長大空間直線滑軌精調(diào)施工技術(shù)研究

陳本見

（中鐵十一局集團(tuán)第三工程有限公司 湖北十堰 442000）

1 工程概況

火箭橇軌道是航空工業(yè)重要的大型、高精度地面動態(tài)模擬試驗設(shè)施，其承載火箭橇運行的高速度［1］，對軌道的平順性提出極高的技術(shù)要求［2］。位于某地的火箭橇滑軌［3］全程為無縫線路（見圖1）。鋼軌為QU100的貝氏體精加工而成，鋪設(shè)在U型梁體上，通過豎向與橫向扣件與“U”型梁連接?？奂A(yù)埋在“U”型梁上，扣件間距1 m，分為豎向扣件和橫向扣件，豎向扣件控制滑軌高程，橫向扣件控制滑軌方向。軌道為平行設(shè)置在“U”梁上的兩根鋼軌組成，分為主軌和副軌，靠東側(cè)的為主軌、西側(cè)的為副軌，軌距要求為1 435 mm。

圖1 火箭橇滑軌結(jié)構(gòu)示意

2 滑軌精調(diào)技術(shù)要求

2.1 基準(zhǔn)樁技術(shù)要求

滑軌調(diào)校是以基準(zhǔn)樁的基準(zhǔn)點為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)校，滑軌基準(zhǔn)控制網(wǎng)［4］如圖2所示。

圖2 滑軌基準(zhǔn)控制網(wǎng)示意

基準(zhǔn)樁每60 m設(shè)置一處，每個基準(zhǔn)樁上有一個強制對中盤，強制對中盤中心有一個M14×1.5 mm的螺紋用來安置測量儀器或量具，以此作為滑軌平面內(nèi)直線性基準(zhǔn)；強制對中盤的上平面還有一個高程控制基準(zhǔn)標(biāo)志點，作為滑軌高程控制的基準(zhǔn)。

以基準(zhǔn)點為基礎(chǔ)建立的空間理論直線［5］為基準(zhǔn)，根據(jù)實際情況進(jìn)行滑軌的調(diào)整檢測，使其滿足調(diào)整技術(shù)要求（見表1）。

表1 基準(zhǔn)點技術(shù)參數(shù) mm

2.2 滑軌調(diào)整技術(shù)要求

滑軌調(diào)整的技術(shù)要求如表2所示。

表2 滑軌調(diào)整技術(shù)要求

3 滑軌精測技術(shù)

3.1 測量設(shè)備及環(huán)境要求

火箭橇滑軌的高精度主要體現(xiàn)在軌道直線性的百萬分之一上［6］，傳統(tǒng)的測量儀器精度無法滿足精度要求，所以選用目前最先進(jìn)的測量儀器——激光跟蹤儀，它是一種高精度測量儀器，采用球坐標(biāo)［7］定位，能夠?qū)\動目標(biāo)實時跟蹤測量，具有安裝簡單快捷、測量精度高、效率高等特點，適用于大尺寸設(shè)備測量。激光跟蹤儀測量范圍水平方向為±360°，垂直方向為±145°，測量半徑達(dá)到了320 m，適宜的環(huán)境溫度為0～40°，適應(yīng)的環(huán)境濕度最大為95%，其測量精度是15 μm＋6L（L為測量半徑，單位為m），火箭橇滑軌每一站測量范圍最長為30 m，所以其精度為 15 μm＋6L＝15 μm＋6 ×30 μm＝0.195 mm ＜0.2 mm［8］，能夠滿足火箭橇滑軌的對軌道調(diào)校的精度要求。

3.2 滑軌精測

滑軌精測［9］流程如下：施工準(zhǔn)備→測量數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)分析及處理→形成成果報告。

