用于火箭垂直转运轨道超宽轨距精调与平顺性的检测方法

摘要

本发明涉及转运轨道精调、轨道平顺性检测领域，具体为一种用于火箭垂直转运轨道超宽轨距轨道精调与平顺性的检测方法，解决采用传统方法测量精度低、费时费力等问题，包括坐标系统建立，利用预埋锚栓套管工装进行承压板精调，利用轨道精调工装进行轨道水平和垂直方向位移的调整，其中包含直线段精调和曲线段精调，利用轨道精调工装进行轨道三维平顺性分析。根据线路参数计算边桩距和线路中桩距，根据边桩距和中桩距进行精调，采用线路参数计算其绝对位置差，分析钢轨的绝对三维空间平顺性；通过直线度、圆度和平面度分析钢轨的相对平顺性，检测方法精度高、省时省力，填补了关于火箭垂直转运轨道超宽轨距精调与平顺性检测技术的空白。

说明书

技术领域

本发明涉及转运轨道精调、轨道平顺性检测领域，具体为一种用于火箭垂直转运轨道超宽轨距轨道精调与平顺性的检测方法。 

背景技术

火箭垂直转运轨道是指将火箭由垂直总装测试厂房运输至火箭固定勤务塔的新一代运载火箭转运专用轨道，轨道分直线段和转弯段两种线形，采用QU120无缝钢轨，轨道中心距 20m，直线段轨道坡度要求不大于0.05%，其它轨道(即运行段)坡度要求不大于0.1%，道岔6个，其中单分道岔4个(两两对称)，交叉道岔2个。目前我国四大发射场的转运轨道都是直线形式，直线+曲线形式的转运轨道为第一个，转运轨道的平顺性、稳定性、精度和标准要求高，传统的测量方法是：轨距通过钢尺测量获得，高程通过水准仪测量，并且只能针对直线段轨道精调，转弯段形式的转运轨道的平顺性精调还没有先例。现有的测量方法精度低、费时、费力、反复测量反复调整，所测得的数据不能充分反映轨道几何状态的长、短波，从而影响转运轨道的高平顺性。因此，研发一种用于火箭垂直转运轨道超宽轨距精调与平顺性的检测方法已成必要。 

发明内容

本发明为了解决现有运载火箭转运专用轨道采用传统方法测量时精度低、费时费力等问题，提供一种用于火箭垂直转运轨道超宽轨距轨道精调与平顺性的检测方法。 

本发明是采用如下技术方案实现的：一种用于火箭垂直转运轨道超宽轨距精调与平顺性的检测方法，包括以下步骤： 

1）坐标系统建立

2）利用预埋锚栓套管工装进行承压板精调

所述预埋锚栓套管工装是根据螺母尺寸和锚栓高度设计，结构包括与承压板上预埋锚栓孔相互配合的螺母以及固定在螺母中心位置的套管，螺母的对称三个面分别设有第三钢珠，套管顶部开有花瓣形球棱镜支撑槽，花瓣形球棱镜支撑槽内设有三个反相弧支撑点位，三个反相弧支撑点位的中心与球棱镜的中心重合；

精调方法为：承压板进行粗铺后，在透过承压板的预埋锚栓上架设预埋锚栓套管工装，自主研发的软件会自动计算其锚栓顶部三维坐标，然后根据三维坐标驱动自动化全站仪照准预埋锚栓套管工装上的球型棱镜并测量球型棱镜中心的三维坐标；根据测量出的球型棱镜三维坐标软件会自动计算出预埋锚栓的边桩距差和承压板的高程差，边桩距差即可检查预埋锚栓在整体线路中的预埋精度，高程差即可进行承压板精调；

3）利用轨道精调工装进行轨道水平和垂直方向位移的调整

所述轨道精调工装时根据轨道横截面参数设计，整体结构呈“厂”字型，包括与轨道侧面相互配合的侧向定位板、与轨道顶面相互配合的水平向定位板，侧向定位板和水平向定位板之间的夹角α为95.7°，侧向定位板内侧设有两个与轨道内侧边缘接触的第一钢珠，第一钢珠的直径为16mm，相邻第一钢珠之间的水平距离a为50.1mm，水平向定位板下方设有三个与轨道顶面三点接触的第二钢珠，第二钢珠的直径为11.9mm，三个第二钢珠根据轨道顶面弧设计成等腰三角形，其中位于等腰三角形顶点的钢珠到底边的垂直距离b为40mm，位于等腰三角形底边的两个钢珠之间的水平距离c为42mm，这个两个钢珠的中心到侧向定位板的垂直距离d为50.2mm，顶点与底边到弧顶的距离相等，水平向定位板上方开有花瓣形球棱镜支撑槽，花瓣形球棱镜支撑槽内设有三个反相弧支撑点位，三个反相弧支撑点位的中心与球棱镜的中心重合；

