魏 暉，朱洪濤，吳維軍，王 群，龔 杰

(1．南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330031;2．江西科技學(xué)院汽車工程學(xué)院，江西南昌 330098;3．江西日月明鐵道設(shè)備開發(fā)有限公司，江西南昌 330029;4．南昌鐵路局九江橋工段，江西九江 332000)

高速鐵路要求其軌道結(jié)構(gòu)必須具備高平順性［1］，不僅體現(xiàn)在對(duì)10和20 m軌向、高低、軌距、水平等常規(guī)軌道幾何參數(shù)的嚴(yán)格控制，而且對(duì)鋼軌平直度，與軌頭表面狀態(tài)有關(guān)的短波不平順，與橋梁、道床、路基變形和軌道鋪設(shè)精度直接相關(guān)的中長(zhǎng)波不平順幅值的控制亦十分嚴(yán)格。

對(duì)于長(zhǎng)波不平順的控制，目前我國(guó)主要是通過(guò)動(dòng)態(tài)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)波不平順的大概位置［2］，然后進(jìn)行精確測(cè)量，獲得軌道在高程及平面的偏差，最后通過(guò)大機(jī)作業(yè)恢復(fù)線路技術(shù)狀態(tài)。由于涉及軌道外部幾何尺寸的測(cè)量，故軌道的精確測(cè)量效率不高，且環(huán)境適應(yīng)性較差，僅適用于軌道周期檢修。另外，由于軌道測(cè)量?jī)x的絕對(duì)測(cè)量要依據(jù)CPⅢ網(wǎng)，當(dāng)CPⅢ網(wǎng)受到破壞，測(cè)量?jī)x常難以獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

本文利用具備70 m長(zhǎng)波功能的0級(jí)軌道檢查儀指導(dǎo)高鐵有砟軌道的經(jīng)常保養(yǎng)，通過(guò)合理的工藝設(shè)計(jì)，有效保證軌道高平順性，為高鐵有砟軌道的長(zhǎng)波控制提供新的思路。

1 長(zhǎng)波不平順及其測(cè)量

1.1 長(zhǎng)波不平順

依據(jù)波長(zhǎng)范圍，不平順可分為短波、中波和長(zhǎng)波不平順。其中，波長(zhǎng)在30～200 m的不平順稱之為長(zhǎng)波不平順［1，3］。車體都有自振(固有)頻率，當(dāng)列車以速度v運(yùn)行時(shí)，可能使列車產(chǎn)生共振的線路不平順最不利波長(zhǎng) l=v/(3.6f)［4-5］。其中，v為行車速度，km/h;f為車體橫向自振頻率，Hz。通過(guò)對(duì)車輛—軌道耦合系統(tǒng)空間耦合模型輸入軌道隨機(jī)激擾進(jìn)行數(shù)值仿真可知［3，6］，車體橫向和垂向加速度表現(xiàn)為1 ～2 Hz的低頻振動(dòng)，橫向主頻較垂向低。不同行車速度下諧波不平順最不利波長(zhǎng)如表1所示，可知如保證高鐵的高平順性，需關(guān)注60～120 m間的長(zhǎng)波不平順。

表1 不同行車速度下諧波不平順最不利波長(zhǎng) m

1.2 長(zhǎng)波不平順的測(cè)量

目前，應(yīng)用于高鐵的平順性檢測(cè)技術(shù)依據(jù)有無(wú)輪載，可分為動(dòng)態(tài)檢測(cè)［1，7-8］與靜態(tài)檢測(cè)［1，9］兩類。其中，動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備主要包括軌檢車、動(dòng)檢車以及添乘儀等，而靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備除手工設(shè)備外，還包括軌道檢查儀以及軌道測(cè)量?jī)x等自動(dòng)化設(shè)備(圖1)。由于動(dòng)態(tài)檢測(cè)方式對(duì)正常運(yùn)營(yíng)影響小、效率高、速度快，且真實(shí)地反映了在列車運(yùn)行條件下的基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)，已經(jīng)成為高速鐵路平順性狀態(tài)的主要檢測(cè)手段。然而，動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝備的購(gòu)置與使用成本高，尚無(wú)法做到高鐵線路的全覆蓋。另外，困擾動(dòng)檢在工務(wù)養(yǎng)護(hù)中應(yīng)用的另一個(gè)重要原因是，其病害里程的準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)與病害幅值的現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)均較為困難［7，10］。因此，動(dòng)態(tài)檢測(cè)與靜態(tài)檢測(cè)之間，應(yīng)為互補(bǔ)而非替代關(guān)系。目前軌道檢測(cè)形成了“動(dòng)態(tài)檢查為主，動(dòng)、靜態(tài)檢查相結(jié)合”的格局。

