（精密仪器及机械专业论文）EGS1123无砟轨道三维精测小车的研制(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 2 0 0 7 年4 月1 8 日，中国铁路实施了第六次大提速，跨入了铁路准高速时代。 但由于既有线客货混跑等现实情况，我国将终结在既有线上再提速，转而关注 高速客运专线的建设，因此，客运专线无砟轨道及其检测装置在我国拥有广泛 的市场。 针对双块式无砟轨道施工工艺的要求，e g s 11 2 3 无砟轨道三维精n d , 车采 用了“相对不平顺测量+ 三维定点测量+ 三维连续测量”三位一体的全能测量 系统构架，改进了g j y 系列轨道检查仪的相对测量功能，研究了轨道三维坐标 自动测量方法，独创了配套用全站仪的兼容性设计模式，使轨道三维精测技术 达到国外先进水平。本文详细介绍了轨道三维测量系统方案和三维精测小车下 位机软硬件系统的设计，其中等里程间隔采样控制模块用编码器进行双向定距 触发，通过预置数实现采样间隔的局部修正或连续修正，里程测量精度达到 0 7 5 。 2 0 0 7 年1 1 月，中国铁路工程总公司组织国内权威专家对包括该设备在内的 双块式无砟轨道施工关键设备进行了现场综合测试与试验，并对e g s 11 2 3 无砟 轨道三维精测小车给予肯定。目前该小车已经在温福客运专线、合武客运专线、 武广客运专线正式应用。 关键词：无砟轨道；三维精测小车；绝对测量；定距测量；采样间隔修正 a b s t r a c t a b s t r a c t a p r i l18 ，2 0 0 7 ，c h i n ai m p l e m e n t e dt h es i x t hr a i l w a ys p e e di n c r e a s el a r g e ，a n d s t r i d d e ni naq u a s i h i g hs p e e dr a i le r a h o w e v e r , d u et ot h ep a s s e n g e rt r a i na n dt h e f r e i g h tt r a i ns h a r i n gar a i l w a yl i n e ，o u rc o u n t r yw i l le n di n c r e a s es p e e di nt h e e x i s t i n gr a i l w a y , b u tc a r r y o l lt h ec o n s t r u c t i o no fh i g h - s p e e dp d l ( p a s s e n g e r d e d i c a t e dl i n e s ) ，w h i c hm a k e st h es l a bt r a c ka n di t sd e t e c t i o nd e v i c e sh a v eb r o a d m a r k e ti nc h i n a i nv i e wo ft h eb i b l o c ks l a bt r a c kc o n s t r u c t i o nc r a f t sr e q u e s t , t h ee g s 一112 3 r a i l3 d ( t h r e ed i m e n s i o n s ) f i n em e a s u r e m e n tt r o l l e ya d o p t e d “r e l a t i v es u r v e y sm o d e + t h e3 ds u r v e yf i x e d - p o i n tm o d e + t h e3 ds u r v e yc o n t i n u o u s l ym o d e t h a ti s t r i n i t y s a l l - r o u n dm e a s u r e m e n t s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，i m p r o v e d t h er e l a t i v e m e a s u r e m e n tf u n c t i o no ft h eg j ys e r i e st r a c ki n s p e c t i o nd o l l y , s t u d i e dt h e3 dt r a c k c o o r d i n a t e sa u t o m a t i cs i z i n gm e t h o d p r o p o s e dt h et o t a ls t a t i o nc o m p a t i b i l i t yo f d e s i g np a t t e r n ，c a u s e dt h a tt h et e c h n o l o g yo ft h et r a c k3 df i n em e a s u