CN211452219U - 盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于地铁隧道施工中定位设备的应用，特别是指盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置。定位装置包括三角支架、激光测距传感器；三角支架顶部与基板下表面采用具有锁紧装置的活球配合机构，转动板间隔设于基板上方并经轴与其转动装配，基板上的第一电机经齿轮副带动轴旋转，编码器与齿轮副啮合装配，第二电机固定于转动板上且其输出轴上固定摆杆，摆杆上装配激光测距传感器及第二倾角传感器，转动板上设第一倾角传感器；控制装置接收第一、第二倾角传感器、编码器及激光测距传感器发出的信号并处理控制第一、第二电机启停及转动角度。本实用新型有效解决了现有定位方法繁琐复杂的问题，具有定位准确、装置简单、测量方便等优点。

Description

盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置

技术领域

本实用新型属于地铁隧道施工中定位设备的应用，特别是指一种盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置。

背景技术

地铁隧道接触网安装施工通常是轨道铺设完成后再进行接触网安装，为了缩短工期，改变传统施工模式，在现有施工中出现了未完成轨道铺设就开始进行接触网安装的无轨施工方法，一是模拟出铺设的轨道，再进行测量定位；二是利用全站仪进行测量，记录数据后借助其他工具计算，最后再定位的过程，两种方法繁琐复杂。

《城市轨道交通工程测量规范》(GB 50308-2008)、《高速铁路工程测量规范》(TB106601-2009)中明确了关于CPⅢ控制网布设及测量要求：线路两侧对称布设CPⅢ控制点，控制点纵向间距为30米-70米；加密基标在直线段每6米、曲线段每5米设置一个。

目前铁路控制网中共分为三个等级：第一级基础平面控制网(CPI)；第二级线路平面控制网(CPII)；第三级轨道基础控制网(CPⅢ)；第三级轨道基础控制网(CPⅢ)是沿铁路线路布设的三维控制网，主要为轨道铺设、运营维护提供控制基准。

《铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准》(TB10421-2018)对于地铁接触网施工进行了如下规定：

刚性接触网定位

锚栓螺杆横向中心线与线路中心线垂直，纵向中心线与线路中心线平行，顺线路方向施工允许偏差±500mm，垂直线路方式施工允许偏差±30mm(遇到接缝或钢筋，进行调整)。使用丁字尺，钢卷尺进行施工检查。

申请人未发现与本实用新型同样或相近的专利文献报道。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置及其应用，可实现对盾构隧道接触网锚螺栓孔的精确定位，同时该装置结构简单，成本低，操作方便。

本实用新型的整体技术构思是：

盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置，包括三角支架、激光测距传感器；三角支架顶部与基板下表面采用具有锁紧装置的活球配合机构，转动板间隔设于基板上方并通过轴与其转动装配，基板上固定的第一电机通过齿轮副带动轴旋转，编码器与齿轮副啮合装配，第二电机固定于转动板上且其输出轴上固定装配有摆杆，摆杆上装配有激光测距传感器及第二倾角传感器，转动板上设有第一倾角传感器；控制装置接收第一倾角传感器、第二倾角传感器、激光测距传感器及编码器发出的信号并处理，并发出控制指令至第一电机、第二电机控制其启停及转动角度。

本实用新型的具体技术构思还有：

为便于三角支架的高度调整，三角支架的各个支腿可以采用多种高度调节方式，其中包括但不局限于丝杠丝母机构、拉杆锁紧套结构、定位销机构等等，均不脱离本实用新型的技术实质，优选的技术方案是，所述的三角支架的各支腿采用具有锁紧构件的分段式伸缩结构。

为便于活球配合机构的实现，优选的技术方案是，所述的活球配合机构选用装配于三角支架顶部与基板下表面邻接部的球面轴承，锁紧装置选用由锁紧旋钮同轴装配的顶丝。

为使基板具有更好地调整范围及调整自由度，优选的技术实现方式是，所述的基板下表面与活球配合机构之间设有燕尾滑槽，燕尾滑槽的动作锁止由与调节旋钮同轴装配的顶丝控制。

齿轮副优选的技术实现方式是，所述的齿轮副包括固定于第一电机输出轴的主动轮，与轴同轴固定装配且与主动轮啮合的从动轮，编码器的码盘中心轴上的齿轮与从动轮形成啮合传动副。

