趙旭江/蘭州鐵路局工務(wù)處

軌道幾何動(dòng)態(tài)檢測(cè)項(xiàng)目及病害成因分析

趙旭江/蘭州鐵路局工務(wù)處

近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展以及鐵路精細(xì)化管理的推行，對(duì)鐵路線路的質(zhì)量提出了更高的要求。因此，加強(qiáng)軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)力度，提高軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，及時(shí)掌握軌道質(zhì)量狀態(tài)，正確指導(dǎo)線路養(yǎng)護(hù)維修，確保鐵路運(yùn)輸安全，提升鐵路服務(wù)質(zhì)量已成為鐵路工務(wù)工作的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作。本文通過對(duì)GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)和波形圖的介紹，結(jié)合蘭州鐵路局WX999335號(hào)軌道檢查車的運(yùn)用情況，從軌道幾何動(dòng)態(tài)檢測(cè)項(xiàng)目入手，淺析了鐵路線路病害的主要形成因素及消除方法，對(duì)提高軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，指導(dǎo)一線對(duì)鐵路線路進(jìn)行科學(xué)合理地養(yǎng)護(hù)維修具有積極作用。

軌道；動(dòng)態(tài)檢測(cè)；波形圖

1.軌道幾何動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量原理

GJ-6型軌道幾何測(cè)量系統(tǒng)使用激光攝像組件測(cè)量鋼軌相對(duì)于檢測(cè)梁的縱橫向位移，使用位移計(jì)、陀螺、加速度計(jì)等多種傳感器測(cè)量檢測(cè)梁及車體的姿態(tài)變化，將需要檢測(cè)的位移、速度、加速度等物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電模擬信號(hào)，通過信號(hào)轉(zhuǎn)接及監(jiān)視單元輸入到信號(hào)處理單元。信號(hào)處理單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理后，再經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)接及監(jiān)視單元輸入到數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，并進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、濾波、修正和補(bǔ)償處理，最后經(jīng)過綜合運(yùn)算、得到所需要的軌道幾何參數(shù)，在Waver機(jī)上實(shí)時(shí)顯示軌道幾何波形圖。另外，軌道幾何狀態(tài)參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)，將軌道幾何參數(shù)和超限數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)顯示軌道幾何波形，或顯示超限數(shù)據(jù)并可對(duì)超限數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，形成檢測(cè)報(bào)表，軌道幾何參數(shù)波形圖和檢測(cè)報(bào)表可由網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)隨時(shí)打印。

2.軌道幾何動(dòng)態(tài)檢測(cè)波形圖

GJ-6型軌道幾何測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果可通過Waver軟件顯示，該軟件以波形曲線的形式實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，即通常所說(shuō)的“波形圖”。波形圖可以通過不同的通道實(shí)時(shí)顯示不同的測(cè)量項(xiàng)目和參數(shù)，并可以自定義顯示比例和顯示顏色。歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)也可以在實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)上重疊顯示，以對(duì)同一線路不同檢測(cè)時(shí)間的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，觀察線路病害的整治或發(fā)展情況，可作為現(xiàn)場(chǎng)查找病害的依據(jù)。

3.軌道幾何動(dòng)態(tài)檢測(cè)項(xiàng)目及病害成因分析

軌道的實(shí)際幾何測(cè)量項(xiàng)目有軌距、軌向、水平、高低和三角坑，其中高低分左高低和右高低，軌向分左軌向和右軌向。同時(shí)，系統(tǒng)還可以記錄行車速度、里程、地面標(biāo)志等信息。在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的過程中，軌道幾何測(cè)量系統(tǒng)對(duì)軌道檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，并根據(jù)軌道動(dòng)態(tài)管理標(biāo)準(zhǔn)判斷出軌道幾何檢測(cè)項(xiàng)目的超限值，即線路病害。每公里扣分可通過超限編輯界面的小窗口顯示，每處Ⅰ級(jí)超限扣1分，每處Ⅱ級(jí)超限扣5分，每處Ⅲ級(jí)超限扣100分，每處Ⅳ級(jí)超限扣301分。每公里扣分為各級(jí)、各項(xiàng)偏差扣分總和。公里扣分在50分及以內(nèi)為優(yōu)良，扣分51～300為合格，扣分300分以上為失格。

