高速拖曳水池軌道建設(shè)工程若干問題探討

魏方以，徐 昊，蔣志鵬，貢建國(guó)

（上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

0 引言

在高速拖曳水池建設(shè)過程中，軌道建設(shè)是極為關(guān)鍵的核心工程，其直接影響到高速拖車的速度穩(wěn)定性與精度，從而影響模型試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性[1]。拖曳水池軌道與傳統(tǒng)鐵軌在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、荷載特點(diǎn)與工作特點(diǎn)等方面存在明顯區(qū)別，通常由主軌和副軌組成，每根軌道為整根無(wú)縫焊接，并嚴(yán)格保證軌道的水平度、直線度和平行度，控制水池池壁不均勻沉降變形對(duì)軌道的影響，以確保模型拖曳試驗(yàn)精度。

隨著近年來國(guó)內(nèi)新建拖曳水池不斷增多，整體趨勢(shì)也呈現(xiàn)投入多、規(guī)模大、精度高、功能廣等多元特征。但如何提高其軌道建設(shè)的質(zhì)量、控制加工與安裝精度，從而滿足未來各類模型試驗(yàn)的科研需求，是業(yè)內(nèi)尤為關(guān)注的問題。本文以上海交通大學(xué)拖曳水池軌道建設(shè)為例，總結(jié)分析了軌道設(shè)計(jì)加工與安裝、軌道測(cè)量與調(diào)整、軌道安裝精度分析等若干工程問題，并針對(duì)相關(guān)技術(shù)問題探討可行對(duì)策。上海交通大學(xué)拖曳水池軌道如圖1所示。

圖1 上海交通大學(xué)拖曳水池軌道

1 軌道的設(shè)計(jì)、加工與安裝

上海交通大學(xué)多功能拖曳水池整體尺度300 m×16 m×7.5 m，拖車最大拖曳速度達(dá)10 m/s，軌道由中國(guó)航空救生研究所（610所）負(fù)責(zé)建造，其技術(shù)指標(biāo)如下[2]：

軌道總長(zhǎng)約300 m，軌距16.6 m；

相對(duì)于水平面，軌道頂面各點(diǎn)水平度偏差小于±0.1 mm，每米偏差小于±0.05 mm；

每根軌道直線度偏差小于±0.2 mm，每米偏差小于±0.1 mm；

軌道基座的間距不小于500 mm，軌道在各基座處沿垂向可調(diào)距離不小于20 mm，沿水平向可調(diào)距離不小于±5 mm.

因此，高精度技術(shù)指標(biāo)為軌道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工、安裝、調(diào)試和維護(hù)等工作帶來了重大的技術(shù)難度與挑戰(zhàn)。

1.1軌道設(shè)計(jì)與加工

鋼軌材質(zhì)選用U71Mn，經(jīng)質(zhì)檢局對(duì)金相組織、硬度、沖擊功、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率等項(xiàng)目檢驗(yàn)合格。根據(jù)軌道技術(shù)指標(biāo)，除滿足拖車載荷要求外，軌道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮兩個(gè)方向的調(diào)節(jié)余量，滿足雙向調(diào)節(jié)和鎖定，從而克服由于水池地基的變形、內(nèi)部應(yīng)力與外部載荷變化所引起的軌道基礎(chǔ)沉降及變形，如圖2所示。710所胡志仁等針對(duì)拖曳水池高精度軌道的調(diào)節(jié)鎖緊問題，對(duì)軌道調(diào)節(jié)范圍、軌道直線度和水平度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及調(diào)節(jié)支座的固定3個(gè)方面進(jìn)行了研究[3]。軌道六個(gè)面進(jìn)行精密預(yù)加工過程中，需要對(duì)加工質(zhì)量嚴(yán)格控制管理，認(rèn)真制定鋼軌加工尺寸檢測(cè)記錄表，避免出現(xiàn)軌道預(yù)加工后軌面粗糙度超標(biāo)，影響軌道精確調(diào)整，導(dǎo)致拖車運(yùn)行速度不穩(wěn)定，水平導(dǎo)輪卡軌等現(xiàn)象。

圖2 軌道布置圖

軌道焊接軌頭精密預(yù)加工過程中，需提前制定可行的軌道焊接施工方案，完成軌道現(xiàn)場(chǎng)焊接試驗(yàn)，詳細(xì)記錄每個(gè)試驗(yàn)焊接頭的正火參數(shù)、檢測(cè)精度、超聲波探傷及落錘試驗(yàn)情況，最終記錄軌道正式焊接、正火相關(guān)數(shù)據(jù)，并檢測(cè)滑軌固有頻率。