为便于使用者的操控，优选的技术实现手段是，还包括一调整手柄，调整手柄与基板或基板上的燕尾滑槽固定。

为了便于角度变化信号的检测更为准确，优选的技术实现手段是，所述的第一倾角传感器装配于转动板外边缘。

为了在转动板旋转的情况下提高测量数据的准确性，优选的技术实现手段是，摆杆垂直于转动板时，其投影与转动板中心重合。

申请人需要说明的是，摆杆的长度在满足激光测距传感器及第二倾角传感器装配的条件下应尽可能短，其主要作用是为了减小装置的定位误差。

为便于数据读取及观察，优选且较为常见的技术方案是，还包括一可接收控制装置输出的数据并进行显示的显示屏。

盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置的应用包括如下步骤：

A、将盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置置于隧道内，将放置点设定为A，A点坐标为X，Y，Z，在预设的接触网锚螺栓孔坐标以及隧道内标记的CPⅢ桩基或加密基标已知的条件下，沿隧道内轨道铺设方向在A点前、后各选一CPⅢ桩基或加密基标B、C点，B、C点设置于与铺设轨道相邻的同侧隧道壁上；将基板安装在三角支架上，启动装置电源开关，转动板与水平面之间的夹角反映为转动板分别与共面且相互垂直的X、Y两轴之间的夹角，第一倾角传感器测量的X、Y两轴夹角在显示屏上显示，调节三角支架、基板，当显示屏显示的转动板分别与X、Y两轴之间的夹角均为0时，锁定锁紧装置固定基板；

B、启动第一电机及第二电机，基板固定不动，转动板在第一电机及齿轮副的带动下绕轴旋转，摆杆在第二电机的带动下摆动，打开激光源，控制第一电机及第二电机的转动使激光点与已知的第一个CPⅢ桩基或加密基标C点标记重合，关闭第一电机及第二电机；激光测距传感器测量激光源与已知的CPⅢ桩基或加密基标C点的距离L1，此时第二倾角传感器测量摆杆倾角，即得到激光束与水平面夹角α1；

C、将已知的第一个CPⅢ桩基或加密基标C点坐标X1，Y1，Z1录入控制装置中并确认；

D、控制第一电机及第二电机的转动并打开激光源，使得激光点与已知的第二个CPⅢ桩基或加密基标B点标记重合，关闭第一电机及第二电机；激光测距传感器测量激光源与已知的第二个CPⅢ桩基或加密基标B点的距离L2，此时第二倾角传感器测量摆杆倾角，即得到激光束与水平面夹角α2；

E、将已知的第二个CPⅢ桩基或加密基标B点坐标X2，Y2，Z2录入控制装置并确认；

F、根据已知的CPⅢ桩基或加密基标B点、C点坐标及L1、L2在X、Y轴组成平面上的投影，控制装置计算出盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置在X、Y轴组成平面上的两个坐标A1点及A2点，其中A1点坐标为X5，Y5，A2点坐标为X6，Y6；在隧道的另一侧壁上选一个与CPⅢ桩基或加密基标B点(或C点)对应的CPⅢ桩基或加密基标F点，F点的坐标为X4，Y4，Z4，将其坐标X4，Y4，Z4录入控制装置并确认，控制装置依据如下公式分别计算该坐标到A1、A2点的距离，比较公式③、④得数的大小，选定合理的盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置的A点坐标X，Y，Z并显示；

[(X4-X5)²+(Y4-Y5)²]^1/2③

[(X4-X6)²+(Y4-Y6)²]^1/2④

若③式得数大于④式得数，则选取A2点X6，Y6，即X＝X6，Y＝Y6为盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置的A点坐标在水平面上的投影，否则选取A1点X5，Y5，即X＝X5，Y＝Y5；根据测得的数据α1、α2、L1、L2，控制装置根据公式L11＝L1×cosα1或L21＝L2×cosα2计算A点与B点(或C点)在Z轴方向上的高度差，B点(或C点)Z轴坐标已知，利用公式Z＝Z2-L2×sinα2或Z＝Z1-L1×sinα1求得A点Z轴坐标；

G、摆杆指向第二个CPⅢ桩基或加密基标B点，根据盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置的坐标X，Y，Z以及已知的CPⅢ桩基或加密基标B点坐标X2，Y2，Z2，控制装置计算出摆杆与X轴正半轴、Z轴负半轴的夹角α、β；

H、根据A、B、D点坐标，控制装置计算出摆杆指向预设的接触网锚螺栓孔位置所需转动和抬升的角度γ1，γ2；

I、控制第一电机及第二电机的转动，通过编码器、第二倾角传感器与控制装置的配合，当第一电机旋转角度为γ1、第二电机旋转角度为γ2时，控制第一电机及第二电机停止，打开激光测距传感器，标记接触网锚螺栓孔位置。