3.1 軌距

軌距是鋼軌頭部踏面下16mm范圍內(nèi)兩股鋼軌工作邊之間的最小距離。軌距的靜態(tài)測(cè)量比較直觀，利用道尺就可以逐點(diǎn)測(cè)量，但測(cè)量效率低，且是軌道在空載情況下的測(cè)量結(jié)果。GJ-6型軌距測(cè)量系統(tǒng)是由激光攝像組件（激光器、攝像機(jī)、溫控系統(tǒng)、光學(xué)部件等）建立如圖1所示的坐標(biāo)系，進(jìn)而推導(dǎo)出鋼軌輪廓上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)(x，y)與其在圖像中的像點(diǎn)坐標(biāo)(u，v)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即

a1．a(chǎn)2，a3，b1,b2，b3，c1，c2為視覺測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)，通過標(biāo)定獲取。

圖1 軌距測(cè)量原理圖

通過對(duì)視覺圖像處理可得到鋼軌輪廓，進(jìn)而可以得到鋼軌相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)系的橫向、垂向位移，由兩根鋼軌的橫向位移合成軌距。橫向位移和垂向位移分別是測(cè)量軌向和高低的重要分量，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和軌距標(biāo)定的準(zhǔn)確度及系統(tǒng)的精度有關(guān)。

軌距病害主要出現(xiàn)在曲線區(qū)段鋼軌側(cè)磨后的大軌距（尤其是小半徑曲線區(qū)段）和道岔區(qū)轉(zhuǎn)折部位的小軌距。圖2為2017年1月12日蘭州鐵路局WX999335號(hào)軌檢車動(dòng)態(tài)檢測(cè)蘭新線下行時(shí)K936道岔區(qū)的小軌距病害。曲線的鋼軌側(cè)磨可以通過調(diào)整合理的曲線超高、鋼軌側(cè)面涂油來(lái)減少。道岔區(qū)轉(zhuǎn)折部位的小軌距主要是轉(zhuǎn)折部位的拉桿距離偏小造成的。拉桿受氣溫變化而熱脹冷縮，造成拉桿長(zhǎng)短變化。所以，冬季道岔區(qū)轉(zhuǎn)折部位的小軌距病害較多，調(diào)整拉桿距離可以調(diào)整軌距大小。

圖2 道岔區(qū)小軌距病害

3.2 三角坑

三角坑和水平是與高低相關(guān)聯(lián)的病害，病害數(shù)值較大時(shí)往往同時(shí)出現(xiàn)。道岔、道口、曲線和線橋結(jié)合部是水平和三角坑病害容易產(chǎn)生的地方。圖3為2017年1月12日蘭州鐵路局WX999335號(hào)軌檢車動(dòng)態(tài)檢測(cè)蘭新線下行時(shí)K936道岔區(qū)的三角坑病害。此處由于鋼軌垂磨加空吊造成高低超限，并伴隨形成水平和三角坑病害。消除了高低病害，也就消除了水平和三角坑病害。軌枕空吊一般采取搗固道砟來(lái)消除，必要時(shí)可采取道砟清篩處理。岔心垂磨較大的可采取焊補(bǔ)處理，磨耗嚴(yán)重時(shí)必須更新。普通道岔岔心部位存在有害空間，輪軌作用時(shí)為非連續(xù)性的滾動(dòng)，車輛通過時(shí)車輪對(duì)岔心部位產(chǎn)生沖擊作用，加大了岔心磨耗（尤其是垂向磨耗），加上岔心部位的共用性承載頻率高，因此容易造成岔心部位的空吊現(xiàn)象，形成單股鋼軌高低病害，如不及時(shí)消除，將加劇岔心磨耗和空吊程度。

圖3 道岔區(qū)三角坑病害

3.3 軌向

軌向是在鋼軌內(nèi)側(cè)，軌距點(diǎn)沿軌道延長(zhǎng)方向的橫向凹凸不平順，由激光攝像組件及慣性組件的輸出計(jì)算測(cè)得，軌向的濾波原理與高低相同。軌向病害的形成因素很多，尤其在線路曲線區(qū)段的直緩點(diǎn)、緩圓點(diǎn)、圓緩點(diǎn)、緩直點(diǎn)易形成軌向病害，在道岔區(qū)段也容易出現(xiàn)軌向病害。在曲線區(qū)段，由于輪軌的作用力變化較大，易產(chǎn)生曲線橫向滑移和鋼軌側(cè)磨，從而形成軌向病害。在道岔區(qū)段，特別是普通道岔的岔心部位和轉(zhuǎn)折部位，因軌距的變化易形成軌向病害。圖4為道岔區(qū)的軌向病害。

