Величко В.А., Мовчан С.Ф., Дементьев В.Е. и др. Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве

Подождите немного. Документ загружается.

Вследствие вращения Земли через бесконечно малый промежуток

времени At (рис. IV.4, б) восточная часть плоскости горизонта на-

клонится на угол 0 и маятник выйдет из состояния равновесия.

Под действием груза Q ось гироскопа будет наклоняться, стре-

мясь к горизонтальному положению. Возникает постоянно дей-

Рис. IV.3. Принци-

пиальная схема

маятникового ги-

роскопа

Рис. IV.4. Положение оси

маятникового гироско-

па, установленного на

Земле:

а — в начальный момент;

б — через промежуток вре-

мени At

ствующий момент внешней силы, так называемый маятниковый

момент, равный

M=Q'a, (IV.1)

где Q' — равнодействующая силы тяжести груза Q и ротора; а —

расстояние от оси ротора до точки приложения равнодействую-

щей.

Маятниковый момент эквивалентен приложению к оси ротора

пары сил F в вертикальной плоскости. По правилу прецессии под

действием внешних сил и гироскопического момента ось гироско-

па начнет прецессировать в горизонтальном направлении. В на-

шем случае северный конец оси х с ускоряющимся движением

начнет приближаться к северной части меридиана точки наблю-

дений. Наибольшая скорость прецессии будет иметь место при

совпадении оси с плоскостью меридиана.

Вследствие инерции всей системы ось гироскопа пройдет плос-

кость меридиана. Теперь в восточной части горизонта окажется

северный конец оси х, который по мере вращения Земли будет

вынужденно наклоняться под действием груза Q, стремясь к гори-

зонтальному положению. Возникнет момент сил противоположного

действия, тормозящий инерционное движение оси. Движение оси

прекратится, когда момент количества движения прибора, обус-

ловленный его инерционным движением, окажется равным направ-

ляющему моменту, обусловленному вращением ротора и маятнико-

вым моментом. Так как направляющий момент будет возрастать

вследствие непрерывного вращения Земли, то начнется прецессия

с возрастающей скоростью конца оси х в обратном направлении,

т. е. к плоскости меридиана. Таким образом, ось гироскопа будет

совершать периодические колебания относительно положения рав-

новесия, совпадающего с плоскостью меридиана.

Для определения направления меридиана нужно укрепить на

основании (Земле) горизонтальный круг (см. рис. IV.3), а на од-

ном из концов оси гироскопа— индекс, с помощью которого мож-

но взять отсчеты в точках реверсии * — при крайнем восточном щ

и крайнем западном пг положениях оси. Среднее из этих отсчетов

будет соответствовать положению равновесия, совпадающему с

направлением меридиана точки наблюдений, т. е. соответствовать

«месту севера» (МС) на горизонтальном круге.

§ IV

2. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ГИРОСКОПИЧЕСКОГО

ТЕОДОЛИТА И ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ

ГИРОСКОПИЧЕСКОГО АЗИМУТА

На основании рассмотрения гироскопического способа ориен-

тирования можно наметить следующую структурную схему гиро-

теодолита. Гиротеодолит (рис. IV.5) должен иметь чувствитель-

ный элемент, например гироскопический датчик маятникового ти-

па; угломерное устройство на штативе со следящей системой, поз-

воляющей производить отсчеты по горизонтальному кругу в мо-

менты реверсии и визирование на земной предмет (ориёнтирный

пункт) для передачи азимута; блок питания с источником пита-

ния всех энергетических узлов гиротеодолита.

При наблюдениях гиротеодолитом все измерения относят кот-

весной линии в точке наблюдений и к плоскости горизонта. Сле-

довательно, азимут, определенный гироскопически, тождествен

астрономическому азимуту.

Имея отсчеты /г

и п

точек реверсии по горизонтальному

кругу, отсчет положения равновесия N

(рис. IV.6) колебаний ЧЭ

находят по формуле

ЛГ

= 0,5[(л

+ я

)/2 + (л

+ /1з)/2].