3.2.1 施工準(zhǔn)備

（1）施工區(qū)段編號

為便于數(shù)據(jù)的整理和分析，對現(xiàn)場進(jìn)行區(qū)段劃分編號。根據(jù)實際情況，需激光跟蹤儀精測的施工區(qū)段主要為延長段主軌。區(qū)段編號的原則是以每節(jié)梁作為一個單元，編號表達(dá)為：Z（F）＋L＋測點數(shù)字號，Z（F）表示主軌（副軌），L表示橋梁號，測點數(shù)字號從北向南 1，…，15，如 Z200-10，表示主軌 200＃梁 10＃扣件。

（2）滑軌除污涂油

為確保測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，減少測量誤差，必須在測量前利用鋼絲球、棉抹布、煤油等先將滑軌銹跡、污漬清理干凈。清理完成后在鋼軌上均勻涂抹機(jī)油，確保鋼軌表層被油膜保護(hù)并起到防銹作用。

（3）基準(zhǔn)樁復(fù)核

基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性直接影響滑軌的平順性，每次測量前應(yīng)對基準(zhǔn)點數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核，方法如下：

將激光跟蹤儀架設(shè)在兩個基準(zhǔn)點中間位置，使用高精度模式觀測兩個基準(zhǔn)點，計算兩個基準(zhǔn)點之間的水平距離和高差，與設(shè)計值進(jìn)行對比，檢核基準(zhǔn)點穩(wěn)定性。

（4）設(shè)備檢查

激光跟蹤儀到場后，首先需要對儀器進(jìn)行檢查，第一查看儀器的鑒定證書是否齊全，第二就是檢查儀器本身測量精度，主要是檢查儀器的水平角、豎直角誤差和測距精度是否滿足精度要求。通過多次重復(fù)測量多個固定點，對所得測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出夾角的平均值和距離平均值，然后用觀測值減去平均值得到不符值，最后計算得出角度測量中誤差和距離測量中誤差，將儀器實際精度與理論精度進(jìn)行分析比較，判斷儀器精度是否達(dá)標(biāo)，如果不達(dá)標(biāo)就要對儀器進(jìn)行返廠檢修。

3.2.2 滑軌數(shù)據(jù)測量及分析處理

（1）滑軌測量

根據(jù)滑軌精調(diào)技術(shù)要求，完成準(zhǔn)備工作后，使用激光跟蹤儀進(jìn)行測量（見圖3）。測量步驟如下：

圖3 激光跟蹤儀測量示意

①儀器架設(shè)在兩個基準(zhǔn)點之間，在調(diào)平后進(jìn)行初始化作業(yè)，作業(yè)前先將儀器預(yù)熱30 min，等儀器與周圍條件狀態(tài)相吻合的時候進(jìn)行觀測，每站觀測之前均需對儀器進(jìn)行再一次初始化，激光跟蹤儀初始化時靶球距離儀器約8～10 m為宜。

②采用精密測量模式對本站兩個基準(zhǔn)點進(jìn)行測量，每次測量時間為10 s，連續(xù)測量3次。每次測量完成應(yīng)將靶球拿起再放一遍，這樣可最大限度地準(zhǔn)確測量基準(zhǔn)點坐標(biāo)。要求三次重復(fù)測量坐標(biāo)較差小于0.1 mm，然后取均值作為基準(zhǔn)點測量結(jié)果。

③使用邊緣基座對扣件點進(jìn)行測量，測量模式為標(biāo)準(zhǔn)模式，測量時間約為3 s。為了使兩站觀測值能夠很好地銜接，對兩站之間的公共點進(jìn)行重復(fù)觀測，相鄰兩測站重復(fù)觀測不少于3個扣件點。

如果前后兩站搭接點觀測值之差小于0.4 mm，將搭接點的兩套坐標(biāo)采用余弦函數(shù)平滑搭接的方法統(tǒng)一成一套。

如果兩者之差偏差超過0.4 mm，則這兩站數(shù)據(jù)視為粗差過大，要求對這兩站重新觀測。

（2）測量數(shù)據(jù)分析

本次使用的激光跟蹤儀徠卡AT402與其搭配的測量軟件是由美國New River Kinematics公司開發(fā)的Spatial Analyzer軟件（簡稱SA），使用時需要專門的許可碼授權(quán)才能運行，電腦和儀器通過網(wǎng)線連接后就可以操控儀器進(jìn)行測量工作。