1.2軌道的安裝

軌道安裝分為預(yù)埋件鋪設(shè)與澆筑、軌道鋪設(shè)兩部分。土建施工時(shí)應(yīng)預(yù)留預(yù)埋孔或槽，防止在扣件鋪設(shè)與澆筑時(shí)出現(xiàn)尺寸偏差。在保證設(shè)計(jì)水位前提下，開始鋪設(shè)預(yù)埋件，預(yù)埋件的定位采用激光跟蹤儀，并保持對(duì)池壁的沉降與變形監(jiān)測(cè)，以便預(yù)埋件澆筑固定后滿足軌道調(diào)整要求，施工流程如圖3所示。

圖3 軌道預(yù)埋件施工流程圖

軌道焊接后，由五工位精銑機(jī)床加工，加工精度同軌道預(yù)加工要求一致，逐步推進(jìn)完成300 m軌長(zhǎng)。軌道安裝時(shí)檢測(cè)與調(diào)整所采用的測(cè)量?jī)x器必須達(dá)到高于0.05 mm的測(cè)量精度，包括Leica TM30和FARO激光跟蹤儀等，如圖4.

圖4 Leica激光跟蹤儀及靶球

2 軌道的測(cè)量與調(diào)整

通常，拖曳水池軌道測(cè)量采用傳統(tǒng)水準(zhǔn)槽[4-5]、軸線定位[6]、USMN[7]、常規(guī)測(cè)量[8]等測(cè)量方法。我校水池采用建立基于GPS精密高程測(cè)量技術(shù)的永久獨(dú)立基準(zhǔn)線方法，沿水池縱向單側(cè)布置12個(gè)基準(zhǔn)樁，跨度約306 m.與傳統(tǒng)水準(zhǔn)槽測(cè)量方法相比，獨(dú)立基準(zhǔn)線測(cè)量方法能更好地控制高精度軌道的測(cè)量和調(diào)整精度，有力保證了軌道的安裝、調(diào)整與維護(hù)。此外，也有一些水池基準(zhǔn)點(diǎn)間距在水池兩端為18 m，中間相鄰基準(zhǔn)樁距離約30 m，按照基準(zhǔn)點(diǎn)的直線度要求，測(cè)量精度為±0.2 mm+0.5 ppm，安裝精度為±2 mm，全長(zhǎng)相對(duì)誤差±0.5 mm.采用Leica TM30和Trimble水準(zhǔn)儀完成了基準(zhǔn)點(diǎn)強(qiáng)制歸心裝置的安裝放樣及精密測(cè)量工作，點(diǎn)位放樣精度達(dá)到3 mm，高程放樣精度達(dá)到1 mm.對(duì)軌道檢測(cè)與調(diào)整采用的設(shè)備包括Leica TM30和FARO激光跟蹤儀和Trimble水準(zhǔn)儀。采用Leica TM30全站儀進(jìn)行了基準(zhǔn)樁的安裝放樣，定義當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系，1號(hào)點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，x軸與滑軌平行，基本指東，y軸指南，z軸垂直向上，構(gòu)成左手坐標(biāo)系?；鶞?zhǔn)樁個(gè)數(shù)共計(jì)12個(gè)，點(diǎn)位分布及坐標(biāo)系如圖5所示。

圖5 基準(zhǔn)樁點(diǎn)位分布及坐標(biāo)系

為使測(cè)量結(jié)果更精確，需對(duì)基準(zhǔn)樁進(jìn)行多次復(fù)測(cè)，同時(shí)相對(duì)上次安裝位置進(jìn)行微調(diào)，并利用激光跟蹤儀測(cè)量與全站儀測(cè)量進(jìn)行互相檢核。

3 軌道精度分析

拖車系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)模型試驗(yàn)至關(guān)重要，決定拖車運(yùn)動(dòng)性能的因素比較多，包括軌道精度、運(yùn)行距離、拖車與軌道的固有頻率、拖車結(jié)構(gòu)配置、拖車輪壓均衡性、拖車控制系統(tǒng)品質(zhì)等，其中軌道精度是關(guān)鍵因素[3]。而軌道精度取決于軌道設(shè)計(jì)與加工、軌道測(cè)量與調(diào)整以及水池地基環(huán)境因素等。因此，校核施工后的軌道精度顯得尤為重要和復(fù)雜。

軌道系統(tǒng)精度的重要考核指標(biāo)是軌道直線度、水平度、平行度等。為全面了解我校水池軌道精度達(dá)標(biāo)情況，通過抽樣校驗(yàn)基準(zhǔn)線、局部控制點(diǎn)穩(wěn)定性觀測(cè)、軌道全局校驗(yàn)等方法，總結(jié)分析出軌道精度情況如下：