(IV.

* Точкой реверсии называется точка начала обратного движения оси.

Рис. IV.5. Структурная схема ги- Рис. IV.6. Схема определения ги-

ротеодолита роскопического азимута

Рис. IV.7. Гиротеодолит ГИ-Б1:

1 — штепсельный разъем; 2—штатив; 3 — гироблок; 4 —

бесконечное наводящее устройство; 5—алидада; 6 — допол-

нительный окуляр теодолита; 7 — зрительная труба; 8 —

окуляр; 9 — подъемные винты со сферическими подпятни-

ками; 10 — трегер теодолита; 11 и 12 — арретиры / и II;

13 — аккумулятор; 14 — штепсельный разъем; 15 и 16 — пере-

ключатель фазы и контроль; 17 — установка нуля; 18 — ре-

гулировка напряжения; 19 — миллиамперметр Си; 20 — блок

питания; 21 — тормоз; 22 — ампервольтметр G2; 23 — пере-

ключатель ток — напряжение; 24 — мотор:

2.5

— штепсельный

разъем; 26 — термостат; 27 — освещение

Обычно по конструктивным соображениям отсчетное устройст-

во по горизонтальному кругу располагают под некоторым углом

А по отношению к оси вращения ротора гироскопа. Поэтому на

горизонтальном круге вычисляют

MC = N

— A, (IV.3)

где А — постоянная поправка гиротеодолита.

Астрономический азимут на ориентирный пункт (ОРП)

A = M — MC = M + b — N

, (IV.4)

где М — отсчет по горизонтальному кругу при наведении трубы

гиротеодолита на ОРП.

Для получения геодезического азимута А

следует ввести по-

правку б А в азимут за уклонение отвесной линии

= А + ЪА. (IV. 5)

Для перехода к дирекционному углу а вводят поправку у за

сближение меридианов в проекции Гаусса — Крюгера:

а = Л

+ у. (IV.6)

В настоящее время для инженерно-геодезических работ ис-

пользуют гиротеодолиты ГИ-Б1 (рис. IV.7) и ГИ-Б2, выпускае-

мые предприятием MOM (ВНР), а также маркшейдерский гиро-

компас МТ-1 и гиротеодолит МВ-2М, выпускаемые отечественной

промышленностью. Средняя квадратическая ошибка определения

азимута с помощью этих приборов составляет 20".

Глава V

ПРИБОРЫ ДЛЯ НИВЕЛИРОВАНИЯ

§ V.I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Из всех видов нивелирования в строительной практике наибо-

лее часто применяют геометрическое. Его широко используют для

создания высотной геодезической сети на строительно-монтажной

площадке, передачи отметок на монтажные горизонты, выноса в

натуру проектных отметок, контроля высотного положения строи-

тельных конструкций и элементов технологического оборудова-

ния, контроля ровности поверхности, исполнительных съемок, для

наблюдений за осадками зданий, сооружений и элементов про-

мышленного оборудования. Однако в ряде случаев более целесо-

образно применять методы гидронивелирования — гидростатиче-

ского и гидромеханического; в последнее время в производство

внедрен новый способ нивелирования — гидродинамическое. На

стадии изысканий для скоростной съемки рельефа весьма перспек-

тивно применение баропрофилографов,, в которых используется

принцип барометрического нивелирования.

Приборы для геометрического нивелирования классифицируют

поточности и способу установки их линии ви-

зирования в рабочее положение. В зависимости от

точности нивелиры делят на высокоточные, точные и технические,

из которых на геодезических работах в массовом строительстве

наиболее широко используют точные и технические нивелиры.

По способу установки линии визирования в рабочее положение

(горизонтальное или близкое к нему, но всегда однообразное от-

носительно отвесной линии) различают нивелиры, у которых ли-

нию визирования устанавливают по скрепленному со зрительной

трубой цилиндрическому уровню, и нивелиры, линия визирования

которых устанавливается в рабочее положение автоматически

после грубой (с ошибкой 5—10') установки оси вращения нивели-

ра в отвесное положение. Нивелиры первого типа часто называют

уровенными, а второго — самоустанавливающимися.

