CRTSⅡ型轨道板精调标准框标定的方法研究

第８卷第５期　２０１１年ｌ０月　铁道科学与工程学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＲＡＩＬｖＶＡＹ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＶＯｌ＿８　Ｏｃｔ．　Ｎ０．５　２０ｌｌ　

ＣＲＴＳ　ＩＩ型轨道板精调标准框标定的方法研究　

付恒友　，刘成龙　，黄志伟　，刘林　，陈海军。　

（１．铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津３００１４２；　

２．西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都６１００３１）　

摘要：在轨道板精调过程中必须用到精调框，而精调框又必须经常以标准框为基准进行校准，因此标准框结构尺寸的正　

确性及其标定对轨道板的精确定位十分重要。本文设计加工了ＣＲＴＳＨ型板标准框标定精密检测台，介绍了利用精密检测　

台进行标准框标定测量的原理及其数据处理模型，研制了标准框标定测量与管理程序，实现了标准框标定测量的自动化和　

程序化，确保了标准框标定工作的高精度和高效率。　

关键词：标准框标定；精密检测台；智能型全站仪；校准坐标系　

中图分类号：Ｐ２５８　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７２—７０２９（２０１１）０５—００７９—０５　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｒａｍｅ　ｆｏｒ　

ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ＣＲＴＳ　１１　ｔｒａｃｋ　ｓｌａｂ　

ＦＵ　Ｈｅｎｇ．ｙｏｕ　，ＬＩＵ　Ｃｈｅｎｇ．１ｏｎｇ　，ＨＵＡＮＧ　Ｚｈｉ—ｗｅｉ　，ＬＩＵ　Ｌｉｎ　，ＣＨＥＮ　Ｈａｉ－ｊｕｎ　

（１．Ｔｈｅ　Ｔｈｉｒｄ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｕ￣ｅｙ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００１４２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｎｅ—ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　ｆｒａｍｅｓ　ｍｕｓｔ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｎｅ　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｔｒａｃｋ　ｓｌａｂｓ，ａｎｄ　ｏｆｔｅｎ　ｂｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ　

ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｔｔａｃｈｅｄ　ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｌａｍｅ，ＳＯ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｒａｍｅ　ｐｌａｙ　ａ　ｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒ—　

ｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｆｏｒ　ｔｒａｃｋ　ｓｌａｂｓ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｏｒ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｒａｍｅｓ　

ｏｆ　ＣＲＴＳ　ＩＩ　ｔｒａｃｋ　ｓｌａｂｓ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｄａｔａ　

ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｈｉ【ｇｈ—ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔａｎｄａｒｄ　

ｆｒａｍｅｓ，ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｉｍｍｕ—　

ｎｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒａｍｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｌａｍｅ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｐｌａｔｆｏｒｍ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｔｏｔａｌ　ｓｔａｔｉｏｎ；ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ　ＣＯ—　

