高速鐵路軌道超長(zhǎng)波不平順的檢測(cè)

1、高速鐵路軌道超長(zhǎng)波不平順的檢測(cè)白夢(mèng)兆 北京交通大學(xué)土建學(xué)院 09232033摘要: 軌道變形分為彈性變形和永久變形，其表現(xiàn)為軌道不平順。 軌道不平順對(duì)高速行車(chē)安全、車(chē)輛振動(dòng)、噪聲、輪軌作用力都有重要影響，是直接限制行車(chē)速度的主要因素。實(shí)踐證明，只有高平順的軌道才能確保列車(chē)高速、安全、平穩(wěn)、舒適運(yùn)行品質(zhì) 。高速鐵路運(yùn)輸要求軌道有別于一般鐵路的主要特點(diǎn)：高平順性。關(guān)鍵詞:軌道不平順 高速鐵路 高平順性 超長(zhǎng)波不平順檢測(cè)。正文一、高速鐵路軌道不平順1、高速鐵路定義高速鐵路，簡(jiǎn)稱(chēng)“高鐵”，是指通過(guò)改造原有線路（直線化、軌距標(biāo)準(zhǔn)化），使?fàn)I運(yùn)速率達(dá)到每小時(shí)200公里以上，或者專(zhuān)門(mén)修建新的“高速新線”，使?fàn)I

2、運(yùn)速率達(dá)到每小時(shí)250公里以上的鐵路系統(tǒng)。高速鐵路除了在列車(chē)在營(yíng)運(yùn)達(dá)到一定速度標(biāo)準(zhǔn)外，車(chē)輛、路軌、操作都需要配合提升。2、軌道不平順軌道不平順是指軌道的幾何形狀、尺寸和空間位置相對(duì)其正常狀態(tài)的偏差。凡是直線軌道不平、不直，對(duì)軌道中心線位置和高度、寬度正確尺寸的偏差；曲線軌道不圓順，偏離正確的曲線中心線位置或正確的超高、軌距及順坡變化數(shù)值，通稱(chēng)為軌不平順。2.1軌道不平順的分類(lèi)軌道不平順對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛在空間三維方向上的激擾作用，可分為垂向、橫向和復(fù)合（垂向與橫向復(fù)合）不平順三類(lèi)。圖例 垂向、橫向軌道不平順示（1）垂向軌道不平順：高低不平順、水平不平順、扭曲不平順、軌面短波不平順、鋼軌軌身垂向周期性不

3、平順等。高度不平順是指軌道沿鋼軌長(zhǎng)度方向，在垂向上的凹凸不平。水平不平順是指軌道沿軌道各個(gè)橫向截面上左右兩股鋼軌軌頂面高差的波動(dòng)變化。扭曲不平順是指左右股鋼軌軌頂面相對(duì)于軌道標(biāo)準(zhǔn)平面的扭曲，用相隔一定距離（國(guó)際稱(chēng)作用距離）的兩個(gè)橫截面的水平幅值的代數(shù)差度量。軌面短波不平順是指鋼軌軌頂面沿長(zhǎng)度方向上的長(zhǎng)度較短范圍內(nèi)的不平順，包括軌面不均勻磨耗、波紋磨耗、擦傷、剝離掉塊、焊縫不平、接頭錯(cuò)牙等鋼軌表面不平順。鋼軌軌身垂向周期性不平順是指鋼軌在扎制校直過(guò)程中，由于扎錕等影響造成軌身垂向周期性的彎曲變形。（2）橫向軌道不平順：軌道方向不平順、軌距偏差、軌身橫向周期性不平順等。軌道方向（軌向）不平順是指軌

4、頭作用邊沿鋼軌長(zhǎng)度方向的橫向凹凸不平順，相對(duì)于軌道中心線，可分左股和右股鋼軌方向不平順。軌距偏差是指軌道同一橫截面，在軌頂面下16mm處，左右兩根鋼軌之間的最小內(nèi)側(cè)距離相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)軌距的偏差。鋼軌軌身橫向周期性不平順是指鋼軌在扎制校直過(guò)程中產(chǎn)生的軌身橫向周期性彎曲變形。（3）復(fù)合不平順復(fù)合不平順是指在軌道同一位置或在影響機(jī)車(chē)車(chē)輛系統(tǒng)性能的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，共同存在垂向和橫向軌道不平順，形成的雙向不平順；存在兩個(gè)以上垂向或橫向不平順，形成的單向的疊加不平順。對(duì)行車(chē)影響較大的主要有軌向與軌向逆相位復(fù)合不平順、軌向與水平的逆相位不平順、軌向與軌距的逆相位復(fù)合不平順、水平與軌距的逆相位復(fù)合不平順、高低與水平的