圖4 道岔區(qū)軌向病害

3.4 高低

高低是鋼軌頂面沿軌道延長(zhǎng)方向的垂向凹凸不平順，由垂向加速度計(jì)、垂向位移和滾動(dòng)速率陀螺儀來(lái)測(cè)得。垂向加速度計(jì)和滾動(dòng)陀螺測(cè)量車體和鋼軌水平(垂向光點(diǎn))之間的關(guān)系。高低和軌向測(cè)量采用慣性基準(zhǔn)法，檢測(cè)原理相同。以高低為例，主要傳感器為加速度計(jì)，其信號(hào)經(jīng)二階模擬濾波器濾波，計(jì)算機(jī)采樣后經(jīng)解偏濾波器解偏消除低頻分量，再由數(shù)字濾波器處理后輸出為高低短弦中支距(SMCO)值。由于其值受到了車體滾動(dòng)、搖頭、離心及重力加速度的影響，因此由水平、曲率測(cè)量系統(tǒng)中提供的信息進(jìn)行修正或補(bǔ)償。修正后的加速度SMCO信號(hào)經(jīng)處理得到位移SMCO信號(hào)，再與視覺測(cè)量法測(cè)得的位移信號(hào)一起計(jì)算出的相應(yīng)SMCO信號(hào)結(jié)合，分別得到左、右軌的高低信號(hào)。

高低病害主要出現(xiàn)在線橋結(jié)合部、曲線、道岔的岔心位置和道口位置。線橋結(jié)合部由于路基的結(jié)構(gòu)不同造成地面的沉降不同，從而形成高低病害。曲線區(qū)段由于軌道的承載力不均勻容易形成高低病害。道岔區(qū)段的岔心部位由于承載力比較集中，磨耗大且形成沖擊載荷，容易形成岔心處的鋼軌空吊，從而造成單股鋼軌高低病害，并伴隨出現(xiàn)水平和三角坑病害。

3.5 水平（超高）

超高是軌道同一橫截面上左右軌頂面相對(duì)所在水平面的高度差。水平是軌道同一橫截面上左右軌頂面相對(duì)所在水平面的高度差，但不含曲線上按規(guī)定設(shè)置的超高值及超高順坡量，由慣性組件的輸出量或CAS及位移傳感器的輸出量計(jì)算測(cè)得。GJ-6型軌道幾何測(cè)量系統(tǒng)采用加速度自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)測(cè)量水平和超高，測(cè)量傳感器主要有傾角計(jì)和滾動(dòng)陀螺，用于測(cè)量車體的滾動(dòng)角。安裝在檢測(cè)粱上的慣性組件用于測(cè)量檢測(cè)梁的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。另有檢測(cè)梁相對(duì)于鋼軌位置的激光攝像組件和測(cè)量車體相對(duì)于構(gòu)架位置變化的光電位移傳感器，可以測(cè)量車體、構(gòu)架、軌道相對(duì)位置的變化。車輛運(yùn)行過程中，測(cè)量車體、檢測(cè)梁姿態(tài)時(shí)，考慮了離心加速度、搖頭加速度、滾動(dòng)加速度、橫向水平位移產(chǎn)生的加速度等因素的修正補(bǔ)償，保證了測(cè)量精度。

4.軌道不平順管理標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)軌道不平順管理標(biāo)準(zhǔn)分為五級(jí)：I級(jí)（日常保養(yǎng)） 、II級(jí)（舒適度）、III級(jí)（緊急補(bǔ)修） 、IV級(jí)（限速）、作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)營(yíng)維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)軌道不平順超限共分四級(jí)。區(qū)段評(píng)價(jià)采用區(qū)段軌道不平順偏差等級(jí)及個(gè)數(shù)、區(qū)段平均扣分、百公里偏差個(gè)數(shù)、優(yōu)良公里百分比等評(píng)定方法。我國(guó)軌道質(zhì)量指數(shù)管理值如下表。

我國(guó)軌道質(zhì)量指數(shù)管理值

5.結(jié)束語(yǔ)

軌道幾何動(dòng)態(tài)測(cè)量是指導(dǎo)線路養(yǎng)護(hù)維修的重要依據(jù)，是新線調(diào)試、驗(yàn)收的主要手段，是高速鐵路管理的重要組成部分。做好軌道幾何動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)和波形圖分析，及時(shí)消除線路病害，能有效提高鐵路線路設(shè)備質(zhì)量，切實(shí)保障鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩⒏咚?、平穩(wěn)和舒適性。

[1]《鐵路線路修理規(guī)則》 北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.

[2]魏世斌，李穎，趙延峰，陳春雷． GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制．鐵道建筑，2012(02):97-04．

[3]吳興華.軌道幾何動(dòng)態(tài)測(cè)量性能參數(shù)分析.上海鐵道科技，2011(03): 51-52．

[4]龍科.軌道檢查車檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效利用.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2013(07) : 16-20．

[5]魏世斌,劉伶萍,趙延峰.GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制.鐵道建筑,2011(11)：98-101.

趙旭江（1981-），男，工程師，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)從事鐵路線路檢測(cè)工作。