拖曳水池高精度轨道测量方法探讨

1拖曳水池高精度轨道测量方法探讨胡志仁、金梁斌、陈玉龙（中船重工第七一〇研究所，湖北宜昌443003）[摘要]：本文结合已建室内拖曳水池轨道系统，介绍了高精度轨道的两种测量方法：水准槽测量方法和独立基准线测量方法，通过对比分析两种测量方法的优劣，结合实际使用情况提出在高精度轨道测量中宜采用独立基准线测量方法。[关键词]：轨道；测量基准；高精度[Abstract]：Thearticle,thatcombinesthebuiltindoortractioncisternrailsystem,introducedtwomeasuringmethodsofhighprecisionrail:theleveltroughandindependentdatumlinemeasuringmethods.Passthecontrastanalysisoftwomeasuringmethods’advantages;itisappropriateforimprovingtheprecisionofrailmeasuringtoadoptindependentdatumlinemeasuringmethodinreality.[Keywords]：Rail;measuringdatum;highprecision1.引言拖曳水池一般包括拖车系统、轨道系统、造波（消波）系统、打捞回收平台、高速摄像系统等，可以完成各种模型及部分实物的拖曳、耐波、水动力、操纵性能等试验。拖车系统是水池核心设备，要求在有限的水池长度上完成加速启动、匀速测试、减速制动，其速度稳定性和定位精确性直接关系到试验数据的准确性。决定拖车运动性能因素比较多，包括轨道精度、运行距离、拖车与轨道的固有频率、拖车结构配置、拖车轮压均衡性、拖车控制系统品质等，其中轨道精度是关键因素。研究表明，当轨道在安装调整点附近的位置误差与理论基准线相比达到±0.2mm时，拖车运行过程中所受到的震动载荷将增加30%，很大程度上影响拖车平稳运行和测试数据的准确性，为此，必须努力提高轨道的精度。2.决定轨道精度的因素轨道的精度包括加工精度和安装精度：1)加工精度由加工工艺及加工设备决定，根据目前技术手段，在比较经济的条件下，直线度可达0.02/1000，全长（10m）小于0.08mm，可以满足性价比要求；22)轨道安装包括轨道焊接、张拉锚固锁定、直线性调整等。轨道安装在水池池壁上，由于地基的变形及内部应力、外部载荷变化而产生结构上的变形和沉降，当变形和沉降超过允许范围时，就会导致轨道的变形，严重影响轨道拖车试验测试精度，所以轨道应在一定范围内可以调节，并具有供调节测量的基准。所以测量基准线是决定轨道精度高低的重要因素。目前国内水池轨道测量基准一般采用水准槽，辅以拉线、等高块、刀口尺、全站仪等测量设备，基本上可以保证轨道的平直度，但是存在测量精度低、操作麻烦、人为影响因素大等毛病。本文介绍一种用于火箭撬滑轨测量的独立基准线，可以很好的解决以上问题。3.水准槽测量水准槽实际上是用来校准轨道的水平度，轨道直线度一般采用张拉钢丝作为基准进行测量，具体方法如下。3.1.水平度调节1)在两条轨道旁边全长敷设水槽，左右水槽贯通，以保证水平面一致。往水槽内注水，待水面平静可就可以作为轨道水平度的调校基准；2)初步调整主轨轨顶标高处于轨座调整范围的正中间位置；3)利用专用的轨道水平测量仪器按图1所示架设在轨道上，旋转调节丝杠螺母上下调节和水面接触的触头，直到刚好脱离（或接触）水面（由报警器提示），记下仪器表盘读数，作为整条主轨的标准高程；4)移动测量仪器，逐一调整各个调整点的高低达到上述要求，必要时应回调，以消除相邻轨座调节时的影响。一般以6-10个轨座为一组，每组调整完毕后再调下一组，直到完成整条主轨的全长调节；5)调节时应保证室内风平浪静，加快调节操作过程，如超过2个小时，需要复核基准高程，以减少水分蒸发的影响。