本实用新型的测量原理为：

A点为装置位置，C点为第一个CPⅢ桩基或加密基标，其三维坐标为X1，Y1，Z1，B点为第二个CPⅢ桩基或加密基标，其三维坐标为X2，Y2，Z2，测量A与第一个CPⅢ桩基或加密基标C点的距离为L1，与水平面倾角为α1，测量A与第二CPⅢ桩基或加密基标B点的距离为L2，与水平面倾角为α2；摆杆指向B点时，与X轴正半轴夹角为α，与Z轴负半轴夹角β，已知接触网锚螺栓孔D坐标X3，Y3，Z3，当摆杆指向D点时，摆杆与水平面夹角为α3，摆杆与X轴正半轴夹角为θ，与Z轴负半轴夹角为δ。

如图3所示，由三角函数关系可得：

L11＝L1×cosα1

L21＝L2×cosα2

A点Z轴坐标Z＝Z2-L2×sinα2

或Z＝Z1-L1×sinα1

在水平面上，有如下关系：

L11与L21分别与X轴Y轴的平行线构成直角三角形，利用勾股定理得：

(X-X1)²+(Y-Y1)²＝L11²①

(X-X2)²+(Y-Y2)²＝L21²②

在隧道的另一侧壁上选一个与CPⅢ桩基或加密基标B点(或C)点对应的CPⅢ桩基或加密基标F点，根据公式①、②分别计算F点分别至A1(X5，Y5)、A2(X6，Y6)的距离，并比较③式与④式得数的大小，确定装置A点的X、Y轴坐标；

[(X4-X5)²+(Y4-Y5)²]^1/2③

[(X4-X6)²+(Y4-Y6)²]^1/2④

若③式得数大于④式得数，则选取A2点(X6，Y6)为盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置的A点XY轴坐标，即X＝X6，Y＝Y6；否则选取A1点(X5，Y5)，即X＝X5，Y＝Y5；综合A点Z轴坐标Z求得装置A点坐标(X，Y，Z)。

摆杆指向B点时，与X轴正半轴夹角在L21与X、Y轴平行线构成的直角三角形中，由反三角函数关系可得：α＝arctan[(Y-Y2)/(X-X2)]

与Z轴负半轴夹角：β＝π/2+α2

如图4、5、6所示，摆杆指向D点时，在平面ADE上，ADE为直角三角形，DE长度为h＝Z3-Z；AE的长度为b＝[(X-X3)²+(Y-Y3)²]^1/2

摆杆与水平面夹角为α3，在直角三角形ACD中，由反三角函数关系可得：

α3＝arctan(h/b)＝arctan{(Z3-Z)/[(X-X3)²+(Y-Y3)²]^1/2}

摆杆与X轴正半轴夹角为θ，在X、Y轴平行线与b在水平面上的投影构成的直角三角形中，由反三角函数关系可得：

θ＝arctan[(Y-Y3)/(X-X3)]

与Z轴负半轴夹角为δ：δ＝π/2+α3

第一电机所需旋转角度γ1＝θ-α；

第二电机所需旋转角度γ2＝δ-β；

申请人需要说明的是：

在本实用新型的描述中，术语“顶部”、“下表面”、“上方”、“下表面”、“外边缘”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于简化描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。术语“第一”、“第二”仅用于区别零部件，而不能理解为暗示重要性。

本实用新型所取得的技术进步在于：

1、本实用新型在测试时通过控制器的内部处理和操纵控制装置，可快速准确测量出装置到CPⅢ桩基或加密基标点的距离，利用倾角传感器测量摆杆倾角，最后经过控制装置计算并定位出该装置的坐标，避免了现有施工中先用模拟轨道(或者用全站仪测量)同时记录数据再计算的繁琐过程。通过该方法可自动实现对盾构隧道接触网锚螺栓孔的精确定位。该装置放置位置无特殊要求，设备简单，数据测量完成后控制装置能够直观迅速显示计算结果，保证在短时间内完成从开始调整装置到定位结束的工作过程。

2、三角支架、基板、转动板上的调整机构及传感器的设计，使第一电机、第二电机在控制系统的作用下可以有效调整摆杆的角度并实现精确的位置定位。

3、调整手柄配合锁紧装置及调整旋钮的结构设计，使设备的控制及定位更加方便灵活，同时较为省力。

4、第一电机及第二电机采用步进转动电机，可以精确地控制零部件转动角度，以实现对于机构的精确调整。

5、编码器与第二倾角传感器可以精确测量并传递角度变化信号，将上述信号传递给控制装置控制电机的启停及旋转角度，以便实现对于装置角度变化的精确控制。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是本实用新型的控制原理图。