1）基準(zhǔn)線抽樣校驗(yàn)。實(shí)測(cè)基準(zhǔn)樁數(shù)據(jù)經(jīng)坐標(biāo)體系旋轉(zhuǎn)后換算，基準(zhǔn)樁坐標(biāo)最終成果如表1所示，該成果可以作為軌道基準(zhǔn)，由于工區(qū)地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，加上水池蓄水的變化和基準(zhǔn)樁高度較高，坐標(biāo)可能隨時(shí)間存在微小變化。

表1 基準(zhǔn)樁坐標(biāo)成果

2）5組控制點(diǎn)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)情況。分別在主副軌上150、190，504，550，570 號(hào)扣件點(diǎn)附近各取 5 個(gè)控制點(diǎn)，并結(jié)合2016年3月至2017年5月共計(jì)6次監(jiān)測(cè)值進(jìn)行分析。

如圖6結(jié)果顯示，拖曳水池中間部位軌道間距受水位影響明顯，而端部與砼結(jié)合部位的軌道，間距的變化反映的是溫度與水位兩種介質(zhì)綜合影響結(jié)果，曲線變形特點(diǎn)有很大區(qū)別。

圖6 局部控制點(diǎn)穩(wěn)定性觀測(cè)間距隨時(shí)間變化曲線

3）高程方向。主、副軌相對(duì)位置關(guān)系如圖7，主副軌高程方向總體有波浪式凸起變形，主要是池壁段位間沉降差異引起，一定時(shí)間和區(qū)間范圍內(nèi)呈規(guī)律性變化。但對(duì)應(yīng)點(diǎn)主副軌高差值接近于0，Z主-Z副=0視為雙觀測(cè)，則高程Z向直線性中誤差±0.1 mm.

圖7 軌道垂直方向主副軌相對(duì)位置關(guān)系

4）水平方向。通過對(duì)10～250 m段（著重考慮常用加速、穩(wěn)速段）軌道水平方向變形數(shù)據(jù)分析，如圖8所示，經(jīng)最小二乘處理各測(cè)段軌道Y向直線性數(shù)據(jù)，形成Y向合理的調(diào)整后不符值，整體Y向直線性中誤差小于±0.14 mm.

圖8 軌道水平方向主副軌相對(duì)位置關(guān)系

5）直線度方向。利用激光跟蹤儀專用靶球?qū)（主軌），B（副軌）兩軌直線度進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果如圖9～圖10所示，除軌道兩端外，直線度較好，絕大部分偏差在0.2 mm左右。

圖9 A軌直線度測(cè)量結(jié)果

圖10 B軌直線度測(cè)量結(jié)果

最后，通過開展模型試驗(yàn)，結(jié)合信號(hào)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析與頻譜分析情況，對(duì)拖車控制精度及軌道精度進(jìn)行驗(yàn)證，模型試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性及重復(fù)性良好。圖11～圖12顯示為某船模阻力試驗(yàn)時(shí)厲圖及頻譜分析圖，30 kn基本無(wú)振動(dòng)干擾，信號(hào)采集帶寬較小。

圖11 Vs=30kn，Vm=4.806 m/s試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)厲圖

圖12 Vs=30kn，Vm=4.806m/s試驗(yàn)數(shù)據(jù)頻譜分析圖

4 討論

軌道建設(shè)工程系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)要求高、地質(zhì)條件復(fù)雜、周期長(zhǎng)、難度大，任何工程環(huán)節(jié)對(duì)軌道質(zhì)量與精度都有重大影響，針對(duì)以上各技術(shù)問題，提出幾點(diǎn)建議如下：1）軌道設(shè)計(jì)形式必須考慮有足夠橫向、縱向調(diào)節(jié)余量，軌道加工與安裝過程需嚴(yán)格控制施工誤差；2）改進(jìn)傳統(tǒng)水槽測(cè)量方法，利用高精密激光跟蹤儀最大限度提高測(cè)量調(diào)整精度；3）在水池土建過程中，充分考慮地基影響，保證足夠的壓水時(shí)間，對(duì)溫度、池壁沉降與變形進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)；4）對(duì)可能出現(xiàn)的拖車與軌道共振影響，建議軌道扣件或車輪采用不均勻形式分布，或在軌道相鄰兩扣件中心撓度滿足荷載變形情況下，可考慮加大扣件支點(diǎn)距離，或利用高分子材料填充方式增加部分支撐點(diǎn)。

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