3图1水平度调节示意图3.2.直线度调节1)初步调整主轨横向调整机构，使轨道中心线基本处于轨道横向调节范围的中值位置；2)在主轨两端张拉一根直径0.2mm的钢丝，张紧力约为150N。利用标准的等高量块确定两头钢丝和轨道侧面的间距；3)以上述等高量块厚度作为基准尺寸，逐一调整每个轨座，使轨道侧面与钢丝的间距误差在既定范围内；4)调整时也按6-10个轨座为一组，反复测量调整以消除相邻轨座调整的影响，满足要求后再调整下一组，直至全部调整完毕。3.3.轨道间距调节副轨的水平度调节同主轨，直线度调节以主轨为基准，只要两轨之间的间距误差达到要求即可满足拖车运行要求。在调节测量前也需要将轨道调整到垂向和横向调节范围的中间位置，便于测量和调整。轨道间距调节方法由钢尺调节法和激光测距仪测量法，前者适用于间距较小的轨道，方法简单易行；后者可用于各种间距轨道，测量误差由仪器精度决定，一般可达0.1mm，基本满足拖车运行要求。3.4.测量结果采用以上方法测量某高校拖曳水池运行轨道，得到表1测量数据（单位mm）。4表1某高校拖曳水池运行轨道测量数据水平度直线度平行度备注主轨0.350.40.5全长副轨0.40.450.5全长3.5.水准槽基准测量方法的弊端1)轨顶位置尺寸是通过传感器触头和水面是否接触来判断的，该项操作由人工完成，必然存在较大的人为偶然误差；2)由于自然环境的干扰，水面可能存在扰动，带来了自然环境的偶然误差，影响基准的准确性；3)对于较长的水槽，水面很难绝对处于同一水平面上，给测量数据带来了不同程度的系统误差；4)由于水分的蒸发带来的误差也很难彻底消除；5)操作中人为环节较多，增加了测量难度、劳动强度、人为过失误差。4.独立基准线测量4.1.工作原理独立基准线是根据GPS卫星定位系统进行精确定位，利用激光准直仪分贝对每个基准点进行测量调整拟合形成的一条高精度直线。根据基准线的各个基准点建立高程坐标，利用高精度水准仪对轨道各点进行高程测量，利用基准线各基准点建立平面测量系统，利用高精度全站仪对主、副轨分别进行各点精准测量，利用数据处理软件对数据进行处理、拟合，形成两条轨道直线，使轨道的水平度、直线度、平行度满足拖车平稳运行要求。4.2.基准线建线以某综合试验水池轨道加以说明。该水池长210m，宽15m，深24m，采用全埋式，轨道敷设在水池池壁上，间距15.5m。沿拖曳水池纵向方向布置9处桩基，间距25m，1号基准桩位于水池西端，距离水池内壁2000mm，基准桩中心线距离水池南边池壁外边线2000mm。基准线总长200m。基准线由桩基、基准桩承台、基准桩方形柱、基准桩调节机构、基准标志安装架等组成，结构示意图如图2所示。5图2基准桩横向剖面图每处基准桩都必须从桩基开始，与其它建构筑物基础、上部平台分离开，单独承载基准线调整机构（调整机构重100Kg），严禁承载其它荷载。桩基可以采用与厂房相同的PCHφ400mm的预应力管桩，桩顶标高与水池底板底标高相同，由2根管桩、承台组成。基准桩方形柱浇筑在承台上，顶部表面预埋钢板，钢板表面安装基准桩调节机构，调节机构上表面标高低于水池工作层面300mm。调整机构可精确调整其基准板的水平度和平面度，是整个基准线的安装基准面。基准面上方楼板上设置一防护盖板，用于保护基准面免受外力损伤而变形。在基准面上安装基准标志及其安装架，基准标志标高与水池顶标高一致。4.3.基准调节机构基准调节机构采用型钢焊接，柱顶标高与水池顶标高一致，柱顶预留钢板，要求预留钢板平整度±0.50mm，9处基准桩柱顶标高控制在±2.00mm范围内，其纵向偏差控制在±2.00mm范围内。基准调节机构安装于基准桩上，三向（X向、Y向、Z向）可调，X向为沿水池纵向，Y向为水池横向，Z向为高度方向。如图3所示。