r e m e n ta c h i e v e d t h eo v e r s e a sa d v a n c e dl e v e l t 1 1 i sp a p e rd e s c r i b e dt h er a i l3 dm e a s u r e m e n ts y s t e m p l a na n dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m sd e s i g no ft h es l a v ec p u f o rt h er a i l3 d f i n em e a s u r e m e n tt r o l l e y i nt h es a m em i l e a g ei n t e r v a ls a m p l i n gc o n t r o lm o d u l e ， p h o t o e l e c t r i ce n c o d e ru s e da sb i d i r e c t i o n a lm i l e a g ep a c e rt r i g g e rs o u r c e ，t h r o u g ht h e m e t h o do fi n i t i a l i z a t i o nn u m b e r , r e a l i z et h ep a r t i a lc o r r e c t i o no rt h ec o n t i n u o u s c o r r e c t i o no fs a m p l i n gi n t e r v a l ，1 1 l em i l e a g em e a s u r i n ga c c u r a c ya c h i e v e so 7 5 n o v e m b e r2 0 0 7 ，c h i n ar a i l w a ye n g i n e e r i n gc o r p o r a t i o no r g a n i z e dt h e d o m e s t i ca u t h o r i t a t i v ee x p e r tt ot e s ta n de x p e r i m e n tt h ek e yc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y f o rb i b l o c ks l a bt r a c kw h i c hi n c l u d et h et r o l l e y a n dt h e s ee x p e r t sa f f i r m e dt h e e g s - 112 3r a i l3 df i n em e a s u r e m e n tt r o l l e y a tp r e s e n tt h ed o l l ya l r e a d yo f f i c i a l a p p l i c a t i o n i nt h ew e n z h o u f u z h o up d l ，t h eh e f e i - w u h a np d l ，a n dt h e w u h a n g u a n g z h o up d l k e yw o r d s ：s l a bt r a c k ；t h er a i l3 df i n em e a s u r e m e n tt r o l l e y ；a b s o l u t em e a s u r i n g ； m i l e a g ep a c e rt r i g g e r ；s a m p l i n gi n t e r v a la m e n d m e n t i l 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：鹰嘉莨签字日期：砷。多年b 月i 苦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：参7 每良 签字日期：2 0 0 方年6 月i 舌e l 导师答名：抛瓷 签字日期：2 0 0 矿年6 月j 孑e t 第1 章引言 1 1 研究背景 第1 章引言 1 1 1 铁路高速化与客运专线建设 铁路高速化是当今世界铁路运输发展的必然趋势，我国在既有线先后进行 了六次大规模的提速，部分线路达到2 0 0 k m h 的标准，事实上已经跨入了准高 速时代。但由于我国铁路既有线客货混跑等现实情况的制约，客运列车高速轻 载与货运列车低速重载之间的矛盾直接限制了我国铁路轨道设计时速的进一步 提高，与国外高速铁路如日本的新干线、法国的t g v 等之间存在较大的差距。 所谓的客运专线，是指以客运为主的专用铁路线路，以追求高时速、高平 顺性、高舒适度、高安全性为目的。 2 0 0 3 年1 0 月1 2 日零时，中国第一条高速铁路( 图1 1 ) 秦沈客运专 线正式通车。