5、逆相位復(fù)合不平順、扭曲與水平的逆相位復(fù)合不平順。（由于列車(chē)蛇行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)荷響應(yīng)，這里將列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中因空吊、暗坑等形成的動(dòng)態(tài)水平，納入水平不平順進(jìn)行管理；將列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中因扣件離縫外擠、因調(diào)高墊片超墊產(chǎn)生鋼軌外翻等形成的動(dòng)態(tài)軌距，納入軌距偏差進(jìn)行管理。）2.2軌道不平順波長(zhǎng)特征軌道幾何不平順是隨機(jī)的，波長(zhǎng)范圍較廣，不同的波長(zhǎng)對(duì)列車(chē)的平穩(wěn)性的影響不同，可分為短波、中波和長(zhǎng)波不平順。波長(zhǎng)1m以下的軌面不平順為短波不平順，其幅值較小，多在0.1-2mm，主要為鋼軌波紋或波浪磨耗、焊縫平順度超標(biāo)、鋼軌不均勻磨耗、剝離掉塊和軌枕間距不量等因素產(chǎn)生。波長(zhǎng)1-30m范圍的軌道不平順為中波不平順，其幅值在1

6、-35mm不等，主要為鋼軌扎制過(guò)程中形成的周期性成分和波浪性磨耗、道床路基的殘余變形、道床密實(shí)度不均、各部件間隙不等、焊縫平順度不達(dá)標(biāo)、橋涵剛度變化等引起。目前滬昆線軌面形成的波長(zhǎng)2-4m的幅值在1mm左右的高低不平順，主要是因?yàn)榛ㄟ^(guò)程中，為提高軌控水平，在路基、道床未經(jīng)過(guò)穩(wěn)定壓實(shí)后實(shí)施跨無(wú)縫線路鋪設(shè)后鋼軌本身形成的塑性變形引起。這種結(jié)構(gòu)病害波形無(wú)法通過(guò)養(yǎng)修進(jìn)行修正，也無(wú)法通過(guò)鋼軌打磨進(jìn)行消除，只有通過(guò)大修給予改善。目前滬昆線存在高低、軌向、扭曲、水平、軌距等不平順，多為中波不平順。波長(zhǎng)30-150m范圍的軌道不平順為長(zhǎng)波不平順，其幅值在1-60mm不等，甚至更大，主要為路基工后不均沉降、路

7、基施工高程偏差、線路縱斷面不達(dá)標(biāo)和橋梁動(dòng)撓度等因素引起。三、軌道不平順對(duì)高速鐵路的影響1、不同不平順對(duì)行車(chē)的影響軌道不平順不僅幅值和波長(zhǎng)的變化范圍大，且其影響也各不相同。短波不平順可能引起簧下質(zhì)量與鋼軌間的沖擊振動(dòng)，產(chǎn)生很大的輪軌作用力。周期性成分可能引起機(jī)車(chē)車(chē)輛的諧振，而中、長(zhǎng)波尤其是敏感波長(zhǎng)成分常常是引起車(chē)體產(chǎn)生較大振動(dòng)的重要原因。2、不平順?lè)怠⒉ㄩL(zhǎng)、速度的相互影響波長(zhǎng)與速度一定時(shí)，幅值越大，引起的車(chē)輛振動(dòng)和輪軌作用力響應(yīng)越大； 幅值與速度一定時(shí)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，影響越小，非線性遞減，但敏感波長(zhǎng)、周期性的諧振波長(zhǎng)影響較大。幅值與波長(zhǎng)一定時(shí)，速度越髙，影響越大，非線性遞增。3、高速軌道不平順與車(chē)

