第34卷第4期 2 0 1 2年4月 铁 道 学 报 Vo1.34 April NO.4 2012 JOURNAL OF THE CHINA RAILWAY SOCIETY 文章编号:1001-8360(2012)04—0082-06 铁路既有曲线整正计算中基于坐标法的 渐伸线误差分析研究 刘永孝 ,刘学毅 ' 张咏军 ,杨俊斌 (i.西南交通大学土木工程学院,四川1成都610031;2.兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070) 摘要:应用相关几何知识分析根据拨距计算拨后坐标以及利用公式计算渐伸线法拨后正矢的理论方法,提出将 偏角法实测数据转化为坐标法需要的相关数据的方法,并且在采用相同的曲线半径及缓和曲线长度条件下,计算 偏角法和坐标法各自的拨距值及其拨后正矢,将偏角法计算出的拨距值、拨后正矢和坐标法计算结果进行对比分 析,从而可直观分析出运用渐伸线法计算出的拨距和拨后正矢的误差大小及规律 分析结果表明:渐伸线法计算 的拨距误差和拨后正矢误差都与偏角的大小有关,渐伸线法用于大偏角曲线整正时,虽然其有一定的误差,但其计 算精度可以满足曲线整正基本要求。 关键词:曲线整正;渐伸线;偏角法;坐标法;拨后正矢 中图分类号:U216.426 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1OO1—8360.2012.04.014 Study on Involute Errors in Computa tion of Existing Railway Curve Realignm ent LIU Yong—xiao ,LIU Xue—yi ,ZHANG Yong—jun ,YANG Jun—bin (1.School of Civil Engineering。Southwest Jiaotorg University,Chengdu 61003I,China; 2.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China) Abstract:Applying the relevant knowledge of geometry,we analysed the theory of computing the allocated CO— ordinates in accordance with the tracklining distance and the theory of calculating the involute allocated versine with formulas.we proposed a method for converting data measured by the deflection angle method into the rele— vant data essential to the coordinate method.Adopting the same radius of curve and the same length of transi— tion curve,we computed the track lining distances and allocated versines with the deflection angle and coordi— nate methods respectively.Comparing the results of the tWO methods,we found out the magitudes and law of error of the track lining distance and allocated versine of the involute method.Analytical results indicate as fol一 1OWS:with the inrolute method,errors of the track lining distance and allocated versine are all related to the size of the deflection angle;when the involute method is used in rectifying curves of large deflection angles,errors of the track lining distance and allocated versine occur