秦沈客运专线设计速度2 5 0 k m h ，部分路段设计速度3 0 0 k m h ，试 验运行时曾创造了我国陆上交通的最高速度纪录：3 2 1 k m h 。它的开通运行拉开 了我国客运专线建设的序幕，强烈地向世界预示：中国真正开始迈向“高速铁 路时代”。 a ) 秦沈客运专线和中华之星b ) 秦沈客运专线的桥上无砟轨道 图1 1 我国第一条高速铁路一一秦沈客运专线 第1 章引言 根据铁道部公布的铁路“十一五”规划，“十一五”期间，我国快速客 运网总规模达到2 万公里以上，比“十五”规划中1 4 万公里的目标至少增长 了6 0 0 0 公里。根据2 0 0 4 年初通过的中长期铁路网规划( 图1 2 ) ，2 0 1 0 年 全国铁路营业里程将达到9 万公里以上，铁道部提出的2 万公里快速客运里程 将占全国铁路总里程的近2 0 。 图1 2 中国铁路中长期铁路网规划图 1 1 2 有砟轨道与无砟轨道 常规铁路是在小块石头即道砟的基础上，再铺设枕木或水泥轨枕，称为有 砟轨道。世界高速铁路的发展证实，高速铁路基础工程如果使用常规的轨道系 统，道砟粉化严重，道床累积变形速率加快，线路维修频繁，维修费用较大， 安全性、舒适性、经济性相对较差，同时，列车速度受到限制。 高速铁路对轨道结构及其稳定性与运行期维护的要求( 如轨道几何状态、 轨道弹性、轨道缺陷控制等) 大大高于常规铁路，“无砟轨道”技术应运而生， 在最近几十年中得到了快速发展，并在实际工程中得到了越来越多地应用。 2 第1 章引言 无砟轨道( 图1 3 ) 是以混凝土或沥青混合料等取代散粒道砟道床而组成的 轨道结构形式，是没有枕木、不用碎石铺路基的铁路，是高速铁路工程技术的 发展方向，具有轨道平顺性高、刚度均匀性好、使用寿命长，承载能力强，抗 恶劣环境( 如高温、紫外线辐射) 性能好、轨道几何形位能持久保持、维修工 作量显著减少等特点，能够有效保证列车的高速行驶【1 2 1 。 a ) 浇制混凝土板前b ) 浇制混凝土板后拆除工具轨 图1 3 无砟轨道 1 1 3 轨道内部几何状态 轨道是铁路行车的基础设备，它直接承受机车车辆传递过来的压力、冲击 和震动，并将其传递给轨枕，它的主要作用在于支持并引导车轮沿着运行方向 前进。因此，轨道状态的好坏对车辆的安全运行、乘客的旅行舒适、设备的使 用寿命和养护费用起着决定性的作用。 铁路日常运营过程中，随着时间的推移，铁路轨道在机车车辆的不稳定重 复荷载作用下，会出现垂向、横向的动态弹性变形和永久变形，统称为轨道不 平顺【2 8 】( 轨道不平顺分类见图1 4 所示) ，它反映轨道相邻部分的相对位置关系 及其与理想位置关系的偏差，又被称为轨道内部几何状态。 轨道不平顺不仅影响列车的平稳运行，而且这种变形积累到一定限度时， 将大大削弱线路的强度和结构稳定性。轨道不平顺对铁路安全运输有严重的影 响，具体表现在以下几个方面： 1 ) 高低不平顺是指轨道沿钢轨长度方向在垂向的凹凸不平。它是由铁路施 工和大修作业的高程偏差，桥梁挠曲变形，道床和路基残余变形沉降不均匀， 3 第1 章引言 轨道各部件的间隙不相等，存在暗坑、吊板以及轨道垂向弹性不一致等造成的。 严重的高低不平顺将引起列车剧烈的点头和沉浮振动，使车轮大幅度减载， 甚至悬浮，在曲线上和方向不良的区段运行时，可能导致脱轨。高低不平顺的 幅值过大( 约超过2 5 m m 时) 会使道床阻力显著降低，引起无缝线路发生胀轨 跑道。 轨道不平顺厂孝? 了习z j 顷 高低不平顺 水平不平顺 轨道平面扭曲( 三角坑) 钢轨波浪形磨耗 轨面不平顺( 包括擦伤、剥离、马鞍形磨耗) 方向不平顺 轨距偏差 方向水平逆向复合不平顺 曲线头尾几何偏差 图1 4 轨道不平顺分类示意图 2 ) 水平不平顺即轨道同一横截面上左右两轨顶面的高差。在曲线上，水平 不平顺是指扣除正常超高值的偏差部分；在直线上，它是指扣除将一侧钢轨故 意抬高形成的水平平均值后的差值。 水平不平顺将使车辆产生侧滚振动，导致一侧车轮增载，一侧车轮减载。 北美铁路专家认为曲线上严重的水平不平顺，往往是引起货车脱轨的重要原因。 若方向、水平两种不同不平顺同时存在，且逆向复合时，引起脱轨的危险性更 大。 3 ) 轨道平面扭曲( 有些国家称为平面性，我国常称三角坑) 即左右两轨顶 面相对于轨道平面的扭曲，用相隔一定距离的两个横截面水平幅值的代数差度 量。国际铁路联盟u i cb 5 5 专门委员会将所谓“一定距离 定义为“作用距离 ， 即指轴距、心盘距。 扭曲不平顺将使转向架出现三点支承一轮减载甚至悬浮的危险情况。曲线 和直线上严重的局部扭曲不平顺都会引起车辆剧烈的侧滚和侧摆振动，导致脱 轨系数过大而脱轨。 4 ) 轨面短波不平顺即钢轨顶面小范围内的不平顺，它是由轨面不均匀磨耗、 擦伤、剥离掉块、焊缝不平、接头错牙等形成的，其产生的轮轨间的巨大冲击 4 ril_、l( 第1 章引言 力，通常使轮载波动为静轮载的二三倍之多。 其中轨面擦伤、焊缝不平、接头错牙等多是孤立的，不具周期性，而波纹 磨耗、波浪形磨耗则具有周期性特征。严重的波浪形磨耗实质上是一种波长极 短、变化率极大的高低不平顺，而且呈谐振波形，比高低不平顺的影响更为严 重。 