8、輛相互作用特點(diǎn)幅值微小的軌面不平順也可能引起輪軌強(qiáng)烈地沖擊振動(dòng)，產(chǎn)生較大的輪軌作用力；小幅值不平順對(duì)車(chē)輛振動(dòng)舒適性的影響增大；影響高速鐵路行車(chē)的軌道不平順波長(zhǎng)范圍擴(kuò)大；激振頻率1Hz左右的具有諧振波長(zhǎng)特征的軌道不平順影響顯著；高速鐵路容易產(chǎn)生的與車(chē)輛轉(zhuǎn)向架或車(chē)體主振頻率相同的周期性軌道不平順應(yīng)高度重視。高速軌道不平順管理波長(zhǎng)范圍擴(kuò)大。高速鐵路有影響的軌道不平順波長(zhǎng)范圍也隨之?dāng)U大。長(zhǎng)波不平順對(duì)車(chē)體振動(dòng)的影響變得不可忽視，因此必須監(jiān)控校正的波長(zhǎng)范圍也大為增加；軌檢車(chē)可測(cè)波長(zhǎng)范圍需增大；大型養(yǎng)路機(jī)具的基線長(zhǎng)需加長(zhǎng)；中跨橋的撓度需減?。▌偠刃柙龃螅┧?、高速鐵路軌道超長(zhǎng)波不平順檢測(cè)技術(shù)由于長(zhǎng)波不平順對(duì)高

9、速鐵路運(yùn)行的影響很大，但目前對(duì)于軌道不平順長(zhǎng)波檢測(cè)到超長(zhǎng)波的檢測(cè)技術(shù)還很不完善，下面簡(jiǎn)單介紹幾種國(guó)內(nèi)外軌道檢測(cè)設(shè)備概況1、軌道綜合檢測(cè)列車(chē)國(guó)外主要采用大型軌道檢測(cè)列車(chē)對(duì)鐵路軌道驚醒檢測(cè)。能在100km/h至300km/h的速度范圍內(nèi)對(duì)接觸網(wǎng)、通信信號(hào)、軌道進(jìn)行檢測(cè)，大多綜合運(yùn)用了加速度、激光陀螺儀、噪聲計(jì)、 攝像頭等測(cè)試裝置。日本在2000年研制出新一代新干線多功能檢測(cè)車(chē) ,成為世界上第一個(gè)可以在 270 km/h 速度下進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)檢測(cè)的列車(chē)組。德國(guó)研制了 GeoRail-Xpress 綜合檢測(cè)車(chē) ,能對(duì)線路上的可見(jiàn)和不可見(jiàn)部分進(jìn)行全數(shù)字化測(cè)量、 采集和分析 ,設(shè)計(jì)檢測(cè)速度為 100 km/

10、h?？蛇M(jìn)行地震勘察、 隧道檢測(cè)、 線路和環(huán)境檢測(cè)、 軌道檢測(cè)、軌枕和無(wú)砟軌道檢測(cè)、 軌頭檢測(cè)和衛(wèi)星定位等。法國(guó)于2003年下半年開(kāi)始改裝TGV路網(wǎng)型列車(chē) ,改造為高速檢測(cè)列車(chē)(定名為MGV) 。MGV 能夠在 300 km/h 速度下對(duì)接觸網(wǎng)、 通信信號(hào)、 軌道等進(jìn)行檢測(cè)。我國(guó)1998年完成了 GJ-4型軌檢車(chē)的研發(fā) ,采用慣性基準(zhǔn)原理和非接觸測(cè)量方法 ,可以檢測(cè)的軌道幾何參數(shù)有高低、 軌向、 水平、 超高、 曲率、 扭曲等 ,最高檢測(cè)速度為160 km/h180 km/h。大型軌檢車(chē)運(yùn)行速度高 ,但制造和使用成本高 ,其檢測(cè)結(jié)果不便于指導(dǎo)施工作業(yè) ,不便于日常線路檢測(cè)。2 、國(guó)內(nèi)軌檢小車(chē)國(guó)內(nèi)