to a certain extent,however,the calculation accuracy can meet the basic requirements of curve realignment. Key words:curve realignment;involute;deflection angle method;coordinate method;allocated curve versine 铁路曲线整正的方法主要有偏角法、绳正法、坐标 作业需要在既有线上进行,不可避免地受到行车干扰, 尤其是在提速后形成高密度的行车区间,作业的难度 相当大,故其一般仅适用于常速铁路的曲线整正。坐 标法可将测量仪器置于线路外的任意一点,其测设不 受行车干扰,而且坐标法具有理论严密、公式推求准 法。绳正法主要运用于铁路线路的日常养护维修中, 而铁路大修主要采用偏角法和坐标法。偏角法的测量 收稿日期:ZOlO一09一IO;修回日期:2010—12—06 作者简介:刘永孝(1972一),男,宁夏中宁人,副教授,博士研究生。 Email:lyxchch@sina.com 第4期 铁路既有曲线整正计算中基于坐标法的渐伸线误差分析研究 83 确、测量计算成果精度高等优点。 偏角法和绳正法的计算都是基于渐伸线的原理来 计算的,利用渐伸线计算拨距是一种近似理论,1980 年长沙铁道学院黎浩廉教授提出“用渐伸线法整正既 有曲线其适用范围有一定限制,对于无缝线路转角不 宜大于1弧度,对于有缝线路也不宜超过2.1弧 度州 。1984年西南交通大学郝赢教授经理论分析推 导出了误差公式盟],并且也认为“精度符合要求是可行 的”。1992年何恩祥高工用理论严密的坐标法与近似 的渐伸线法对众多算例进行对比检查,在相同的测量 资料、相同的半径及缓和曲线长度,而且拨道前后距离 相差极少的情况下,算得的拨距也不尽相同。只是由 于这种误差具有隐蔽性,没有理论严密的计算公式,人 们不易察觉其存在L3 ]。 上述文章都详细论述了渐伸线整正曲线的拨距误 差,很少研究其拨后正矢误差的大小,而实际应用中, 更关心的是拨后正矢是否满足曲线的圆顺度要求,即 拨后正矢和计划正矢差值的大小。本文利用现场测得 的偏角法资料进行分析,首先利用偏角法通过优化计 算出其最优拨距,得到其对应的最优半径和缓和曲线 长度,然后将偏角法资料转化为坐标法所需要的测点 坐标,并且在采用相同的曲线半径及缓和曲线长度条 件下,计算偏角法和坐标法各自的拨距值及其拨后正 矢,将两种方法计算出的拨距进行比较分析,可分析出 渐伸线法计算的拨距误差,然后利用公式计算出偏角 法和坐标法的拨后正矢,并将它们进行分析比较,可得 出用渐伸线法计算拨后正矢的误差。 1理论分析 1.1偏角法转坐标法 在偏角法的测设中,通常是每隔20 m设一个测点, 而且偏角法测设的数据相对比较精确,故本文研究的对 象都是以偏角法测设的资料为基础进行的。下面分析 如何将偏角法的数据转化为坐标法所需要的数据。利 用坐标法计算时,其初始坐标是以初始里程点为坐标原 点,直线方向为X轴坐标系(图1),其理论计算如下: 图1 曲线计算示意图 根据正弦定律得 != 一 兰 sinfli—l—sin(a --0tH) 可得 ! 二!I二 20 7i一1:180。一( 一I+口。一d 一I) 根据正弦定理有 一 sin?' 1一sin(a --0tH) li- 一 (1) sin 0ti—Oti_1 sin L0ti—d 一1 J 式中:0t 为i测点的累计偏角; 一 为i一1测点与后一 测点i的20 m弦与l 形成的夹角;E 表示i点的渐伸 线长度;),H为i一1点的视距线与i一1测点与后一测 点i的20 m的弦线间的夹角;l 为各计算点与置镜点 的距离,即视距。 则 32 =Z COSff Y =Z sina ,Y 为各计算点转化为坐标法下的初始坐标。 如果置镜点转变,则置镜点后的坐标为 z + :== +Z COS0t Y +f= +Z sina 式中:z ,Y 为置镜点的坐标。 将数据转化为以ZH点为坐标原点的数据 z— 一[ZH--k(O)] y—y 1.2坐标法拨距计算 通过测点坐标(z ,y )的偏角法优化出的曲线半 径R及缓和曲线长z。,利用坐标法即可计算出各测点 的拨距,其计算公式如下: (1)ZH点以前直线上的拨距 A—Yj (2) (2)ZH ̄HY上的拨距(图2(a)) A一( j-Y )/COS( ,)= ( 一 )/cos( ) ㈩ (3)HY~yH上的拨距(图2(b)) △-=Rs一,/(xo--.7C )。+( --y,)。 (4) (4)YH~HZ上的拨距(图2(c)) 采用终点(HZ)点为坐标原点,以第二条切线为 z 的新假定坐标系的0tX Y 的新假定坐标: z J===(zk--XJ)COSOt+(3,k--y )sing 』===(z --XJ)sina一( k— j)COS0t △一( )/cos( )=== ( ,一 )/co ̄( ) ㈩ 84 铁 道 学 报 第34卷 (5)HZ点以外直线上的拨距 z J一( k—z』)cos +( k一 )sina Y J一(zk—z )sina--( k--y )COSOt △一 (6) 1.3计算各点的拨后坐标 1.3.1各测点拨后坐标 (1) <ZH时 ㈩ 式中:k为计算点桩点里程;ZH、HY、YH、HZ分别为 直缓、缓圆、圆缓、缓直点的桩点里程;△为代表各点的 拨距(“+”为上挑;“一”为下压); ,,Y 为代表各计算 点拨前的坐标;z ,Y 为代表各计算点拨后的坐标; (2)ZH ̄k<HY时 (忌一ZH) ,l z :zJ+△・sin 2尉。 { (8) 为曲线内移距,户一基一 +Rc。s( )一R; 为 (志一ZH)。 Jy —yj—A COS 2RZ 0 曲线内移距,m—z。一 一Rsin( )。 (a)第一缓和曲线拨距计算示意图 (b)圆曲线拨距计算示意图 (c)第二缓和曲线拨距计算示意图 图2坐标法拨距计算示意图 (3)Hy≤忌<yH时 y—arctan 1 RXj --+一m I z 一m>0、R+ —y >O,卢一y 一 >0、R+ —Yj<0,lf=2n--y z — <O、R+p--y <0,lf=7c+y ,一m<0、R+户一y,>O,lf=7【一y 』\ 一 +Zy 一Y,--A・CO X (9) (4)Ⅵ了≤足<H=.Z时 .sin[一 ] l 一 ,+△・c。sf- 一 ] (5)尼≥HZ时 fz 一 +△。 i眦(11) l 一yJ+A。COSOt 式中:k为计算点桩点里程;ZH、Hy、yH、HZ分别为 直缓、缓圆、圆缓、缓直点的桩点里程;y为象限角;p为 圆曲线上计算点的径向与铅垂线之间的夹角。 1.3.2各点的拨后正矢 :√(一 ) +( ) (12) 2 分析结论 2.1拨距误差分析 将坐标法和偏角法计算拨距的数据结果进行对比 分析,其结果见图3。 通过大量的数据对比分析,并且结合图3可以看 出,当偏角O<a<l弧度时,利用渐伸线结果算出的拨 距和坐标法算出的结果很接近,这说明当偏角小于1 弧度时,利用渐伸线算出的拨距结果误差很小,其误差 最大不超过30 mm,并且随着偏角的增大,其误差也 随着增大。当偏角l<a<n弧度时,其误差最大可达 到900 mm,并且随着偏角的增大,其误差也随着增 第4期 铁路既有曲线整正计算中基于坐标法的渐伸线误差分析研究 85 大。当偏角n>兀弧度时,利用渐伸线结果算出的拨 ∞如们如 0 加如 距和坐标法算出的结果相差很大,但是其误差随着偏 角增大的变化不太明显。通过分析可知,误差在偏角 接近180。时最大。 量 甚 O 5 10 15 测点 (a)a=6。29 06”,R=1 850m g姜越 O∞ O∞柏∞加m 0 0 O O O m加如∞ 0 O 0 O 测点 (b)a=39。32 7”.R=300m l0O 80 6O 40 墨20 爨o 2O 0 _6O 80 测点 (c)a=88。l7 38 。R=300m l 宜 测点 (e)a=l83。27 48 .R=-300m 测点 (f)a=236。29 59 ,R=300 m 图3偏角法与坐标法拨距计算结果对比 2.2拨后正矢误差分析 将偏角法和坐标法各自计算拨距的结果代入式 (7)~式(11),可计算出其各自的拨后坐标,通过式 (12)可计算出两种方法各自对应的拨后正矢。因为坐 标法计算结果是精确的,将两种方法的拨后正矢进行 对比分析,可找出利用渐伸线法计算的曲线拨后正矢 的误差,见图4(将渐伸线法和坐标法的拨后正矢的差 作为其误差值),从而可分析出用渐伸线法计算整正后 的曲线的圆顺情况。 现场养护维修采用的弦绳都是20 m,而偏角法相 当于采用了40 r13.的弦绳,为了使用同一个标准进行 分析,将偏角法的误差除以4即可统一到养护维修标 准中。通过对大量实测曲线的计算结果对比分析并结 合图4可知,当曲线半径较大且曲线偏角较小时,其差 值较小。当偏角小于1弧度时,其偏差都不会超过 2 mnl,相当于20 m弦绳时的0.5 mlTl,并且偏角越 大,产生的误差越大;当偏角大于1弧度且小于丌弧度 时,曲线上其大部分点的误差都很小,只有个别点较 大,其处在HY和yH附近的这些点,其误差都不会 超过8 mrn,相当于20 m弦绳产生2 rnm的误差;当 偏角大于兀弧度、小于2兀弧度时,其误差也都不会超 过8 mm,相当于20 m的弦绳产生的2 mm的误差。 