5 ) 方向不平顺是指轨头内侧面沿长度方向的横向凸凹不平顺，由铺轨施工、 整道作业的轨道中心线定位偏差，轨排横向残余变形积累和轨头侧面磨耗不均 匀、扣件失效、轨道横向弹性不一致等原因造成。 左、右轨方向变化往往不同，尤其在木枕和扣件薄弱的区段差异更大，因 此需要区分左轨方向和右轨方向，并将左、右轨方向的平均值作为轨道的中心 线方向偏差。 严重的方向不平顺将引起很大的侧向力，可能使轨枕、扣件不良的地段的 钢轨倾翻或轨排横移，造成列车脱轨倾翻。过大的侧向力也往往使脱轨系数增 大，引起列车爬轨掉道。幅值很大、波长较短的方向不平顺，本身就会使无缝 线路的稳定性降低，加上这种方向不平顺必然引起轮轨间较大的横向力，往往 导致动态胀轨跑道事故。 6 ) 轨距偏差即在轨顶面以下1 6 r a m 处量得的左右两轨内侧面距离相对于标 准轨距的偏差，通常由扣件不良、轨枕挡肩失效、轨头侧面磨耗等造成。 轨距偏差过大，会使车轮掉道和卡轨，即使轨距尚未扩大到会使车轮掉道 的程度，如果车轮锥形踏面的大坡度段( 1 ：1 0 ) 己进入轨顶内侧圆弧内，仍然 会在轮轨间产生较大的横向推力。 7 ) 方向水平逆向复合不平顺是指在同一位置既有方向不平顺又有水平不平 顺，而且轨道臌曲方向与高轨位置形成反超高状态。 方向水平逆向复合不平顺对行车安全有严重影响，往往是引起脱轨的重要 原因。 8 ) 曲线头尾的几何偏差是指在曲线圆缓点区、缓直点区，超高、正矢、轨 距顺坡起点、终点不一致或不匹配形成的几何偏差，实质上是一种轨道超高和 曲率不匹配的严重的复合不平顺。 曲线头尾的几何偏差，对行车平稳舒适和安全有不可忽略的影响，往往是 列车曲线脱轨的重要原因，会使车辆产生剧烈摇晃，脱轨系数、减载率和横向 力均显著增大。 5 第1 章引言 轨道的不平顺将严重威胁行车安全。因此，如何对轨道内部几何状态进行 有效管理，实时把握并纠正轨道内部几何状态变化，以保持线路设备完整和质 量均衡，使列车以规定速度安全、平稳、不间断地运行并尽量延长轨道使用寿 命，己逐渐成为国内外铁路工作者的重要研究课题。 轨道内部几何尺寸检测 9 d 5 1 有静态检测和动态检n - - 种不同评价方法与体 系。静态检测研究的是轨道在不受轮轨作用力的情况下的几何状态，它较客观 地反映了轨道实际的几何状态，以手工或各种轨检小车进行检测；动态检测研 究的是一定时速、轴重的列车通过该轨道时，列车的横向、垂向加速度等与人 体舒适度和安全性相关的指标，反映了该轨道的最终运行效果，它不仅包含轨 道静态几何状态的影响，同时也包含轨道路基、车辆的动力学特性等复杂因素 的影响，以轨道动态检测车定期对线路进行检测。 1 ) 静态检测 几何尺寸静态检测包括线路和道岔几何尺寸检测，线路几何尺寸检测又分 为直线和曲线轨道检测。 直线轨道检测的项目主要有：轨距、水平( 含三角坑或线路扭曲) 、方向及 高低。 曲线轨道检测的项目有：轨距( 含轨距加宽) 、水平( 含外轨超高、缓和曲 线超高顺坡、三角坑或线路扭曲) 、曲线正矢及高低。 道岔几何尺寸检测的主要项目有：道岔各部轨距、水平、方向、高低、导 曲线支距、查照间距等。 2 ) 动态检测 轨道几何尺寸动态检测设备主要是轨道检查车。轨道检查车可检测左右轨 前后高低、左右轨方向、水平、左有轨面不平顺、曲线超高、曲线半径、轨距、 线路扭曲、车体水平和垂直振动加速度、左右轴箱垂直振动加速度等。除检测 轨道几何尺寸外，还可以从轮轨相互作用和行车平稳性的方面对轨道状态作出 综合评价。 轨道检查车由轨道检测装置和数据处理系统两大部分组成。检测装置包括： 惯性基准轨道不平顺测量装置、曲线外轨超高测量装置、光电轨距测量装置和 多功能振动测量装置等。数据处理系统包括：计算机、a d 模数转换器、打 印机等。 6 第1 章引言 1 1 4 轨道外部几何状态 既有线养护维修的核心目标是保证轨道的平顺性。既有线检查的常规内容 是轨道内部几何状态，如轨向、高低、曲线正矢及水平、轨距等。 通过对线路的养护与维修，能够在一定程度上恢复线路的平顺状态。但是， 这些检查内容中，并不包含线路的坐标信息。由于地质情况变化、线路轮轨不 均衡作用力影响、养修作业方式与习惯等原因，仍可能出现部分线路或区段线 路整体偏离设计的平面位置，或者左右轨高程同时偏离设计高程等三维坐标漂 移的现象，从而使轨道线型出现无法预期的变化。在列车运行速度较低时，线 路实际线型与设计线型的偏离对行车安全与舒适性尚不构成明显的损害。但当 列车速度提高到1 6 0 k m j h 或更高时，中长波的平顺性问题将显著地体现出来， 成为影响行车安全与舒适性的重大因素。 因此，新建铁路、改建铁路和增建第二线等建设项目时，不仅需要控制轨 道的内部几何状态，同时更需要严格控制轨道的三维坐标。 客运专线无砟轨道铁路工程测量【蛤1 3 】分为勘测、施工、运营维护三个阶段， 其基本工作流程如图1 5 所示： 图1 5 无砟轨道工程测量基本流程 无砟轨道施工测量的目的在于指导施工过程，保证施工质量，而竣i n 量 7 第1 章引言 的目的在于记录并评价施工效果，但二者的测量内容基本相同，主要包括线路 中线位置、轨面高程、测点里程、坐标等外部几何状态，以及轨距、水平、高 低、扭曲等内部几何状态。 