图3是本实用新型的隧道坐标几何示意图。

图4是本实用新型的盾构隧道接触网锚螺栓孔坐标几何示意图。

图5是本实用新型中转动板水平旋转角度示意图。

图6是本实用新型中摆杆摆动角度示意图。

附图中的附图标记如下：

1、三角支架；2、基板；3、轴；4、控制装置；5、第一电机；6、齿轮副；7、转动板；8、第一倾角传感器；9、第二电机；10、摆杆；11、激光测距传感器；12、第二倾角传感器；13、调节旋钮；14、锁紧旋钮；15、活球；16、调整手柄；17、固定带；18、编码器。

具体实施方式

以下结合实施例对本实用新型做进一步描述，但不应理解为对本实用新型的限定，本实用新型的保护范围以权利要求记载的内容为准，任何依据说明书所做出的等效技术手段替换，均不脱离本实用新型的保护范围。

本实施例的整体结构及控制原理如图示，盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置，包括三角支架1、激光测距传感器11；三角支架1顶部与基板2下表面采用具有锁紧装置的活球配合机构，转动板7间隔设于基板2上方并通过轴3与其转动装配，基板2上固定的第一电机5通过齿轮副6带动轴3旋转，编码器18与齿轮副6啮合装配，第二电机9固定于转动板7上且其输出轴上固定装配有摆杆10，摆杆10上装配有激光测距传感器11及第二倾角传感器12，转动板7上设有第一倾角传感器8；控制装置4接收第一倾角传感器8、第二倾角传感器12、激光测距传感器11及编码器18发出的信号并处理，发出控制指令至第一电机5、第二电机9控制其启停及转动角度。

所述的三角支架1的各支腿采用具有锁紧套的分段拉杆式伸缩结构。

所述的活球配合机构选用装配于三角支架1顶部与基板2下表面邻接部的球面轴承，锁紧装置选用由锁紧旋钮14同轴装配的顶丝。

所述的基板2下表面与活球配合机构之间设有燕尾滑槽，燕尾滑槽的动作锁止由与调节旋钮13同轴装配的顶丝控制。

所述的齿轮副6包括固定于第一电机5输出轴的主动轮，与轴3同轴固定装配且与主动轮啮合的从动轮，编码器18的码盘中心轴上的齿轮与从动轮形成啮合传动副。

还包括一调整手柄16，调整手柄16与基板2或基板2上的燕尾滑槽固定。

所述的第一倾角传感器8装配于转动板7外边缘。

摆杆10垂直于转动板7时，其投影与转动板7中心重合。

还包括一可接收控制装置4输出的数据并进行显示的显示屏。

盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置的调整定位机构的应用包括如下步骤：

A、将盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置置于隧道内，将放置点设定为A，A点坐标为X，Y，Z，在预设的接触网锚螺栓孔坐标以及隧道内标记的CPⅢ桩基或加密基标已知的条件下，沿隧道内轨道铺设方向在A点前、后各选一CPⅢ桩基或加密基标B、C点，B、C点设置于与铺设轨道相邻的同侧隧道壁上；将基板2安装在三角支架1上，启动装置电源开关，转动板7与水平面之间的夹角反映为转动板7分别与共面且相互垂直的X、Y两轴之间的夹角，第一倾角传感器8测量的X、Y两轴夹角在显示屏上显示，调节三角支架1、基板2，当显示屏显示的转动板7分别与X、Y两轴之间的夹角均为0时，锁定锁紧装置固定基板2；

B、启动第一电机5及第二电机9，基板2固定不动，转动板7在第一电机5及齿轮副6的带动下绕轴旋转，摆杆10在第二电机9的带动下摆动，打开激光源，控制第一电机5及第二电机9的转动使激光点与已知的第一个CPⅢ桩基或加密基标C点标记重合，关闭第一电机5及第二电机9；激光测距传感器测量激光源与已知的CPⅢ桩基或加密基标C点的距离L1，此时第二倾角传感器12测量摆杆10倾角，即得到激光束与水平面夹角α1；

C、将已知的第一个CPⅢ桩基或加密基标C点坐标X1，Y1，Z1录入控制装置4中并确认；

D、控制第一电机5及第二电机9的转动并打开激光源，使得激光点与已知的第二个CPⅢ桩基或加密基标B点标记重合，关闭第一电机5及第二电机9；激光测距传感器11测量激光源与已知的第二个CPⅢ桩基或加密基标B点的距离L2，此时第二倾角传感器12测量摆杆10倾角，即得到激光束与水平面夹角α2；