检测方法为：

1）直线段精调：精调时根据施工进度采用单轨精调法与双轨同调法：

a)单轨精调法是单条轨道进行粗铺后，在其单条直线轨道上每隔三对扣件架设轨道精调工装，逐个测量其每个点的三维坐标，通过每个点的三维坐标与调用单轨直线线路参数进行高斯勒让德反算，通过迭代法迭代出其三维坐标在线路中的边桩距，边桩距即是在线路中的横向调整量，调整方向通过支距D的左负右正原则给出，即计算出负值意味向右调整，计算出正直反之；通过测量的高程与设计高程之差为轨道纵向调整量，通过调整量即可调整轨道的横向和垂直位移；

b)双轨精调法是两条轨道进行粗铺后，在其两条直线轨道上每隔三对扣件同时对称架设轨道精调工装，逐个测量其每个点的三维坐标，通过每个点的三维坐标与调用直线中线线路参数进行高斯勒让德反算，通过迭代法迭代出其每个三维坐标在线路中的边桩距，根据边桩距与半轨距之差即可得出轨道在线路中的横向调整量；通过测量的高程与设计高程之差为轨道纵向调整量，通过调整量即可调整轨道的横向和垂直位移；

2）曲线段精调：根据测点在线路方向中的切线的法线方向来判断横向调整方向，精调时根据施工进度采用单轨精调法与双轨同调法：

a)单轨精调法是单条轨道进行粗铺后，在其单条曲线轨道上每个扣件上架设轨道精调工装，逐个测量其每个点的三维坐标，通过每个点的三维坐标与调用单轨曲线线路参数进行高斯勒让德反算，通过迭代法迭代出其三维坐标在线路中的边桩距，边桩距即是在线路中的横向调整量，调整方向为测点在线路方向中的切线的法线方向，通过支距D的左负右正原则给出，即计算出负值意味向右调整，计算出正直反之；通过测量的高程与设计高程之差为轨道纵向调整量，通过调整量即可调整轨道的横向和垂直位移；

b)双轨精调法是两条轨道进行粗铺后，在其两条曲线轨道上每个扣件同时对称架设轨道精调工装，逐个测量其每个点的三维坐标，通过每个点的三维坐标与调用曲线中线线路参数进行高斯勒让德反算，通过迭代法迭代出其每个三维坐标在线路中的边桩距，根据边桩距与半轨距之差即可得出轨道在线路中的横向调整量，调整方向为测点在线路方向中的切线的法线方向；通过测量的高程与设计高程之差为轨道纵向调整量，通过调整量即可调整轨道的横向和垂直位移；

3）利用轨道精调工装进行轨道三维平顺性分析

在轨道上架设轨道精调工装，每个扣件上方各放置一次，分别测量所有采集点的三维坐标，将其三维坐标通过高斯勒让德反算出边桩距，边桩距与半轨距的各点偏差形成短波与长波图，即可分析出线路的横向绝对平顺性，各点的高程与设计高程之差即为纵向绝对平顺性；将所有采集点的三维坐标同时进行直线度、圆度与平面度分析，横向分析出各点的偏差反映出轨道三维空间横向的相对平顺性，纵向分析出各点的偏差反映出轨道三维空间纵向的平顺性。

所述轨道精调工装和预埋锚栓套管工装的花瓣形球棱镜支撑槽中心位置嵌固有强磁铁，充分保证球棱镜的复现精度，防止球棱镜滑落，确保球棱镜与钢轨的紧密结合。 

本发明解决了超宽轨距的精密安装和平顺性分析，采用高斯勒让德算法根据线路参数准确计算边桩距和线路中桩距，根据边桩距和中桩距进行精调，采用线路参数计算其绝对位置差，分析钢轨的绝对三维空间平顺性；通过直线度、圆度和平面度分析钢轨的相对平顺性，检测方法精度高、省时省力，填补了关于火箭垂直转运轨道超宽轨距精调与平顺性检测技术的空白，具有很好的推广应用价值。 