Для самоустановки линии визирования в горизонтальное по-

ложение в самоустанавливающихся нивелирах применяют устрой-

ства, называемые компенсаторами, принцип действия которых ос-

нован на использовании силы тяжести. Современные оптико-меха-

нические компенсаторы легки, компактны и по точности стабили-

зации линии визирования превосходят жидкостные уровни. Ком-

пенсаторы автоматически исключают незначительные отклонения

линии визирования от ее рабочего положения; время самоустанов-

ки визирного луча обычно исчисляется долями секунды. Этим ус-

траняются трудоемкий и утомительный процесс приведения пу-

зырька уровня в нуль-пункт, необходимость контроля и коррекции

положения пузырька перед отсчетом по нивелирной рейке. Отпа-

дает необходимость иметь в конструкции нивелира элевационный

винт, существенно сокращается время подготовки нивелира к ра-

боте на станции, появляется возможность вести работу на зыбких

грунтах, с деревянного помоста или настила.

Самоустанавливающиеся нивелиры проще в эксплуатации и

менее подвержены разъюстировке при одностороннем нагреве

солнцем. При работе с ними производительность труда в зависи-

мости от вида работ повышается на 10—60%.

Учитывая относительную новизну самоустанавливающихся ни-

велиров, рассмотрим способы самоустановки, т. е. автоматической

компенсации углов наклона оси вращения нивелира и некоторые

принципиальные схемы современных компенсаторов.

§ V.2. СПОСОБЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ

УГЛА НАКЛОНА ОСИ ВРАЩЕНИЯ НИВЕЛИРА

В качестве компенсаторов в самоустанавливающихся нивели-

рах применяют элементы, положение которых связано с направ-

лением силы тяжести — маятник или свободная поверхность жид-

кости. Ось симметрии свободно подвешенного маятника всегда

совпадает с направлением отвесной линии. Свободная поверхность

жидкости всегда устанавливается перпендикулярно отвесной ли-

нии. Использование того или иного свойства для компенсации уг-

ла наклона визирного луча может производиться непосредствен-

но или с помощью дополнительных оптических и оптико-механи-

ческих приспособлений.

Разработанные к настоящему времени компенсаторы можно

условно разделить на три группы: маятниковые, жидкостные и

уровенные. Вначале был создан и внедрен в производство уровен-

ный компенсатор Г. Ю. Стодолкевича (1944, СССР), несколько

позже разработан жидкостный компенсатор Н. А. Гусева, полу-

чивший незначительное распространение. Серийное же производ-

ство самоустанавливающихся нивелиров началось в 50-х годах с

изобретением маятниковых компенсаторов, которые благодаря

своей миниатюрности, изящности решения задачи и точности поч-

ти полностью вытеснили в конструкциях нивелиров уровенные и

жидкостные компенсаторы.

Задачу самоустановки визирного луча в рабочее положение в

общем виде можно решить следующим образом. Пусть О — опти-

ческий центр объектива трубы нивелира (рис. V.1), С — центр

сетки нитей. При горизонтальном положении визирного луча ОС

зрительной трубы правильный отсчет по нивелирной рейке состав-

ляет П. Наклоним зрительную трубу (или вертикальную ось вра-

щения нивелира) на угол а, тогда центр сетки нитей перейдет в

положение Си и по рейке будет получен неправильный отсчет Пi.

Правильный отсчет Л, соответствующий главному горизонтально-

му лучу*, можно получить двумя способами: 1) помещением в

точке К механического элемента, удерживающего при наклоне

трубы на угол а центр сетки нитей в положении С, т. е. на про-

должении главного горизонтального луча (компенсатор в виде

подвешенной сетки нитей); 2) помещением к точке К оптико-ме-

ханического элемента, поворачивающего лучи так, чтобы изобра-

Рис. V.I. Принципиальная схема компенсации угла

наклона линии визирования

жение правильного отсчета П переместилось в новое (наклонен-

ное) положение центра сетки нитей Ci (компенсатор в виде под-

вешенного зеркала, призмы, оптического клина и т. п.).