手工手段檢測(cè)長(zhǎng)波不平順將會(huì)非常困難，且嚴(yán)重依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)水平。而以軌道測(cè)量?jī)x為基礎(chǔ)的絕對(duì)測(cè)量技術(shù)雖可測(cè)量長(zhǎng)波，但如前所述其效率與經(jīng)常保養(yǎng)作業(yè)要求間存在嚴(yán)重的不匹配。

2 0級(jí)軌道檢查儀及其相對(duì)測(cè)量直接調(diào)軌技術(shù)

2.1 0級(jí)軌道檢查儀

軌道檢查儀［11］采用電子、傳感技術(shù)移動(dòng)測(cè)量并自動(dòng)記錄軌道內(nèi)部幾何參數(shù)，包括10 m和20 m軌向(正矢)、高低、軌距、軌距變化率、水平、扭曲(三角坑)等短波不平順，以及70 m、5 m/30 m校核、150 m/300 m校核軌向、高低等長(zhǎng)波不平順，用于評(píng)價(jià)新建鐵路或運(yùn)營(yíng)線路的軌道幾何狀態(tài)，報(bào)告超限處所與超限量值。

新修訂的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軌道檢查儀進(jìn)行了分級(jí)，新增了適用于≤350 km/h線路的0級(jí)軌道檢查儀，將過(guò)去使用的軌道檢查儀定義為1級(jí)軌道檢查儀并規(guī)定其使用于≤200 km/h線路。其中，GJY-T-EBJ-3型0級(jí)軌道檢查儀相對(duì)于1級(jí)軌道檢查儀除精度升級(jí)外，更針對(duì)線路運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)維修，開發(fā)了“軌枕定位+長(zhǎng)波精測(cè)+圖上作業(yè)(圖上劃撬)”的功能組合，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了相對(duì)測(cè)量直接調(diào)軌。

2.2 相對(duì)測(cè)量直接調(diào)軌技術(shù)

相對(duì)測(cè)量直接調(diào)軌技術(shù)是以軌道內(nèi)部幾何形位控制為主導(dǎo)的整道技術(shù)。該技術(shù)以具備長(zhǎng)波精測(cè)功能的0級(jí)軌道檢查儀為技術(shù)平臺(tái)，以軌道平順性為控制對(duì)象，采用慣性軌跡原理，通過(guò)圖上作業(yè)，直接依據(jù)軌道檢查儀的測(cè)量成果進(jìn)行整道作業(yè)。其主要特點(diǎn):

1)采用軌枕標(biāo)記功能將軌道病害及調(diào)整量與軌枕對(duì)應(yīng)，可有效克服夜間作業(yè)定位不準(zhǔn)的問題。

2)采用圖上劃撬，作業(yè)效果實(shí)時(shí)顯示，故可以做到先評(píng)價(jià)后實(shí)施。

3)通過(guò)長(zhǎng)波精測(cè)，可以有效找到線路病害原因，且整道方案的制定基于長(zhǎng)波信息，可整體優(yōu)化軌道平順性。

4)對(duì)控制網(wǎng)及光照條件無(wú)要求，測(cè)量效率高，適應(yīng)性強(qiáng)。

3 基于相對(duì)測(cè)量直接調(diào)軌的長(zhǎng)波不平順整道工藝

3.1 軌道長(zhǎng)波不平順整道流程

軌道長(zhǎng)波不平順的整道基本流程與軌道的經(jīng)常保養(yǎng)基本類似，大致包含動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)分析、確定病害地點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)靜態(tài)測(cè)量確認(rèn)、檢測(cè)資料綜合分析、制定作業(yè)方案、作業(yè)方案審批、上報(bào)日天窗作業(yè)計(jì)劃、作業(yè)方案實(shí)施、作業(yè)質(zhì)量回檢以及填寫作業(yè)日志等步驟，具體如圖2所示。