附图说明

图1为轨道精调工装的结构示意图； 

图2为轨道精调工装的侧视图；

图3为水平向定位板的俯视图；

图4为预埋螺栓套管工装的结构示意图；

图5为预埋螺栓套管工装的侧视图；

图6为预埋螺栓套管工装的俯视图；

图中：1-侧向定位板；2-水平向定位板；3-  第一钢珠；4-第二钢珠；5-花瓣形球棱镜支撑槽；6-三个反相弧支撑点位；7-螺母；8-套管；9-第三钢珠。

具体实施方式

一种用于火箭垂直转运轨道超宽轨距精调与平顺性的检测方法，包括以下步骤： 

（1）坐标系统建立

全站仪任意架设，任意测量两个已知点，可计算出任意测量的坐标系统和已知坐标系统的转换参数，然后测量出其他任一点的坐标，通过转换参数即可算出已知坐标系统的坐标；

（2）利用预埋锚栓套管工装进行承压板精调

所述预埋锚栓套管工装是根据螺母尺寸和锚栓高度设计，如图4、5、6所示，结构包括与承压板上预埋锚栓孔相互配合的螺母7以及固定在螺母中心位置的套管8，螺母长度为25mm，套管长度为80mm，螺母的对称三个面分别设有三钢珠9，套管顶部开有花瓣形球棱镜支撑槽5，花瓣形球棱镜支撑槽内设有三个反相弧支撑点位，三个反相弧支撑点位的中心与球棱镜的中心重合；

精调方法为：承压板进行粗铺后，在透过承压板的预埋锚栓上架设预埋锚栓套管工装，自主研发的软件会自动计算其锚栓顶部三维坐标，然后根据三维坐标驱动自动化全站仪照准预埋锚栓套管工装上的球型棱镜并测量球型棱镜中心的三维坐标；根据测量出的球型棱镜三维坐标软件会自动计算出预埋锚栓的边桩距差和承压板的高程差，边桩距差即可检查预埋锚栓在整体线路中的预埋精度，高程差即可进行承压板精调；

（3）利用轨道精调工装进行轨道水平和垂直方向位移的调整

所述轨道精调工装时根据轨道横截面参数设计，整体结构呈“厂”字型，如图1、2、3所示，包括与轨道侧面相互配合的侧向定位板1、与轨道顶面相互配合的水平向定位板2，侧向定位板和水平向定位板之间的夹角α为95.7°，侧向定位板内侧设有两个与轨道内侧边缘接触的第一钢珠3，第一钢珠的直径为16mm，相邻第一钢珠之间的水平距离a为50.1mm，水平向定位板下方设有三个与轨道顶面三点接触的第二钢珠4，第二钢珠的直径为11.9mm，三个第二钢珠根据轨道顶面弧设计成等腰三角形，其中位于等腰三角形顶点的钢珠到底边的垂直距离b为40mm，位于等腰三角形底边的两个钢珠之间的水平距离c为42mm，这个两个钢珠的中心到侧向定位板的垂直距离d为50.2mm，顶点与底边到弧顶的距离相等（（弧顶指的是轨道面上的弧顶，由于轨道面并不是平面，而是1000米半径的一小段弧），如图3所示，水平向定位板上方开有花瓣形球棱镜支撑槽5，花瓣形球棱镜支撑槽内设有三个反相弧支撑点位6，三个反相弧支撑点位的中心与球棱镜的中心重合；

精调方法为：

1)直线段精调：精调时可根据施工进度采用单轨精调法与双轨同调法：

a)单轨精调法是单条轨道进行粗铺后，在其单条直线轨道上每隔三对扣件架设轨道精调工装，逐个测量其每个点的三维坐标，通过每个点的三维坐标与调用单轨直线线路参数进行高斯勒让德反算，通过迭代法迭代出其三维坐标在线路中的边桩距，边桩距即是在线路中的横向调整量，方向通过支距D的左负右正原则给出，即计算出负值意味向右调整，计算出正直反之；通过测量的高程与设计高程之差为轨道纵向调整量，通过调整量即可调整轨道的横向和垂直位移；

b)双轨精调法是两条轨道进行粗铺后，在其两条直线轨道上每隔三对扣件同时对称架设轨道精调工装，逐个测量其每个点的三维坐标，通过每个点的三维坐标与调用直线中线线路参数进行高斯勒让德反算，通过迭代法迭代出其每个三维坐标在线路中的边桩距，根据边桩距与半轨距之差即可得出轨道在线路中的横向调整量；通过测量的高程与设计高程之差为轨道纵向调整量，通过调整量即可调整轨道的横向和垂直位移；