數(shù)據(jù)處理的核心部分在于坐標(biāo)系建立與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換［10］上，當(dāng)一站數(shù)據(jù)測量完成后，就要進(jìn)行一系列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。主要涉及到了三個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，儀器坐標(biāo)系—基點坐標(biāo)系—軌道坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)測量是在儀器坐標(biāo)系下進(jìn)行的，測量完成后就要建立一個新的基點坐標(biāo)系，以Z軸為鉛垂線，第一個基準(zhǔn)樁Ci為原點，兩個基準(zhǔn)樁Ci與Ci＋1的連線為Y軸建立基點坐標(biāo)系。最后一步就是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，就是將基點坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為軌道坐標(biāo)系，需要根據(jù)基準(zhǔn)樁坐標(biāo)計算出來的轉(zhuǎn)換量進(jìn)行“兩轉(zhuǎn)換，一平移”，兩轉(zhuǎn)換指的是將空間坐標(biāo)系兩軸繞著的Z軸和X軸按照計算出來的轉(zhuǎn)換量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)（見圖4、圖5），轉(zhuǎn)換成軌道坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)；一平移就是將第一個基準(zhǔn)樁坐標(biāo)帶入，使得里程、偏距和高程都是軌道參數(shù)。

圖4 繞X軸旋轉(zhuǎn)參數(shù)

圖5 繞Z軸旋轉(zhuǎn)參數(shù)

將轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)導(dǎo)入數(shù)據(jù)批量處理軟件中，就可以得到滑軌精調(diào)數(shù)據(jù)報告（見表3），將其交由技術(shù)人員進(jìn)行軌道精調(diào)作業(yè)。

表3 測量成果報告

續(xù)表3

4 滑軌精調(diào)

滑軌精調(diào)流程圖如圖6所示。

圖6 滑軌精調(diào)流程

4.1 滑軌精調(diào)原則

火箭橇滑軌精調(diào)是根據(jù)靜態(tài)測量數(shù)據(jù)［11］進(jìn)行全面、系統(tǒng)地調(diào)整，合理控制軌距、軌向、高低等變化率，將其幾何尺寸調(diào)整至允許范圍內(nèi)。

滑軌精調(diào)的基本原則是：先整體后局部，先主軌后副軌，重視復(fù)檢。具體操作時主副軌精調(diào)還需依據(jù)各自特性，進(jìn)行調(diào)整：主軌精調(diào)時應(yīng)先高程、后軌向；副軌精調(diào)以調(diào)校好的主軌為基準(zhǔn)，用零級道尺測量，配合鋼軌水平調(diào)平儀進(jìn)行調(diào)校?；壘{(diào)主要有3個關(guān)鍵之處：數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)分析、滑軌精調(diào)。遵循原則，把握關(guān)鍵點，才能保質(zhì)保量完成滑軌精調(diào)［12］。

4.2 滑軌精調(diào)施工工藝及控制要點

4.2.1 扣件安裝及調(diào)整

滑軌鋪設(shè)前，提前將扣件安裝好并對其進(jìn)行調(diào)整，能夠有效減少后期精調(diào)量，降低精調(diào)難度，提高精調(diào)質(zhì)量。

以外側(cè)豎向螺栓頂面中心為控制點測量數(shù)據(jù)，并反算豎向扣件（承軌墊板）及橫向扣件（“U”型擋板）的調(diào)整量。依據(jù)調(diào)整量，先對外側(cè)豎向螺栓底部螺帽高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后將水平氣泡儀（精度要求0.02 mm/m）平放在承軌墊板上，并將其調(diào)平。待承軌墊板調(diào)整到位后，開始調(diào)整外側(cè)“U”型擋板的偏距（即方向），外側(cè)“U”型擋板調(diào)整完成后內(nèi)側(cè)僅安裝上即可，便于滑軌入槽。