E、将已知的第二个CPⅢ桩基或加密基标B点坐标X2，Y2，Z2录入控制装置4并确认；

F、根据已知的CPⅢ桩基或加密基标B点、C点坐标及L1、L2在X、Y轴组成平面上的投影，控制装置4计算出盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置在X、Y轴组成平面上的两个坐标A1点及A2点，其中A1点坐标为X5，Y5，A2点坐标为X6，Y6；在隧道的另一侧壁上选一个与CPⅢ桩基或加密基标B点(或C点)对应的CPⅢ桩基或加密基标F点，F点的坐标为X4，Y4，Z4，将其坐标X4，Y4，Z4录入控制装置4并确认，控制装置4依据如下公式分别计算该坐标到A1、A2点的距离，比较公式③、④得数的大小，选定合理的盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置的A点坐标X，Y，Z并显示；

[(X4-X5)²+(Y4-Y5)²]^1/2③

[(X4-X6)²+(Y4-Y6)²]^1/2④

若③式得数大于④式得数，则选取A2点X6，Y6，即X＝X6，Y＝Y6为盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置的A点坐标在水平面上的投影，否则选取A1点X5，Y5，即X＝X5，Y＝Y5；根据测得的数据α1、α2、L1、L2，控制装置根据公式L11＝L1×cosα1或L21＝L2×cosα2计算A点与B点(或C点)在Z轴方向上的高度差，B点(或C点)Z轴坐标已知，利用公式Z＝Z2-L2×sinα2或Z＝Z1-L1×sinα1求得A点Z轴坐标；

G、摆杆10指向第二个CPⅢ桩基或加密基标B点，根据盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置的坐标X，Y，Z以及已知的CPⅢ桩基或加密基标B点坐标X2，Y2，Z2，控制装置4计算出摆杆与X轴正半轴、Z轴负半轴的夹角α、β；

H、根据A、B、D点坐标，控制装置4计算出摆杆10指向预设的接触网锚螺栓孔位置所需转动和抬升的角度γ1，γ2；

I、控制第一电机5及第二电机9的转动，通过编码器18、第二倾角传感器12与控制装置4的配合，当第一电机5旋转角度为γ1、第二电机9旋转角度为γ2时，控制第一电机5及第二电机9停止，打开激光测距传感器11，标记接触网锚螺栓孔位置。

Claims (9)

1.盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置，包括三角支架(1)、激光测距传感器(11)；其特征在于三角支架(1)顶部与基板(2)下表面采用具有锁紧装置的活球配合机构，转动板(7)间隔设于基板(2)上方并通过轴(3)与其转动装配，基板(2)上固定的第一电机(5)通过齿轮副(6)带动轴(3)旋转，编码器(18)与齿轮副(6)啮合装配，第二电机(9)固定于转动板(7)上且其输出轴上固定装配有摆杆(10)，摆杆(10)上装配有激光测距传感器(11)及第二倾角传感器(12)，转动板(7)上设有第一倾角传感器(8)；控制装置(4)接收第一倾角传感器(8)、第二倾角传感器(12)、激光测距传感器(11)及编码器(18)发出的信号并处理，发出控制指令至第一电机(5)、第二电机(9)控制其启停及转动角度。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置，其特征在于所述的三角支架(1)的各支腿采用具有锁紧构件的分段式伸缩结构。

3.根据权利要求1所述的盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置，其特征在于所述的活球配合机构选用装配于三角支架(1)顶部与基板(2)下表面邻接部的球面轴承，锁紧装置选用由锁紧旋钮(14)同轴装配的顶丝。

4.根据权利要求1所述的盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置，其特征在于所述的基板(2)下表面与活球配合机构之间设有燕尾滑槽，燕尾滑槽的动作锁止由与调节旋钮(13)同轴装配的顶丝控制。

5.根据权利要求1所述的盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置，其特征在于所述的齿轮副(6)包括固定于第一电机(5)输出轴的主动轮，与轴(3)同轴固定装配且与主动轮啮合的从动轮，编码器(18)的码盘中心轴上的齿轮与从动轮形成啮合传动副。

6.根据权利要求1、3或4中任一项所述的盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置，其特征在于还包括一调整手柄(16)，调整手柄(16)与基板(2)或基板(2)上的燕尾滑槽固定。

7.根据权利要求1所述的盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置，其特征在于所述的第一倾角传感器(8)装配于转动板(7)外边缘。

8.根据权利要求1所述的盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置，摆杆(10)垂直于转动板(7)时其投影与转动板(7)中心重合。

9.根据权利要求1所述的盾构隧道接触网锚螺栓孔定位装置，其特征在于还包括一可接收控制装置(4)输出的数据并进行显示的显示屏。

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