Поскольку расстояние между точкой О и сеткой нитей С при-

мерно равно фокусному расстоянию f объектива, то условие ком-

пенсации можно получить так:

из треугольника OCCi по малости угла а

Щ = /а, (V.1)

где а — угол наклона зрительной трубы и оси вращения нивели-

ра, рад;

из треугольника KCCi

=S$, (V.2)

где S — расстояние между точкой установки компенсатора К и

сеткой нитей.

Из (V.1) и (V.2) получим /a=Sp, или

f/S=$/a. (V.3)

Так как величины f и S практически постоянны, то

?/a = AT (V.4)

величина почти постоянная, называемая механическим или угло-

вым коэффициентом компенсации. Для труб с внутренней фокуси-

* Главным горизонтальным лучом называют горизонтальный луч, проходя-

щий через оптический центр объектива.

ровкой значение фокусного расстояния изменяется в пределах 1—

3% в зависимости от расстояния до наблюдаемого предмета, что

приводит к небольшому изменению коэффициента К. При расчете

компенсаторов величину f берут как некоторое среднее значение,

близкое к фокусному расстоянию при наблюдении бесконечно

удаленных предметов.

Если компенсирующий элемент установлен внутри зрительной

трубы между объективом и сеткой нитей, то величина S не может

быть более /; в этом случае коэффициент компенсации всегда

больше единицы, т. е. угол р всегда больше угла наклона а трубы

нивелира. Это выгодно отличает такой компенсатор от обычного

жидкостного уровня, так как при их одинаковой чувствительности

компенсатор будет всегда реагировать на наклон вертикальной

оси вращения в К раз больше, чем уровень. Практика подтверж-

дает это. Даже в технических самоустанавливающихся нивелирах

самоустановка визирного луча в рабочее положение осуществля-

ется с ошибками не более 1"; для жидкостных уровней такая точ-

ность практически недостижима. В целом это благоприятно ска-

зывается на точности результатов измерений, выполняемых с по-

мощью самоустанавливающихся нивелиров.

Чаще всего компенсаторы подвешивают в виде маятника на

тонких металлических или синтетических нитях толщиной 20—

100 мкм. Для упрощения будем рассматривать такие нити иде-

ально эластичными и нерастяжимыми. Толщина нитей подвеса

обусловливается, главным образом, массой компенсатора. Экспе-

риментально получено, что для исключения обрыва нитей при

транспортировке прибора, когда на них могут действовать значи-

тельные динамические нагрузки, нити должны иметь запас проч-

ности в 100—300 раз.

Масса компенсаторов находится в пределах 10—40 г. Компенса-

тор снабжается демпфером — устройством для гашения колеба-

ний. Период колебаний, в зависимости от длины нитей подвеса и

конструкции компенсатора, находится в пределах 0,1—0,01 с; ам-

плитуда— до 1 мм. В большинстве конструкций нивелиров ком-

пенсатор находится в сходящемся пучке лучей, несущих изобра-

жение рейки, так как такое расположение способствует уменьше-

нию габаритов трубы и компенсатора. При дрожании нивелира

на ветру или при работе на зыбком основании качество изображе-

ния тем выше, чем меньше период и амплитуда колебаний при

демпфировании. Экспериментально установлено, что время демп-

фирования должно быть в пределах 1 с.

§ V.3. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ МЕХАНИЧЕСКИХ КОМПЕНСАТОРОВ

САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИХСЯ НИВЕЛИРОВ

Приведем описание и элементы теории двух, наиболее простых

для уяснения физического процесса «самоустановки», механиче-

ских компенсаторов с вертикально и горизонтально подвешенной

сеткой нитей.