ｏｒｄｉｎａｔｅ　ｓｙｓｔｅｍ　

高速铁路轨道板的定位精度直接影响轨道的　

平顺性，要使轨道板精确定位，必须精确知道其实　

际的空间姿态。目前高速铁路施工中，通常是将精　

调框安放在待精调的轨道板承轨台上，然后测量其　

上的棱镜来获取轨道板的实际空间姿态。一套精　

调框设备包括１个标准框和４个测量标架，而每次　

轨道板精调前，所使用的测量标架都必须以配套的　标准框为标准进行校准。标准框在使用过程中，其　

几何关系必然会发生变化，所以必须定期对其进行　

标定，从而保证其配套测量标架的精度。　

现有标准框标定的方法为从轨道板厂人为选　

择一块打磨好的ＣＲＴＳ　ＩＩ型轨道板，从中截取一段　

含１对承轨台的ＣＲＴＳ　ＩＩ型轨道板作为检测台，将　

标准框放置到承轨台，使用全站仪测量标准框固定　

收稿日期：２０１１一Ｏ８—２８　基金项目：铁道部科技研究开发项目（２００８Ｇ０３１一Ｐ）　作者简介：付恒友（１９７２一），男，河北威县人，高级工程师，

从事铁道工程与精密工程测量研究　８０　铁道科学与工程学报　

端分别在左、右两侧承轨台时其上方棱镜中心的坐　

标，再通过坐标反算得到这２个测点的距离，然后　

将其与设计尺寸距离１　５００　ｍｍ进行比较，进而判　

定被检标准框是否合格。这种检测方法作为检测　

台的承轨台与ＣＲＴＳ　ＩＩ型板的设计尺寸一般存在较　

大的误差，同时受温度影响很大，且数据处理方法　

不严密和无法实现自动化、程序化，因此难以保证　

标准框标定工作的高精度。为科学和准确地校准　

ＣＲＴＳⅡ型轨道板的标准框，本文设计了一种高精　

度的标准框精密检测台，研究标准框标定测量的原　

理和方法，研究检测数据处理的严密方法和相应软　

件，据此提出一种ＣＲＴＳ　１Ｉ型轨道板标准框标定的　

新方法，可有效地保证标准框标定的质量。　

１　标准框精密检测台的设计与制造　

标准框精密检测台由１型承轨台、２型承轨　

台、花岗岩石基准平台、调平固定基座和水泥底座　

等组成，如图１所示。在承轨台材料选择时，考虑　

型面切削成型的方便性，并兼顾承轨台面的耐磨性　

能要求高的特点，特选用调质４５号钢（线性热膨　

胀系数为１１．５９　Ｘ　１０　ｍ／Ｃ。），作为１型和２型承　

轨台的主体材料；为了保证检测台上承轨台的高精　

度，承轨台所有外形尺寸与定位尺寸，均使用３轴　

联动的ＣＮＣ（计算机数字控制机床Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｎｕ—　

ｍｅｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔｒｏ１）加工中心整体切削完成，加工定位　

精度为±０．００７　ｒａｍ／３００　ｍｍ。基准平台采用温度　

变形小（线性热膨胀系数为４．６１　Ｘ　１０　ｍ／Ｃ。）、刚　

性好、硬度高且耐磨性强的天然花岗岩石制作，其　

尺寸可长期保持稳定且精度不漂移。调平固定基　

座材料为Ｑ２３５钢材，也使用３轴ＣＮＣ加工而成，　

其加工定位精度为土０．０１　ｒａｍ／３００　ｍｍ。水泥底座　

基础要求稳固，不易受外界影响而发生沉降。　

ｈ　Ｅｌ　ｌｌｌｍ　圃　ｍ　ｍ－￣　

ｌ　ｌ　Ｉ　

图１标准框精密检测台的构成　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｏｒ　

ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｒａｍｅｓ　轨台底面纵轴线方向要求水平，而横轴线方向要求　