1 2 轨道三维精测系统 传统上的轨道三维测量均采用人工方法，以全站仪、水准仪等光学测量系 统为基本测量手段，结合轨道尺、拉线等简易器具进行，工人劳动强度大，测 量准确性差、生产效率低，控制精度无法得到可靠保证。 适合高速铁路建设发展需求的现代意义上的轨道三维精测系统由测量基准 网( 包括平面控制网、高程控制网) 、轨道三维精测小车( 包括精n d , 车、全站 仪) 和变形监测网( 水平位移监测网、垂直位移监测网) 三大部分构成。其中， 轨道三维精测小车以测量基准网为测量起算依据，通过小车实现轨道内部状态 测量、通过全站仪实现轨道三维坐标测量，并通过在线信息处理系统进行信息 融合、处理，实现对轨道几何状态的全面检测。 轨道三维精测系统是高速铁路，特别是双块式无砟轨道客运专线施工成套 设备中最关键的专业精测技术体系，是工程最终精度控制的核心装备，在铁路 轨道施工、轨道验收测量以及轨道运行时的线路养护维修中都起着十分重要的 作用【1 9 1 ，能够承担并完成检查轨道实际几何状态及其与设计几何状态之间的差 异，指导施工、评价效果的关键任务。 1 3 无砟轨道三维精测小车的发展概况 无砟轨道三维精测小车是机械技术、传感器技术、计算机技术、工程测量 技术等多学科领域知识的完美结合，具有体积小，易搬运，操作简单，精度高， 适用面广等突出优点。因此，随着铁路运输业的发展，无砟轨道三维精测小车 在国外，特别是以德国为代表的工业西方发达国家得到了很好的发展与应用。 1 3 1 国外 目前，国外公司能够提供的适合无砟轨道施i n 量要求的无砟轨道专业精 8 第1 章引言 调检测小车主要有瑞士a m b e r g 公司的g r p 系列三维坐标测量型轨道检查小 车，如图1 6 所示，以及德国r a i l o n e 公司的r h e d a 2 0 0 0 备选的德国s i n n i n g 公司的g e d oc e 2 0 专业精调设备，如图1 7 所示。 图1 6g r p 3 0 0 0 轨道检查小车，a m b e r g 图1 7g e d oc e 专业精调设备，s i n n i n g 这两款无砟轨道专业精调检测小车均按三维坐标测量方式工作，专门针对 铺轨作业进行设计，性能相近，测量效率基本相同。其缺点主要是价格昂贵、 连续测量时的测量效率低、测量轨道几何不平顺的精度不高。 l e i c ag r p 系统是一个集轨道几何形状测量与周围环境测量于一体的高 效测量系统，有三种标准型号：g r p l 0 0 0 、g r p 3 0 0 0 、g r p 5 0 0 0 。 g r p l 0 0 0 是一个基本测量系统，主要由用于轨道几何形状测量的t g s 手推 式轨道检查小车构成，通过内置的用于轨道轨距测量、超高测量和里程测量的 传感器进行测量作业。同时，利用全站仪进行确定轨道检查小车位置的外部测 量，以提供轨道上每一个测点的绝对坐标和轨道参数。 g r p 3 0 0 0 包括了g r p l 0 0 0 的全部功能，并配备了p r o f i l e r l 0 0 断面仪， 可以通过全断面测量或单点测量的方式进行限界测量。它还可以用于在没有外 部参考基准的情况下进行限界测量，这种情况下，所有的测量成果都是以轨道 位置为参考基准( 相对测量) 。 g r p 5 0 0 0 用于对轨道周围目标( 限界及隧道全息成像) 进行动态测量。t g s 手推式轨道检查小车上配备了g b c 5 0 0 0 电池支柱和h d s 4 5 0 0 激光扫描仪。 在武广客运专线的修建过程中，施工单位就选用了g r p l 0 0 0 ，用它测量轨 9 一，噼? 第1 章引言 距、超高( 倾斜) 、里程( 测量距离) ，以及精确确定轨道三维坐标，g r p l 0 0 0 具有专为无砟轨道设计的操作界面，可以实时显示结果和改正数据。 1 3 2 国内 随着我国铁路建设在质量和数量上越来越高的要求，国内也产生了对轻型 测量小车的需求，但当时我国在研发方面还处于空白，所以有很长一段时间完 全使用进口小车。 2 0 0 3 年由南昌大学与江西日月明实业有限公司、中铁十一局集团第三工程 有限公司联合推出的e g x b 轨道几何状态检查小车是我国第一台正式通过鉴 定并应用于工程实际的小型轨道检测装置。 目前，国产的相对不平顺测量轨道几何状态检查仪在工务系统中已经得到 广泛的应用，主要生产厂家有：江西日月明公司、四川什邡瑞邦公司、长沙悦 诚公司、四川资阳立信、兰州兰特、成都中南大学交通装备研究所等。 这一类型的轨道检查仪检测速度快、在高平顺线路上精确测量轨道不平顺 的精度高、价格低廉，但它们不能进行平面坐标和高程的精确测量，不能直接 用于指导铺轨作业，也就是说，国内目前尚没有成熟的无砟轨道三维精测小车。 1 4 课题的来源与进展 本课题主要完成了无砟轨道三维精n d , 车系统的研制任务，该课题是铁道 部“双块式无砟轨道施工成套设备技术再创新项目的子课题，由江西日月明 公司与南昌大学合作承担。 