11、有多個(gè)公司生產(chǎn)出便攜式軌道平順檢測(cè)設(shè)備 ,最具代表性的是江西日月明公司的 GJY-H-5 軌道檢查儀、山東省激光科學(xué)院激光研究所研制的GJJ-3軌道檢測(cè)儀等。這些檢測(cè)小車(chē)均可以同步檢測(cè)左右軌道的高低、軌向、 正矢、 軌距、 水平、 三角坑、 軌距變化率和里程等參數(shù) ,其基本原理均是基于1 m左右弦線為檢測(cè)基準(zhǔn) ,計(jì)算 10 m弦正矢。但本文認(rèn)為這些設(shè)備都只能解決短波不平順,無(wú)法測(cè)量波長(zhǎng)較長(zhǎng)的不平順。3、國(guó)外軌檢小車(chē)比較著名的有瑞士安伯格公司生產(chǎn)的軌道檢查儀和德國(guó) GEDO軌道測(cè)量系統(tǒng)。這兩種檢測(cè)小車(chē)原理一樣 ,均與全站儀配合使用。其中安伯格公司與徠卡自動(dòng)跟蹤全站儀配合 ,而GEDO使用的是 T

12、rimble 公司的全站儀?？梢酝ㄟ^(guò)全站儀測(cè)量三維絕對(duì)坐標(biāo) ,可以檢測(cè)短波和長(zhǎng)波不平順。該設(shè)備在國(guó)外高速無(wú)砟鐵路施工中廣泛使用 ,但對(duì)于有砟線路與搗固車(chē)作業(yè)配合使用不多 ,設(shè)備較昂貴。4、EM-SAT 120軌道作業(yè)檢測(cè)車(chē)奧地利普拉塞公司生產(chǎn)的 EM-SAT 120 軌道作業(yè)檢測(cè)車(chē) ,它利用激光基準(zhǔn)弦對(duì)線路實(shí)際幾何參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。它可以較好的檢測(cè)線路長(zhǎng)波不平順的問(wèn)題。5、激光長(zhǎng)弦檢測(cè)儀結(jié)合國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀 ,鐵建所在多年使用激光準(zhǔn)直技術(shù)的基礎(chǔ)上自主研發(fā)了激光長(zhǎng)弦檢測(cè)儀 ,它可以直接檢測(cè)線路的長(zhǎng)波不平順 。它由激光發(fā)射小車(chē)和激光接收小車(chē)組成。在激光接收小車(chē)上有專(zhuān)用筆記本電腦配合軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和保存

13、 ,在激光發(fā)射小車(chē)安裝了一臺(tái)激光發(fā)射器 ,能發(fā)射出一束直徑10 mm的激光束。在激光接收小車(chē)上安裝了一臺(tái)兩維 CCD 激光接收器。利用激光接收器直接測(cè)出軌道軸弦相對(duì)于基準(zhǔn)弦水平和豎直方向的偏差。6、基于慣性法的磁浮軌道長(zhǎng)波平順檢測(cè)及其實(shí)現(xiàn)利用自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)是檢測(cè)軌道平順性的有效手段。提出了一種用于磁浮軌道長(zhǎng)波不平順的慣性檢測(cè)方法,結(jié)合GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)軌道的定位。配置相應(yīng)的檢測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)中利用多線程并行處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)GPS-OEM板數(shù)據(jù)和數(shù)采卡數(shù)據(jù)的同步記錄;由速度信號(hào)控制加速度信號(hào)和間隙信號(hào)的等空間間隔采樣;并且設(shè)計(jì)了線性相位IIR移變?yōu)V波器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)波不平順成分的提取。測(cè)試結(jié)果表明該檢測(cè)方法能實(shí)現(xiàn)磁浮軌道長(zhǎng)波不平順準(zhǔn)確測(cè)量,檢測(cè)結(jié)果不受列車(chē)運(yùn)行速度變化的影響,可方便的提取特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的軌道不平順成分,同時(shí)使用GPS能準(zhǔn)確可靠的實(shí)現(xiàn)梁跨范圍內(nèi)的定結(jié) 束 語(yǔ)隨著列車(chē)運(yùn)行速度的不斷提高 ,對(duì)軌道的平順性提出了更高的要求 ,尤其是解決軌道的長(zhǎng)波不平順成為當(dāng)前的一個(gè)技術(shù)難題。目前除了傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，更多的運(yùn)用激光技術(shù)，GPS技術(shù)等高新技術(shù)，解決了軌道長(zhǎng)波不平順的檢測(cè)，精度也達(dá)到一定要求，但仍有許多不完善的方面等待著解決。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，