6图3可调基准装配图Z向调节板主要负责高度方向的调整，将9个基准桩的基准板调至同一水平面；X向调整板主要负责纵向调整，将各基准桩之间距离调整为整数级；Y向调整板主要负责基准横向调整，将基准重新调整到同一基准线位置。4.4.基准线测量调整1）利用高精度全站仪测量水池纵向侧壁中心，拟合两条间距为15.5m的平行线；2）以NO：001基准桩预埋板十字中心为基点，架设GPS仪器，通过GPS卫星定位系统，定尺NO：001、NO：009基准桩方位，与拟合的水池轨道中心平行线平行，依次定出NO：002--NO：008各桩中心；3）利用激光准直仪精确校准各桩中心位置，确保各种中心位于同一条直线上；4）利用高精度全站仪多回合测量，确定各桩中心坐标。4.5.轨道精密测量方案如何表达轨道沿地球水平直线平行铺设，就必须使轨道精密地符合基准线，这实际上是一个空间位置的确定，具体解决方案是我们选用Leica公司LTD640激光跟踪仪测7量系统进行定位测量。激光跟踪仪测量系统（LaserTrackerSystem）是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪。它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术，对空间目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合于大尺寸工件装配测量，激光跟踪仪开展空间测量如示图4：图4激光跟踪仪定位测量示意徕卡LTD640激光跟踪仪主要由激光跟踪头、控制器、用户计算机、反射镜（靶镜）、电缆、气象站及测量附件等构成。激光跟踪仪在﹣10℃—40℃，湿度不大于80%环境条件下，40m处标称测量精度为±0.1mm。具体测量方法为：a)测量前对设备进行预热；b)精密安装激光跟踪仪自动安平系统；c)利用专门制造的目标座配合靶镜（反射镜）测量被测端轨道两端的基准点，经修正后构造重力平面坐标系统；d)利用特制目标座配合靶镜，测量扣件点处轨顶和轨侧面偏离设计值的大小。将轨道调整为精密轨道，需要经过一个趋近的过程，一般轨道要经过二次提供数据经调整达到±0.1mm精度设计状态。4.6.测量结果采用以上方法测量某基地拖曳水池运行轨道，得到表2测量数据（单位mm）。8表2某基地拖曳水池运行轨道测量数据水平度直线度平行度备注主轨0.150.160.3全长副轨0.180.20.3全长5.两种轨道测量方案比较通过图样，工作原理及测量方法分析，现归纳两种轨道测量方法性能如表3。表3两种轨道测量方法性能序号性能水准槽测量方法独立基准线测量方法1适用范围室内，轨道长度小于500m室内外，轨道长度可达10公里以上2测量操作性繁琐，水平度、直线度、平行度需单独测量较简便，水平度、直线度、平行度可以一次架设仪器测量完成3测量精度较低，误差因素多优良，误差因素少4测量数据稳定性依赖人的操作技能，不同的人和不同的时间测量数据可能不一样依赖测量仪器的精度，数据稳定性、一致性好5成本低较高6.结论随着国家海洋各种装备的深入研究，对试验水池拖车的速度稳定性和定位精度要求越来越高，建设高精度拖曳系统成为现实需要，而高精度轨道是其中关键一环。通过以上分析，高精度轨道测量宜采用独立基准线测量方案，不宜采用水准槽测量方案。独立基准线测量方案在中国航空救生研究所及兵器051基地等超音速运行火箭撬试验场应用成熟，经过适应性改进，目前已成功应用于上海交大船模拖曳水池和国家海洋气象试验基地综合试验水池，使用表明，该测量方案可较大幅度的提高轨道测量精度、缩短后期维护工作量。参考文献：[1]杨兴邦.《XB高精度火箭撬试验滑轨》[J].中国工程科学，2000，10（2）：99-104；[2]李广年，郭欣，俞爱华，谢永和，张健康.《一种船模拖曳水池轨道校验方9法》[J].船海工程，2010，39（2）；[3]郭欣，李广年，劳展杰.《船模水池拖车系统设计分析》[J].船海工程，2013，42（3）