南昌大学与江西日月明公司的合作由来已久，本课题组于2 0 0 3 年研制出的 e g x b 型轨道几何状态检测小车，是我国自主开发、国内首创的数字式轻便轨 道几何状态检测系统，它为铁路部门在轨道检测方面提供了新的几何状态静态 检测手段，弥补了大型轨道检查车检测周期长，数量少，不方便配合大修、维 修、整道作业和验收作业等的不足，而且非常符合我国的国情。该机的主要性 能和整机的性价比，均处于国际同类产品的先进水平，于2 0 0 3 年3 月1 6 日通 过江西省科技厅组织的鉴定。 2 0 0 4 年9 月，铁道部正式将小型轨道检测装置命名为“g j y 系列手推式轨 1 0 第l 章引言 道检查仪 ，并出台了手推式轨道检查仪通用技术条件。 2 0 0 6 年6 月，铁道部正式颁布执行中华人民共和国铁道部部门计量检定规 程铁路轨道检查仪检定台( j j g ( 铁道) 1 9 2 2 0 0 6 ) 。 2 0 0 7 年4 月，铁道部正式颁布中华人民共和国铁道行业标准铁路轨道检 查仪( t b t3 1 4 7 2 0 0 7 ) 。 江西日月明公司以产品生产企业第一单位的排序，全面参与了上述规程与 标准的制订工作，为推动该技术的全面进步与应用作出了巨大的贡献。 图1 8 ，图1 9 为江西日月明公司生产并批量供应市场的二种典型产品。 图1 8g j y - h 轨道检查仪 图1 9g j y - t 轨道检查仪 目前，铁道部已经全面启动了轨道几何状态检查仪的普及应用进程，各大 铁路局已经开始规模性地进行轨道几何状态检查仪的试用与推广工作，而探索、 总结与制订相关应用模式与使用规程，己经成为规范轨道几何状态检查仪应用 的首要任务之一。 顺应当前的大好形势，凭借开发轨道几何状态检查仪研究与应用所取得的 成功经验和技术积累，本课题组所完成的“e g s 11 2 3 无砟轨道三维精测小车” 已完成全部的研究工作和样机试制、试验工作，为国内首创。2 0 0 7 年9 月，中 国铁路工程总公司组织国内权威专家对包括该设备在内的双块式无砟轨道施工 关键设备进行了现场综合测试与试验，专家鉴定意见认为：“e g s 1 1 2 3 无砟轨 道专业精n d , 车能够满足高速铁路无砟轨道施工的需要，可以批量生产并投入 工程应用”。 目前，该系统已经在温福客运专线、合武客运专线、武广客运专线正式应 用。 第1 章引言 1 5 课题的意义 我国经济发展到今天，很多经济学家和运输专家都普遍认识到铁路在我国 运输体系中的重要地位，以及维持铁路的地位对于实现我国社会经济可持续发 展的重要意义。随着经济的发展和人们对生活节奏和生活品质的需求的不断提 高，同时面临高速公路路网和汽车运输能力不断加强，民用航空消费成本逐步 降低的双重竞争压力，若想保持铁路的竞争力，落实铁路在可持续运输体系中 的作用，就必须实现铁路技术的重大进步。 当今，最先进的铁路技术体现为高速铁路。在这方面，我国虽然已经开展 了相关研究，并在既有线上进行了提速，但对于真正的高速铁路技术，还没有 完全掌握，这使得我们有很大的研发空间。 目前，我国的社会、经济和自然环境为铁路创造了良好的发展环境。铁路 是我国运输网的主骨架，是我国中长途运输服务及短途公交化运输服务的主要 承担力量，也是实现可持续发展的重要保证。而客运专线、无砟轨道要实现精 准化施工，精确的测量是制约性的关键技术之一。随着我国高速铁路建设事业 蓬勃发展，铁路高速化对线路施工提出了越来越高的精度要求，传统的人工测 量方式远远无法满足工程实际的需要，高度数字化、自动化和计算机化的轨道 三维精n d , 车系统已经成为发展无砟轨道机械化施工成套设备中不可或缺的重 要内容。 通过本项目的研究，也将进一步拓展机电一体化技术在铁路建设领域的应 用面与技术深度，极大地体现出学科交叉的优势与潜力，促进各行业的技术进 步与均衡发展。 1 2 第2 章无砟轨道三维精测小车总体方案 第2 章无砟轨道三维精测小车总体方案 本课题将“性能上达到或超过国外技术水平、效率上远高于国外水平、价 格上明显低于国外水平的设计理念贯穿于研发的全过程，在产品功能定位、 系统方案制订、整机结构设计以及配套元( 部) 件选型等各个环节上，均充分 考虑了高速铁路建设的实际情况与中国国情。 e g s 11 2 3 ( e n h a n c e dg j ys y s t e m ) 无砟轨道三维精n d , 车是在g j y 系列 轨道检查仪的基础上，改进、完善其基本功能，并增加了轨道三维坐标测量功 能而形成的既能够胜任无砟轨道专业精调工艺要求，又能够承担轨道竣工验收 测量要求的全能型轨道检查系统。 2 1 无砟轨道施工工艺分析 双块式无砟轨道在完成轨道下部基础检查与测设、基础承台滩铺、轨排原 位组装后，轨道的实际位置可能与设计参数有比较大的偏差，需要通过多次轨 道调整，逐步减小和消除这种偏差。 先期进行的轨道调整为轨道支撑体系安装与轨道粗调工序，由粗调机组承 担作业任务，以全站仪为三维定位测量工具、与粗调机测量小车水平及轨距测 量装置配合、通过专用数据分析与控制软件实现自动或半自动调整。经过粗调 后的轨道位置误差将控制在+ 5 m m 范围内。 轨道精调作业以无砟轨道专业精测小车为测量与操作指示，通过人工调节 螺栓精调装置实现轨道的精确定位。