根據(jù)現(xiàn)場試驗，墊板未受壓狀態(tài)時，螺母每旋轉(zhuǎn)一圈，調(diào)整量為2 mm?？奂{(diào)整時應(yīng)嚴(yán)格參照這一數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整作業(yè)，以提高作業(yè)效率與質(zhì)量。

4.2.2 主軌精調(diào)

在主軌完成鋪設(shè)及應(yīng)力放散后，對主軌精調(diào)作業(yè)。主軌精調(diào)作業(yè)主要分為3個階段，具體工藝如下：

（1）第一階段：利用零級道尺、鋼軌水平調(diào)平儀進(jìn)行高程、軌面傾斜度、方向精調(diào)，確保整體高程與方向誤差在0.5 mm以內(nèi)，軌面傾斜度誤差在15′以內(nèi)。具體步驟如下：

①進(jìn)行人員編組。按照每組4人（技術(shù)員1人、操作工3人）對作業(yè)人員進(jìn)行分組。

②高程及軌面傾斜度調(diào)整?；壐叱膛c軌面傾斜度由承軌墊板與高低螺帽控制，因此在進(jìn)行滑軌高程調(diào)整時同步利用鋼軌水平調(diào)平儀進(jìn)行軌面傾斜度調(diào)整。

首先以副軌為臨時基準(zhǔn)，由技術(shù)人員利用零級道尺讀出調(diào)整前主副軌相對高差，將其用石筆記錄在滑軌頂面上，并用石筆標(biāo)記道尺測量位置。然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算出道尺需要調(diào)整到的數(shù)值，并將其記錄，如道尺測量原始參考數(shù)據(jù)顯示為“＋0.5 mm”，測量調(diào)整量為“上0.6 mm”，道尺需要在調(diào)整后顯示的數(shù)值為“＋1.1 mm”。依據(jù)調(diào)整值用開口扳手調(diào)整高低螺母，高程調(diào)整的同時將鋼軌水平調(diào)平儀的氣泡調(diào)整居中位置，直至調(diào)整合格。

③方向調(diào)整。高程與傾斜度調(diào)整完成后，利用零級道尺對主軌方向進(jìn)行調(diào)整。首先以副軌為臨時基準(zhǔn)，將道尺活動端搭在主軌一側(cè)，固定端搭在副軌一側(cè)，讀出主副軌相對距離，并標(biāo)記測量位置，記錄數(shù)據(jù)。道尺方向數(shù)據(jù)表示以“1 435”為參考值，如：“＋0.5 mm”即表示兩根鋼軌距離為1 435.5 mm。根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算調(diào)整后道尺需顯示的數(shù)據(jù)，并用石筆記錄在滑軌頂面。如測量數(shù)據(jù)顯示為“左0.4 mm”（測量數(shù)據(jù)中的左右統(tǒng)一規(guī)定為東邊（即主軌一側(cè)）為左，西邊（副軌一側(cè)）為右），則調(diào)整后道尺需顯示的數(shù)據(jù)為“＋0.9 mm”。數(shù)據(jù)記錄完成后調(diào)整橫向螺母，通過“U”型擋板擠壓鋼軌底部，開始方向調(diào)整，直至調(diào)整到期望值。第一階段精調(diào)時，需保護(hù)好滑軌上道尺測量標(biāo)記及記錄的數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的重復(fù)可用性，便于復(fù)檢復(fù)調(diào)，確保第一階段精調(diào)完成后，主軌所有數(shù)據(jù)均滿足期望值。

（2）第二階段：利用零級道尺、鋼軌水平調(diào)平儀同時對高程、軌面傾斜度及方向進(jìn)行微調(diào)，確保調(diào)整后的數(shù)據(jù)90%以上滿足技術(shù)要求。精調(diào)方法與第一階段一致。