軌道長(zhǎng)波不平順整道工藝過(guò)程是指采用相應(yīng)的整道方法作用于軌道，使其平順性符合作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的全部勞動(dòng)過(guò)程。現(xiàn)有的長(zhǎng)波整道工藝［2］主要問題在于效率不匹配，而夜間短天窗更加劇了這種不匹配。本文圍繞作業(yè)效率問題介紹基于相對(duì)測(cè)量直接調(diào)軌的軌道長(zhǎng)波不平順整道的軌道測(cè)量與內(nèi)業(yè)處理工藝要點(diǎn)。

3.2 軌道長(zhǎng)波不平順的快速測(cè)量

0級(jí)軌檢儀采用慣性基準(zhǔn)測(cè)量軌道的平順性，測(cè)量速度通常為4 km/h，測(cè)量效率遠(yuǎn)高于絕對(duì)測(cè)量。為確保測(cè)量精度，長(zhǎng)波整道時(shí)應(yīng)采用長(zhǎng)波精測(cè)模式，綜合測(cè)量速度可達(dá)2 km/h。從圖2可知，動(dòng)檢波形是確定軌道長(zhǎng)波靜態(tài)精確測(cè)量的位置和范圍的依據(jù)。設(shè)動(dòng)檢里程誤差±100 m，而長(zhǎng)波平順性的起終算距離各35 m，并應(yīng)在兩端預(yù)留不小于35 m的觀測(cè)范圍，因此長(zhǎng)波靜態(tài)精確測(cè)量范圍通常不小于500 m。這樣，軌道的長(zhǎng)波不平順測(cè)量可在30 min內(nèi)完成，具有顯著的效率優(yōu)勢(shì)。具體測(cè)量流程如圖3所示。由于采用了軌枕定位技術(shù)與長(zhǎng)波精測(cè)模式，在進(jìn)行相對(duì)測(cè)量時(shí)應(yīng)注意:

圖2 線路設(shè)備整道流程

圖3 軌道長(zhǎng)波不平順的快速測(cè)量流程

1)作業(yè)前，輸入曲線參數(shù)并編制軌枕號(hào)列表文件。軌枕編號(hào)規(guī)則應(yīng)唯一且便于現(xiàn)場(chǎng)查找，而軌枕列表應(yīng)能體現(xiàn)道岔、隧道、橋梁上軌枕間距的不同。

2)在測(cè)量起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)需打軌枕標(biāo)記，在軌枕間距設(shè)計(jì)值發(fā)生變化時(shí)，須在對(duì)應(yīng)位置增打軌枕標(biāo)記以提高定位精度。

3)檢測(cè)速度保持在4 km/h左右，測(cè)量距離在保證覆蓋可能的病害區(qū)域的基礎(chǔ)上考慮搭接和動(dòng)檢的里程誤差。

4)長(zhǎng)波測(cè)量曲線時(shí)，需對(duì)直緩點(diǎn)、緩圓點(diǎn)、圓緩點(diǎn)、緩直點(diǎn)等4大樁點(diǎn)增打標(biāo)記，以便數(shù)據(jù)分析時(shí)修正線形參數(shù)。

5)長(zhǎng)波回程，選擇長(zhǎng)波精測(cè)模式，掉頭勻速回拉，在測(cè)量起始點(diǎn)結(jié)束。

3.3 軌道長(zhǎng)波不平順的相對(duì)測(cè)量直接調(diào)軌

長(zhǎng)波精測(cè)數(shù)據(jù)可用于相對(duì)測(cè)量直接調(diào)軌［12］，為保證整道效果，應(yīng)規(guī)范內(nèi)業(yè)作業(yè)流程，如圖4所示。

相對(duì)測(cè)量直接調(diào)軌內(nèi)業(yè)要點(diǎn):

1)數(shù)據(jù)特征辨讀應(yīng)結(jié)合動(dòng)、靜態(tài)波形，初步判定病害處所、類型;數(shù)據(jù)特征辨讀順序?yàn)殚L(zhǎng)波→中波→短波;著重分析軌道的長(zhǎng)波不平順、多波連續(xù)不平順以及逆向復(fù)合不平順。

2)圖上作業(yè)亦應(yīng)遵循長(zhǎng)波→中波→短波的順序;制定作業(yè)方案時(shí)應(yīng)考慮天窗時(shí)間及作業(yè)能力的限制。