На рис. V.2, а изображена схема нивелира с вертикально под-

вешенной сеткой нитей. К оправе объектива на трех нитях (на ри-

сунке показаны только две— АЕ и BD) подвешена сетка нитей с

центром С. Таким образом, визирный луч ОС направлен по верти-

кали; с помощью пентапризмы он поворачивается на 90° и выхо-

дит из нее горизонтально. При отклонении оси вращения нивели-

ра от вертикали на угол а оптический центр объектива перемеща-

ется в положение Oi (пунктирное изображение), а центр подве-

шенной сетки нитей — в положение Ci. В силу малости угла на-

клона а и маятникового эффекта висящей сетки нитей новое по-

ложение визирного луча OiCi остается отвесным. Далее визирный

луч опять поворачивается на 90° и выходит горизонтально, сме-

щаясь лишь незначительно по высоте на величину h. В нивелире

такого типа длина рычага подвески S равна фокусному расстоя-

нию f объектива, поэтому условие компенсации

откуда, согласно (V.3), коэффициент компенсации По этой

схеме (подвешенная сетка, нитей или подвешенный объектив)

итальянской фирмой «Филотехника Сальмоиранги» создано не-

сколько типов нивелиров для точного и технического нивелирова-

ния. Нивелиры имеют необычный — перископический вид.

На рис. V.2, б изображена принципиальная схема нивелира с

компенсатором в виде горизонтально подвешенной сетки нитей.

Сетка нитей с центром С укреплена на Г-образном рычаге DEC

(сплошная линия) с противовесом и с помощью четырех накрест

расположенных нитей (на рисунке показаны только две из них —

АЕ и BD) подвешена к корпусу зрительной трубы в точках А и

В. При горизонтальном положении визирного луча ОС правиль-

ный отсчет по рейке составляет Я. При наклоне зрительной тру-

бы на угол а (предполагается, что труба наклонилась в верти-

кальной плоскости вокруг оптического центра объектива) сетка

Пентапризма

тора с подвешенной сеткой нитей:

а — вертикальная подвеска сетки; б, в — гори-

зонтальная подвеска сетки

СС

= /а=5а,

нитей обычного уровенного нивелира должна была бы переме-

ститься в вертикальной плоскости на величину

х=fa. (V.5)

В рассматриваемом же случае подвешенная сетка нитей ос-

танется на месте за счет наклона Г-образного рычага на угол р, а

визирный луч трубы ОС останется горизонтальным, если будет

соблюдено условие

x=l$, (V.6)

здесь / — длина рычага от его средней точки (центра тяжести).

Из уравнений (V.5) и (V.6) вытекает условие компенсации:

/// =

Р/а.

(V.7)

Выразим угол р через элементы подвеса сетки нитей. На рис.

V.2, в представлена схема крестообразной подвески сетки нитей в

наклоненном положении. Из рисунка получим

a sin a-\-d cos

Ь —

b sin

р —

d cos y = 0, (V.8)

где а и b — соответственно расстояния между точками крепления

нитей подвеса к корпусу трубы и между точками крепления нитей

к рычагу (в направлении визирного луча); d — длина нитей под-

веса.

Ввиду малости углов аир (углы менее 30') и приближенного

равенства углов у и б получим соотношение аа«6р, откуда

a. (V.9)

Подставив значение р в формулу (V.7), получим

f/l~a/b = К

, (V.10)

где Км — коэффициент механической компенсации.

Таким образом, задаваясь величинами /, а и 6, находят длину

рычага I, при которой осуществляется компенсация наклона тру-

бы нивелира. Коэффициент Км выгодно делать большим единицы,

так как это будет способствовать повышению чувствительности

компенсатора.

Горизонтально подвешенная сетка нитей применена в нивели-

ре N-A2 (ФРГ).

§ V.4. ТОЧНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НИВЕЛИРЫ

ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

В настоящее время в строительных организациях распростра-

нены в основном нивелиры, выпущенные в соответствии с дейст-

вовавшим в течение семи лет ГОСТ 10 528—69, среди которых точ-

ные — НЗ, НС4, технические — НТ, НТС.

В шифрах этих приборов: Н — нивелир; цифры указывают

класс нивелирования, для которого он предназначен; Т — пред-