可全部观测完该范围内的检测点。该站范围内的所有检测点数据采集结束后换至下一段，按以上方法进行检测，直至所需检测的公里段结束。
d)依据获得的轨道板检测点的三维坐标，通过计算机计算确定本次测量所得到的轨道板的空间位置和几何形状；并与初始测量或上次测量所得到的轨道板的空间位置和几何形状进行比较分析，从而确定出轨道板的空间位移量和变形情况，具体分析方法如下：
将第一次测量的检测点的坐标确定的测量位置和测量尺寸定为初始测量位置和初始测量尺寸，依据坐标通过计算机软件得出轨道板的测量位置和测量尺寸，之后通过分析每一次轨道板检测点的三维坐标，确定本次轨道板的测量位置和测量尺寸，并与初始测量位置和初始测量尺寸进行比较分析，例如：
以背离列车前进方向、垂直于轨道板平面向上方向、垂直于轨道板侧面右方向为正方向，建立三维空间坐标系X0YZ(如图7所示)。
以轨道板平面上的点1为例，设点1初始测量的坐标为(X0,Y0,Z0)，第二次测量时的点1’坐标为(X1,Y1,Z1)，则点1的X、Y、Z三个方向的矢量差，即三个方向的位移变化分别为ΔX＝X1-X0、ΔY＝Y1-Y0、ΔZ＝Z1-Z0，若求出的ΔX、ΔY、ΔZ若为正值，则表示该检测点是沿着坐标正方向发生位移变化，反之，若求出的ΔX、ΔY、ΔZ若为负值，则表示该检测点是沿着坐标负方向发生位移变化，同理可求出轨道板平面上的其它检测点的位移变化量，而每个检测点的空间位移量Δ可按公式：计算得到。
再以各检测点在不同时刻测得的坐标做点并绘制轨道板平面，可看出轨道板平面的空间变形情况(参见图7所示)；同理，可分析轨道板的侧面。
综上所述可见：本发明利用激光跟踪技术首次实现了对服役中的CRTS II型无砟轨道板的空间几何形位的在线检测，通过合理布设轨道板检测点，使轨道板检测点能随轨道板的几何形位变化产生相应的三维坐标变化，然后利用激光跟踪仪在不同时间点采集布设的轨道板检测点的三维坐标，根据分析不同时间点的三维坐标，从而确定出轨道板的空间位移量和变形情况；所述方法不仅测量精度高(可达到15μm+6μm/m)，而且操作简单，不受检测环境影响，相较于现有的全站仪检测技术，不仅可对加工好尚未使用的CRTS II型无砟轨道板进行质量检测，尤其还可以对服役中的CRTS II型无砟轨道板进行维护检测，有利于及时发现服役中的无砟轨道板所发生的几何形变情况，为列车运行的平稳性、舒适性及安全性提供保障和科学依据；因此，本发明相对于现有技术，具有显著性进步和应用价值。
最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于检测CRTS II型无砟轨道板空间几何形位的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
a)基于相邻的CP III控制点建立测量控制网；
b)在确保CP III控制点与布设的轨道板检测点相通视的前提下，利用激光跟踪仪在测量控制网内任一点自由设置测站，并设置测量坐标系；
c)使用激光跟踪球靶与基座的结合，实施激光跟踪仪对轨道板检测点的连续测量；
d)依据获得的轨道板检测点的三维坐标，确定本次测量所得到的轨道板的空间位置和几何形状，并与初始测量或上次测量所得到的轨道板的空间位置和几何形状进行比较分析，从而确定出轨道板的空间位移量和变形情况。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：基于四个相邻的CP III控制点建立测量控制网。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述测站的位置位于两个相邻的CP III控制点之间。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于：所述测站的位置能够通过后方交会读取与其相邻的两个CP III控制点的三维坐标。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在轨道板顶面及位于列车行进方向的轨道板左、右侧面按阵列均匀布设轨道板检测点。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：按列车行进方向，位于轨道板顶面上的每一行轨道板检测点与位于轨道板左、右侧面上的相同行数的轨道板检测点处于同一个横截面上。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：按列车行进方向，位于轨道板左、右侧面上的轨道板检测点均为3列，自上至下依次位于同侧的轨道板顶侧边、轨道板底侧边及与砂浆层相接触的支撑层或底座板的上表面。
8.一种用于检测CRTS II型无砟轨道板空间几何形位的装置，其特征在于：包括激光跟踪仪、激光跟踪球靶、基座和固定在每一个轨道板检测点位置的多个测点标记垫片，所述基座的顶部设有用于放置激光跟踪球靶的凹槽，在所述凹槽的底部设有用于磁力吸附固定激光跟踪球靶的磁性件，在所述基座的底部设有与所述测点标记垫片相卡接的卡接头，在所述测点标记垫片上设有与所述卡接头相适配的卡接槽。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述测点标记垫片采用金属片，所述磁性件为磁石。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述测点标记垫片的中心与其固定连接的轨道板检测点的中心及基座中心和激光跟踪球靶的中心均处于同一轴线上。
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