精调时，小车静置于被调整轨道上，通过 全站仪对小车棱镜点的跟踪测量，实时显示对应点处的轨道位置、设计位置及 其位置偏差的大小、调轨方向，直接指导现场的调轨作业。这种定点调轨作业 将沿轨道方向在逐根轨枕处或间隔一定进行距离( 如直线段每3 根枕木l 点， 曲线段每2 根枕木l 点，或每2 米l 点等) 依次进行，经过精调后的轨道位置 误差将控制在l m m 范围内。 精调及模板安装工作完成后，将进行轨道的混凝土浇筑，固化后再拆除工 具轨和模板，并进行长轨铺设。 1 3 第2 章无砟轨道三维精测小车总体方案 轨道施工完成交付前，必须记录轨道线型。该项工作需利用无砟轨道专业 精n d , 车与全站仪配合，对轨道进行等间距的连续的三维坐标测量，分析并生 成线型数据报表，作为轨道交付时的测量数据资料。 2 2e g s 1 1 2 3 精测小车的性能定位 根据双块式无砟轨道施工工艺的要求，无砟轨道专业精测小车必须实现以 下二种的测量模式： 1 ) 定点三维测量模式 定点三维测量模式简称定点测量模式。定点测量时，将无砟轨道专业精测 小车静置于轨道待测点，小车按一定的时间间隔，实时接受全站仪对小车棱镜 点的跟踪测量数据，结合小车的轨距和高程差传感器信息，对该处的轨道平面 坐标和高程进行反复测量，指示轨道的实际位置、设计位置及其偏差的大小与 方向。 定点测量主要用于轨道精调，在此模式下，小车的主要作用是显示所需进 行的轨道调整量的大小、调整方向等。显示项目包括轨道中点的横向位置、轨 距、左轨高程、右轨高程，及其与设计值的偏差等。 2 1 连续三维测量模式 连续三维测量模式简称连续绝对测量模式。连续绝对测量时，将无砟轨道 专业精测小车沿轨道方向按等距或不等距依次静置于轨道上，通过全站仪对小 车棱镜点的跟踪测量获得小车所在位置的轨道平面坐标和高程，结合小车的轨 距和高程差传感器信息，计算轨道中线位置、轨距、左右轨高程差，及其与设 计值之间的偏差。 轨道混凝土浇筑完成并换铺长轨后，理想情况下轨道位置应保持在精调后 的状态，不应存在过大的误差。但受硬化过程、支撑体系受力等各方面的影响， 误差是无法避免的。 因此，实际施工中，长轨铺设完成后竣工验收前，还需要进行长轨精测精 调，此时，轨道状态测量具有普查性质，需要采用精调小车对轨道进行连续的 精确测量，同时，测量速度很重要。 此时，通过测量轨道轨距、水平( 超高) 和垂向与横向不平顺，快速查找 轨道误差超限处所，在此基础上，再针对轨道几何不平顺状态不良的局部轨道， 1 4 第2 章无砟轨道三维精测小车总体方案 利用无砟轨道专业精n d , 车进行三维坐标的精测，确定所需进行的精调作业位 置、作业量与作业方向，指导施工人员进行适当的处置，可取得事半功倍的效 果。 因此，e g s 11 2 3 轨检小车还设计了一种新的测量模式： 3 ) 连续相对不平顺测量模式 连续相对不平顺测量模式简称连续相对测量模式。连续相对测量时，以正 常步行速度( 3 5 k m h ) 推行无砟轨道专业精测小车，对轨道沿线路方向按等间 隔( o 1 2 5 m ) 进行行进中的连续相对测量，快速分析和记录轨道的横向和垂向 几何不平顺，查找超限处所的位置。 相对不平顺测量以弦测法【2 1 2 2 1 为理论基础，能够测量轨道水平、轨距、左 右高低、左右轨向，以及轨距变化率、扭曲等几何不平顺信息。 相对不平顺测量数据有波形和数据表格等二种表达方式，可根据设定的超 限规范自动生成超限报表，还可自动生成轨道t q l 分析报表等。 与三维坐标测量相比，相对不平j u i 页n 量系统所采用的传感装置的分辩力较 高，可达到0 0 0 5 m m ，同时，测点之间的里程间隔小，因此，连续相对不平顺 测量数据中的信息量比较丰富，其波形文件可用于分析焊接接头的打磨不平顺、 钢轨轧制不平顺等。 由于连续相对不平顺测量是在小车行进中不停顿进行的，其作业效率为连 续三维测量的1 0 倍以上，是一种高效测量模式。 2 3e g s 1 1 2 3 精测小车的总体方案 2 3 1 三位一体的全能测量系统构架 在不同测量方式下，对无砟轨道专业精测小车的测量效率有不同的要求。 按6 0 0 米天( 单班进度3 0 0 米) 的铺轨速度来要求轨道的精调时，无砟轨道专 业精测小车定点作业的数据更新率、全站仪设站辅助时间等也必须与之相适应。 但是，竣工前的精测精调及竣工时记录轨道线型时的测量并不是与铺轨作业平 行进行的，而更多地具有“验收刀作业的性质，因此，要求无砟轨道专业精测 小车的测量效率更高。 基于以上考虑，e g s 1 1 2 3 无砟轨道专业精测小车的总体设计思路是：以基 1 s 第2 章无砟轨道三维精测小车总体方案 于弦测法的相对测量型轨检小车为基础，重点解决三维坐标测量系统理论、算 法与信息表达问题，实现“相对不平顺测量+ 三维定点测量+ 三维连续测量 三位一体的全能测量系统构架。 支持这一思路的基本前提是： 1 ) 无砟轨道施工完全依靠三维坐标测量方法，必然存在测量速度慢、操作工作 量大的问题。同时，从测量精度方面讲，三维坐标测量方法对轨道几何不平 顺的测量能力较弱。 2 ) 江西日月明公司具有长期从事相对测量型轨检小车研究与生产的丰富经验与 雄厚的技术支撑，能够比较便捷地实现相对测量型轨检小车向无砟轨道专业 精测小车的转变与提升。 