通过对一些数据的分析也可以知道,当偏角大于1弧 度后,其误差在转角接近兀弧度时最大。 86 铁 道 g 吕 也 l 桶 dj< 测点 (a)O<a<1时渐伸线法拨后正矢误差分析图 5 1 5 0 5 1 5 2 5 3 一 一 一测点 (b)1< < 时渐伸线法拨后正矢误差分析图 l 摘 10 20 30 40 50 测点 学 报 第34卷 嘉 蒙 第4期 铁路既有曲线整正计算中基于坐标法的渐伸线误差分析研究 87 Existing CurveEJ].Railway Air Srvey,1992,(2):33—37. 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(责任编辑时博) [6]潘正风,方坤生,杨育林.坐标法进行铁路曲线放样和既有 (上接第56页) 2.2连续出版物中的析出文献 “连续出版物”是一种载有卷期号或年月顺序号、计划无限 [1]曾德超.常速高速通用优化犁:中国,85203720.1[P]. 1986—11—13. 期地连续出版发行的出版物。主要包括期刊、报纸等。其析出 2.4 电子文献 文献的著录项目和格式为: (1)专著及专著中的析出文献、连续出版物中的析出文献、 述著录项目的基础上,加注“[引用日期]”、“获取和访问路径”。 例如: [序号]析出文献主要责任者.析出文献题名[文献类型标 专利文献等的电子版文献,其著录需要在上述2.1、2.2、2.3所 志].连续出版物题名:其他题名信息,年,卷(期):页码。 (1)期刊 [序号]著者.题(篇)名[文献类型标志].刊名:其他刊名信 息,出版年,卷号(期号):引文所在起止页码. [1]江向东.互联网环境下的信息处理与图书管理系统解决 方案[J/OL].情报学报,1999,18(2):4[2000一O1—18].http:// nfo.gov.cn/periodical/qbxb/qbxb99/qbxb99O2O3. [1]杨涛.基于约束推理的车站咽喉图型识别及优化设计模 www.chinai型[J].铁道学报,2006,28(2):1-6. YANG Tao.Recognizing of the Sketch of the Station Pot— tleneck and Its Optimized Design Model Based on Constrained [2]河北绿洲生态环境科技有限公司.一种荒漠化地区生态 植被综合培育种植方法:中国,1129210.5[P/OL].2001—10—24 [2002—05—28].http://211.152.9.47/sipoasp/zl s/hyjs—yx-new. (2)其他电子文献的著录项目和格式为 d=01129219.5&leixin. Reasoning[J].Journal of the China Railway Society,2006,28 asp?reci(2):1-6. 注:中文期刊采用中英文两种文字进行著录,见示例[1];英 [序号]主要责任者.电子文献题名[文献类型标志/文献载 期].获取和访问路径. [1]王明亮.关于中国学术期刊标准化数据库系统工程的进 展[EB/OL].http://www.cajcd.edu.cn/pub/wm1.txt/980810 —文部分应从该期刊论文的英文摘要中摘录,而不要自行翻译,以 体标志].出版地:出版者,出版年(更新或修改日期)[引用Et 确保文献著录的准确性。 [2]YOU C H,LEE K Y,CHEY R F,et a1.Electrogas— trographic Study of Patients with Unexplained Nausea,Bloating and Vomiting[J].Gastroenterol0gy,1980,79(1):31卜314. (2)报纸 2.html,1998-08—16/1998—10—04. [2]万锦垄.中国大学学报论文文摘(1983—1993).英文版 2.5其他未定义类型的文献 [序号]主要责任者.文献题名[文献类型标志].报纸名,年一 [DB/CD].北京:中国大百科全书出版社,1996. 月一日(版次). Eli李四光.中国地震的特点[N].人民!EJ报,1988—08-02(4). 2.3 专利文献 [序号]主要责任者.文献题名[z].出版地:出版者,出版年. [序号]专利申请者或所有者.专利题名:专利国别,专利号 [文献类型标志].公告日期或公开日期. (2010年8月修订)