（3）第三階段：利用百分表對第二階段調(diào)完后不達(dá)標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步微調(diào)，確保所有數(shù)據(jù)均在技術(shù)要求允許范圍內(nèi)。先將百分表架設(shè)在梁面上，調(diào)整百分表基座螺栓使基座水平氣泡居中；然后調(diào)整百分表，使高程調(diào)節(jié)百分表探針與主軌頂面接觸并有活動量，方向調(diào)整表探針與主軌內(nèi)側(cè)邊接觸并有活動量；然后使百分表指針指向“0”刻度。百分表架設(shè)完成后根據(jù)調(diào)整量進(jìn)行高程、軌面傾斜度、方向調(diào)整。數(shù)據(jù)合格的點位用百分表檢測，若有變化，將其調(diào)校到原位。

主軌精調(diào)完成，待所有數(shù)據(jù)均滿足技術(shù)要求后，對其進(jìn)行驗收。

4.2.3 副軌精調(diào)

在主軌完成精調(diào)后，方可對副軌進(jìn)行精調(diào)。測量工具使用零級道尺，具體方法同主軌精調(diào)基本一致。零級道尺使用時應(yīng)找準(zhǔn)兩根鋼軌的最小間距，并在鋼軌上做好標(biāo)記便于復(fù)測復(fù)檢。副軌精調(diào)完成后確保各項數(shù)據(jù)符合驗收標(biāo)準(zhǔn)。

5 施工注意事項

5.1 安全措施

各種精調(diào)工裝及設(shè)備都應(yīng)輕拿輕放，嚴(yán)禁摔打、磕碰、劃傷。梁面施工，作業(yè)空間狹窄，應(yīng)做好防護(hù)措施以避免人員高空墜落、摔傷。同時，根據(jù)施工作業(yè)的內(nèi)容不同，需配置必要的勞動保護(hù)用品，并要求所有參與施工人員都必須佩戴勞保用品，防止出現(xiàn)意外傷害。

5.2 質(zhì)量措施

為確保滑軌精調(diào)精度，必須建立嚴(yán)格的質(zhì)量控制體系，并采取有效措施保障精調(diào)質(zhì)量。

（1）建立嚴(yán)格測量制度，落實項目測量復(fù)核制度。

（2）挑選責(zé)任心強、工作負(fù)責(zé)、作風(fēng)細(xì)致、業(yè)務(wù)諳熟的技術(shù)人員從事測量及精調(diào)工作。

（3）配備先進(jìn)的測量儀器和精度較高的零級道尺。定期對測量儀器及道尺進(jìn)行檢驗、校正，并按規(guī)定送有關(guān)資質(zhì)部門標(biāo)定。

（4）精調(diào)施工，利用零級道尺時應(yīng)標(biāo)記好道尺測設(shè)位置，便于復(fù)檢復(fù)調(diào)，并保證活動端放置于所調(diào)鋼軌一側(cè)，確保道尺能靈敏反映調(diào)整量；利用百分表精調(diào)時，應(yīng)將百分表架設(shè)牢穩(wěn)，且探針與鋼軌接觸并留有活動量，施工時應(yīng)避免觸碰百分表。

（5）精調(diào)時應(yīng)選取合適的溫度，確保精調(diào)作業(yè)與測量時的環(huán)境溫差不超過15℃。

6 結(jié)束語

根據(jù)滑軌精調(diào)的技術(shù)要求，選取先進(jìn)測量設(shè)備，探索滑軌精調(diào)施工工藝，確立了滑軌精調(diào)原則，總結(jié)出了系統(tǒng)的長大空間直線火箭橇滑軌精調(diào)施工技術(shù)。該技術(shù)不僅保證了滑軌精調(diào)質(zhì)量滿足設(shè)計技術(shù)要求，也保障了工程施工的正常進(jìn)行與圓滿完工，同時對國內(nèi)后續(xù)的長大空間直線火箭橇滑軌精調(diào)有針對性的指導(dǎo)與借鑒意義。