2 3 2e g s 1 1 2 3 无砟轨道精调检测小车系统构成 e g s 1 1 2 3 无砟轨道精调检测小车系统采用模块化设计方案，系统构成框图 如图2 1 所示。 全站仪 g p t 9 0 0 1 a 刮无甥警块 t c a2 0 0 3 a ij d 9 ， 里程测量装置 e g s 11 2 3 t b 相对测量装置 e g s - l1 2 3 m b 2 3 3 系统主要组成部分 无线通讯模块 j z 8 7 2 通信控制中心 e g s 11 2 3 s b 图2 1 系统构成框图 在线离线数据处理系统 r a i l w a y c h k x p 坚固型移动p c c f 1 8 根据系统各模块所完成的功能不同，可将系统分为以下四个主要组成部分： 1 ) 机械系统 承担小车走行及其姿态控制，提供测量基准弦，以及对其它系统的支承与 1 6 第2 章无砟轨道三维精测小车总体方案 连接等任务。 2 ) 传感与检测系统 承担对水平、轨距、里程及全部相对不平顺测量项目的传感与检测，信号 调理与数据采集、传送，主从c p u 之间的通信控制等任务。 3 ) 三维坐标测量系统 承担对小车位置的三维坐标自动跟踪测量和数据无线传输任务。 4 ) 软件系统 由从机软件系统和主机软件系统二部分构成。从机软件系统承担各检测项 目的测量、数据预处理和通讯控制等任务。主机软件系统承担系统菜单与人机 交互、系统设置、数据处理、数据管理、数据显示与运用、数据存储与回放等 任务。 2 3 4 机械系统 无砟轨道专业精调检测小车机械系统( 如图2 2 ) 以江西日月明公司g j y - h 4 型轨检仪( 如图2 3 ) 为原型机，包括左右侧臂、大梁、左右轨向测量装置、左 右高低测量装置、轨距测量装置、水平测量装置及里程测量装置等，系统外观 如图2 4 所示。 图2 2e g s 11 2 3 精测小车的机械系统 图2 3g j y - h 4 型轨检仪的机械系统 1 7 第2 章无砟轨道三维精n d , 车总体方案 图2 4e g s 1 1 2 3 系统外观 机械系统相关的新增或改进内容主要包括： 1 )棱镜支架 在g j y - h 4 的大梁中部位置，设置棱镜支架。选择棱镜支架安装位置时， 主要考虑了以下因素： a ) 大梁与右侧臂之间为刚性联接，构成无砟轨道专业精调检n d , 车的主体 结构，左侧臂与该主体结构采用三自由度浮动联接。 b ) 棱镜支架设置在大梁中央位置，其中心线与大梁中心线之间的垂直度误 差可通过调整环节在装配过程中进行的精确调校，棱镜高、棱镜杆中心线 与1 4 3 5 m m 轨距中点之间的横向偏差可进行精确测量。同时，大梁上设有 轨距传感器，能够实时测量实际轨距与理论轨距之间的偏差值。上述偏差 可作为该小车的结构参数输入数据处理软件，在测量变换时进行相应的处 理。 c ) 为方便运输，棱镜支架设计为可拆装型，对拆装过程中引入的磨损问 题，通过增加定位垫块来解决，如图2 5 所示。 d )小车推行过程中，棱镜支架安装位置采用螺旋把手进行固定( 图2 5 ) ， 1 8 第2 章无砟轨道三维精测小车总体方案 能最大限度地保持结构稳定。 图2 5 棱镜支架图2 6 通讯窗口 2 ) 通讯窗口 下位机电路内置于大梁内部，而m c u 需要与上位机和全站仪进行通讯， 为了不影响整机的美观和安全，加开了有线和无线通讯的窗口，如图2 6 所示。 3 ) 推杆安装位置 三维坐标测量时，小车处于走走停停的状态，小车启动或加速，以及小车 减速或停止时，推杆作用在小车上的推( 拉) 力均会产生较大变化。这种力的 变化可能对水平测量产生不利影响。 g j y - h 4 仅进行相对不平顺的连续测量，测量时小车连续推行，不存在走走 停停的情况，故原始设计中的推杆设置在大梁中央。 e g s 1 1 2 3 将推杆改为设置在右侧臂中央，以改善小车推行过程中的受力状 态，提高系统测量精度。 4 )推杆锁紧装置 在推杆的底部安装锁紧装置，用以调节推杆与推行方向的角度，提高操作 人员操作时的舒适性。 5 )刹车装置 在小车右侧臂的一个走行轮上安装了刹车装置，由推杆控制。 6 )里程测量装置 g j y - h 4 的里程采用单向连续测量、等距离触发数据采样方式进行工作。 全能型测量系统要求里程双向测量，并有手动( 按键) 触发、定时连续触 发、等距离触发等多种数据采样方式。因此，体现在里程测量装置上的机械结 构的变化主要是设置了9 0 。正交双探头，能够实现小车的正推与反推。 1 9 第2 章无砟轨道三维精测小车总体方案 7 ) 测量( 走行) 轮系材料 g j y - h 4 由于受到不能干扰轨道电路的限制，与轨道接触的各走行轮、导向 轮均采用绝缘材料制成，成本较高。无砟轨道专业精调检测小车在轨道施工阶 段使用时，考虑兼顾沿用绝缘轮和采用淬火钢轮二种方案的设计，能够实现不 同材质轮的简单互换。 2 3 5 电气系统 g j y - h 4 系统采用“多m c u 在线测量、存储+ p c 离线分析 的组织架构， 现场采用液晶屏对测量信息进行简单