2)曲线段精调：在直线段很容易分清横向位移方向，但是在曲线段，由于曲线半径过小，在精调过程中又无法分清横向的调整方向，所以根据实际情况我们研发出通过测点在线路方向中的切线的法线方向来判断横向调整方向。精调时亦可根据施工进度采用单轨精调法与双轨同调法：

a)单轨精调法是单条轨道进行粗铺后，在其单条曲线轨道上每个扣件上架设轨道精调工装，逐个测量其每个点的三维坐标，通过每个点的三维坐标与调用单轨曲线线路参数进行高斯勒让德反算，通过迭代法迭代出其三维坐标在线路中的边桩距，边桩距即是在线路中的横向调整量，调整方向为测点在线路方向中的切线的法线方向，通过支距D的左负右正原则给出向左向右值；通过测量的高程与设计高程之差为轨道纵向调整量，通过调整量即可调整轨道的横向和垂直位移；

b)双轨精调法是两条轨道进行粗铺后，在其两条曲线轨道上每个扣件同时对称架设轨道精调工装，逐个测量其每个点的三维坐标，通过每个点的三维坐标与调用曲线中线线路参数进行高斯勒让德反算，通过迭代法迭代出其每个三维坐标在线路中的边桩距，根据边桩距与半轨距之差即可得出轨道在线路中的横向调整量，调整方向为测点在线路方向中的切线的法线方向；通过测量的高程与设计高程之差为轨道纵向调整量，通过调整量即可调整轨道的横向和垂直位移；

（4）利用轨道精调工装进行轨道三维平顺性分析

分析方法为：在轨道上架设轨道精调工装，每个扣件上方各放置一次，测量其三维坐标，将其三维坐标通过高斯勒让德反算出边桩距，边桩距与半轨距的各点偏差形成短波与长波图，即可分析出线路的横向绝对平顺性，各点的高程与设计高程之差即为纵向绝对平顺性。将所有采集点的三维空间数据同时进行直线度、圆度与平面度分析，横向的各点偏差反映出轨距的变化即轨道三维空间横向的相对平顺性，纵向分析出各点的偏差反映出轨道三维空间纵向的平顺性，所以通过自主研发的三维空间平顺性分析系统既方便实现轨道绝对位置三维空间平顺性分析又容易实现相对位置的三维空间平顺性分析。

上述检测方法中，所用高斯勒让德算法和迭代法为现有公知理论，具体计算过程如下： 

1、线路计算方法采用高斯勒让德算法如下：

设曲线元起点A的曲率为 ，终点B的曲率为，则位于A、B间的且距A弧长为l的任意点i的曲率K可由下式唯一确定：，式中为曲线元的弧长，当给出A、B的里程与时:

显然，当式中：

（1），表示曲线元为直线时，其上各点曲率均为0；

（2）时，表示曲线元为圆曲线时，其上个点曲率均等于曲率半径的倒数；

（3）时，表示曲线元为缓和曲线时，其上各点曲率随弧长 l作线性变化，

令，因此对（式1）关于弧长l求定积分不难得出：

（式2）

考虑到曲线元有左偏、右偏两种情况，则任意点i在线路坐标系中的切线方位角计算通式为：

（式3）

式中：α_A为曲线元起点A在线路坐标系中的切线方位角；表示曲线元左偏时取“-”号，右偏时取“+”号。

当正交多项式选用Legendre多项式时，其Gauss型积分称为Gauss-Legendre公式，这里直接给出实用线路中桩坐标计算的通用Gauss-Legendre公式： 

（式4）

显然，（式4）作为线路中桩坐标计算的通用公式，具有形式规律，计算直接、适用性广、便于计算机编程的特点。R_i与V_i经对专用手册变换后为：

Gauss - Legendre 公式与其它数值积分公式相比,具有节点数少、形式简单、便于计算机编程等特点,5 节点公式能以足够高的精度满足各种线路构形的坐标计算,从而为线路及其平行线的测设奠定了坚实的基础。

边桩通常由中桩法线上的支距D确定，由于（式3）已经给出其中桩的切线方位角α，因而其指向线路左边桩和右边桩的方位角分别为α-90°、α+90°，则相应的边桩坐标计算式为： 

边桩位于曲线元左边时取-1，位于右边时取+1；X,Y为中桩坐标。

2、     轨道精调算法如下： 

(1)      先由下式求得P点至起点A 之垂距的绝对值:

；

(2)      以作为初值, 即以作为曲线元任意点长度l，可求得曲线元上一点的坐标;

(3)      求得点的切线方位角，再由（式1）计算P点至的垂距（注意用代替；

(4)      以作为新曲线元任意点长度l，再求的坐标;

(5)      求得点的切线方位角，再由（式1）计算P点至的垂距（注意用代替；

(6)      如果|| < 0.001,即可迭代出曲线元的任意长度值l；

(7)      计算边桩距：

(8)      根据正负依“左负右正”规律可判断出地面点P相对于线路中线的边向；由可方便确定P点的桩号：。