圖4 相對(duì)測(cè)量直接調(diào)軌作業(yè)流程

3)對(duì)于無(wú)砟軌道，可進(jìn)行常規(guī)意義上的削峰填谷，但調(diào)整幅度受扣件系統(tǒng)的限制。對(duì)有砟軌道，高包無(wú)法直接通過(guò)落道削峰，只能通過(guò)抬道進(jìn)行填谷并輔以順坡予以消除。

4)在無(wú)大機(jī)配合的條件下，對(duì)于長(zhǎng)洼往往只能采用變化率控制方案，如起洼中洼。

4 長(zhǎng)波不平順整治現(xiàn)場(chǎng)試用

為驗(yàn)證0級(jí)軌檢儀指導(dǎo)軌道經(jīng)常保養(yǎng)的效果，于2013年8月在某城際鐵路進(jìn)行了長(zhǎng)波不平順整道規(guī)模試用。選用GJY-T-EBJ-3型0級(jí)軌道檢查儀進(jìn)行軌道精密測(cè)量，選用HSRailwayCHK XP(Ver 12.1.7)軌道幾何狀態(tài)檢查數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)制定整道方案。

線路設(shè)計(jì)時(shí)速250 km/h，全線為有砟超長(zhǎng)無(wú)縫線路。選取動(dòng)檢不良處所27處，利用0級(jí)軌道檢查儀進(jìn)行精密測(cè)量，采用相對(duì)測(cè)量直接調(diào)軌技術(shù)對(duì)其中9處制定方案并整道?，F(xiàn)場(chǎng)試用顯示，其外業(yè)作業(yè)可控制在30 min內(nèi)完成，而內(nèi)業(yè)作業(yè)時(shí)間一般為20 min，回檢可安排在作業(yè)后立即進(jìn)行;而其軌枕定位功能的應(yīng)用，可有效減少病害定位等輔助作業(yè)時(shí)間，進(jìn)一步提高作業(yè)效率。整道效果通過(guò)靜態(tài)回檢與動(dòng)態(tài)檢查予以確認(rèn)，結(jié)果顯示9處均較為明顯地削峰。其中，下行K25+200—K25+700高低70 m長(zhǎng)波整道效果對(duì)比如圖5所示。

圖5 K25+200—K25+700高低70 m長(zhǎng)波整道效果對(duì)比

由圖5可知，作業(yè)前軌檢車動(dòng)檢長(zhǎng)波高低3～－3 mm，0級(jí)軌道檢查儀靜態(tài)精密測(cè)量顯示K25+415處70 m弦長(zhǎng)波高低最大值8.33 mm，K25+521處70 m弦長(zhǎng)波高低最小值－13.18 mm。通過(guò)相對(duì)測(cè)量直接調(diào)軌技術(shù)制定方案并實(shí)施，回檢顯示，線路長(zhǎng)波不平順削峰。其中K25+415處70 m弦長(zhǎng)波高低收斂為3.11 mm，K25+512處70 m弦長(zhǎng)波高低最小值收斂為－7.27 mm。同里程軌檢車動(dòng)態(tài)檢查顯示作業(yè)后無(wú)添乘出分，起道作業(yè)前高低5 mm，作業(yè)后高低2 mm，削峰效果明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

目前的長(zhǎng)波整道是以絕對(duì)測(cè)量為基礎(chǔ)的，通過(guò)控制外部幾何尺寸間接控制軌道的平順性。本文從長(zhǎng)波不平順的測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀出發(fā)，介紹了基于0級(jí)軌道檢查儀以及相對(duì)測(cè)量直接調(diào)軌，并將其應(yīng)用于長(zhǎng)波整道。結(jié)論如下:

1)借助0級(jí)軌道檢查儀的“軌枕定位+長(zhǎng)波精測(cè)+圖上作業(yè)(圖上劃撬)”的功能組合，可以實(shí)現(xiàn)基于相對(duì)測(cè)量的直接調(diào)軌。在此基礎(chǔ)上，規(guī)范了調(diào)軌操作的工藝流程。

2)現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模試用證明，該方法測(cè)量效率高、環(huán)境適應(yīng)性好，適合于高速鐵路的經(jīng)常保養(yǎng)。

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