设置０．５％的向外流水横坡，承轨台顶面与轨道板　

中心相对称的截面保持水平。在进行检测台安装　

调试与安装后的自检中，均采用精密的钳：　水平仪　

及天宝Ｔｒｉｍｂｌｅ　ＤｉＮｉ０３电子水准仪对其进行水平　度检测　

２标定环境要求　

标准框标定工作须在专用实验室内进行。在　

室内，一端放置精密检测台，用于承放标准框；另一　

端是一个６０　ｅｍ　ｘ４０　ｃｍ×６０　ｅｍ长方体强制对中　

墩，用于安置校准用全站仪；强制观测墩中心位于　

检测台纵轴线延长线上，距离检测台中心约１３　ｍ　

标准框在标定前必须准确获取可靠的环境参数，气　

温保持在２０　０【＝左右，气压和湿度须保持稳定，使得　

标定工作中精密检测台和标准框尺寸受环境影响　

降至最低，以保证标定工作的准确和严谨。　

３标准框标定的测量原理　

标准框的标定工作主要是测量标准框上的　

“棱镜间距”和棱镜高度这２个重要的指标。前者　

指标准框固定端分别“正确放置”在１和２型承轨　

台上时，标准框固定端上方棱镜中心２次空间位置　

在检测台横轴线方向上的间距；后者指标准框“正　

确放置”时，固定端上方棱镜中心到承轨台顶面的　

垂直距离。本文中“正确放置”，是指标准框固定　

端的２个触头和承轨台大钳口侧壁紧密贴合。　

３．１检测台的检验原理　

在每次标定之前，须对检测台本身的几何关系　

进行检验，以保证标定工作的可靠性。在强制观测　

墩上安置好全站仪和设置好相关参数之后，将Ｌｅｉ—　

ｃａ球棱镜（一种特殊的精密棱镜）分别安置在检测　

台ＣＧ０１，ＣＧ０２，ＣＧ０３和ＣＧ０４处对应的螺丝孔上，　

使球形棱镜与承轨台上的螺丝孔完全接触（见图　

２），测量并记录这些点在任意测站坐标系中的坐　

标。　

图２检测台检验各测点分布图　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｍａｐ　ｏｆ　ｐｏｉｎｔｓ　ｉｎ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｐｌａｔｆｍａｎ　

。、　妻　星　耄姜　黧　台的　嚣墓　翥暮　板式无砟轨道板结构设计图”进行

，即检测台的承—“　”　一一’　～　一一一　…　”～。

……一　第５期　付恒友，等：ＣＲＴＳ　ＩＩ型轨道板精调标准框标定的方法研究　８１　

测台横轴线的直线方程，再根据拟合直线的精度和　

４个测点之间的距离与其设计值的差值，来判定检　

测台本身的几何关系是否满足设计要求。　

３．２标准框的棱镜间距检测原理　

检测台检验合格之后，将待标定的标准框的固　

定端“正确放置”在１型承轨台上（如图３所示），　

用全站仪测量并记录标准框固定端上方的球形棱　

镜中心ＢＧＹ１的坐标；然后将标准框掉头，把固定　

端“正确放置”在２型承轨台上，用全站仪测量并　

记录固定端上方的球形棱镜中心ＢＧＺ１坐标。　

醢｛奁榜铸　端　触点　

花崩岩石耩准平台　

图３标准框固定端放置在１型承轨台上示意图　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｓｋｅｔｃｈ　ｍａｐ　ｏｆ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｒａｍｅｓ’Ｓ　ｆｉｘｅｄ　ｅｎｄ　

ｐｌａｃｅ　ｉｎ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ　ｔｙｐｅ　ｏｎｅ　

根据棱镜间距的定义，点ＢＧＹ１和点ＢＧＺ１在　

检测台横轴线方向上的间距即为该标准框的棱镜　

间距。由于在３．１中已经获得了检测台横轴线的直　

线方程，所以可以通过坐标系的转换，将点ＢＧＹ１　

和点ＢＧＺ１在站心坐标系中的实测坐标，转换到以　

检测台横轴线为　轴的校准坐标系中的坐标，则这　

２点在检测台坐标系中的　坐标之差即为棱镜间　

距。将实测的棱镜间距与设计间距１　５００　ｉｎｍ进行　

比较，若差值满足≤士０．２　ｍｍ的限差，则标准框标　

定合格，否则需要调整固定端钳脚的伸缩量，调整　

后重复上述测量，直到满足限差要求为止。　

３．３标准框的棱镜高度检测原理　

标准框棱镜间距标定完成后，可接着进行标准　

框棱镜高度的测量。测量时，将球棱镜放置在　

ＢＧＹ１点下方的承轨台顶面上，分别放置３次，３次　

的位置近似一个等边三角型，并让ＢＧＹ１点在承轨　

台顶面上的投影尽量位于等边三角型的重心，分别