高速鐵路軌道超長波不平順的檢測

1、高速鐵路軌道超長波不平順的檢測白夢兆 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。 軌道不平順對高速行車安全、車輛振動、噪聲、輪軌作用力都有重要影響，是直接限制行車速度的主要因素。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 超長波不平順檢測。正文一、高速鐵路軌道不平順1、高速鐵路定義高速鐵路，簡稱“高鐵”，是指通過改造原有線路（直線化、軌距標(biāo)準(zhǔn)化），使?fàn)I運(yùn)速率達(dá)到每小時200公里以上，或者專門修建新的“高速新線”，使?fàn)I

2、運(yùn)速率達(dá)到每小時250公里以上的鐵路系統(tǒng)。高速鐵路除了在列車在營運(yùn)達(dá)到一定速度標(biāo)準(zhǔn)外，車輛、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其正常狀態(tài)的偏差。凡是直線軌道不平、不直，對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，通稱為軌不平順。2.1軌道不平順的分類軌道不平順對機(jī)車車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。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橫向截面上左右兩股鋼軌軌頂面高差的波動變化。扭曲不平順是指左右股鋼軌軌頂面相對于軌道標(biāo)準(zhǔn)平面的扭曲，用相隔一定距離（國際稱作用距離）的兩個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度方向上的長度較短范圍內(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、頭作用邊沿鋼軌長度方向的橫向凹凸不平順，相對于軌道中心線，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)車車輛系統(tǒng)性能的長度范圍內(nèi)，共同存在垂向和橫向軌道不平順，形成的雙向不平順；存在兩個以上垂向或橫向不平順，形成的單向的疊加不平順。對行車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。（由于列車蛇行運(yùn)動和動荷響應(yīng)，這里將列車在運(yùn)行過程中因空吊、暗坑等形成的動態(tài)水平，納入水平不平順進(jìn)行管理；將列車在運(yùn)行過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態(tài)軌距，納入軌距偏差進(jìn)行管理。）2.2軌道不平順波長特征軌道幾何不平順是隨機(jī)的，波長范圍較廣，不同的波長對列車的平穩(wěn)性的影響不同，可分為短波、中波和長波不平順。波長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2-4m的幅值在1mm左右的高低不平順，主要是因?yàn)榛ㄟ^程中，為提高軌控水平，在路基、道床未經(jīng)過穩(wěn)定壓實(shí)后實(shí)施跨無縫線路鋪設(shè)后鋼軌本身形成的塑性變形引起。這種結(jié)構(gòu)病害波形無法通過養(yǎng)修進(jìn)行修正，也無法通過鋼軌打磨進(jìn)行消除，只有通過大修給予改善。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30-150m范圍的軌道不平順為長波不平順，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)和橋梁動撓度等因素引起。三、軌道不平順對高速鐵路的影響1、不同不平順對行車的影響軌道不平順不僅幅值和波長的變化范圍大，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，產(chǎn)生很大的輪軌作用力。周期性成分可能引起機(jī)車車輛的諧振，而中、長波尤其是敏感波長成分常常是引起車體產(chǎn)生較大振動的重要原因。2、不平順幅值、波長、速度的相互影響波長與速度一定時，幅值越大，引起的車輛振動和輪軌作用力響應(yīng)越大； 幅值與速度一定時，波長越長，影響越小，非線性遞減，但敏感波長、周期性的諧振波長影響較大。幅值與波長一定時，速度越髙，影響越大，非線性遞增。3、高速軌道不平順與車

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，產(chǎn)生較大的輪軌作用力；小幅值不平順對車輛振動舒適性的影響增大；影響高速鐵路行車的軌道不平順波長范圍擴(kuò)大；激振頻率1Hz左右的具有諧振波長特征的軌道不平順影響顯著；高速鐵路容易產(chǎn)生的與車輛轉(zhuǎn)向架或車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范圍擴(kuò)大。高速鐵路有影響的軌道不平順波長范圍也隨之?dāng)U大。長波不平順對車體振動的影響變得不可忽視，因此必須監(jiān)控校正的波長范圍也大為增加；軌檢車可測波長范圍需增大；大型養(yǎng)路機(jī)具的基線長需加長；中跨橋的撓度需減小（剛度需增大）四、高速鐵路軌道超長波不平順檢測技術(shù)由于長波不平順對高

9、速鐵路運(yùn)行的影響很大，但目前對于軌道不平順長波檢測到超長波的檢測技術(shù)還很不完善，下面簡單介紹幾種國內(nèi)外軌道檢測設(shè)備概況1、軌道綜合檢測列車國外主要采用大型軌道檢測列車對鐵路軌道驚醒檢測。能在100km/h至300km/h的速度范圍內(nèi)對接觸網(wǎng)、通信信號、軌道進(jìn)行檢測，大多綜合運(yùn)用了加速度、激光陀螺儀、噪聲計、 攝像頭等測試裝置。日本在2000年研制出新一代新干線多功能檢測車 ,成為世界上第一個可以在 270 km/h 速度下進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)檢測的列車組。德國研制了 GeoRail-Xpress 綜合檢測車 ,能對線路上的可見和不可見部分進(jìn)行全數(shù)字化測量、 采集和分析 ,設(shè)計檢測速度為 100 km/

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

11、有多個公司生產(chǎn)出便攜式軌道平順檢測設(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軌道檢測儀等。這些檢測小車均可以同步檢測左右軌道的高低、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左右弦線為檢測基準(zhǔn) ,計算 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,無法測量波長較長的不平順。3、國外軌檢小車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 GEDO軌道測量系統(tǒng)。這兩種檢測小車原理一樣 ,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^全站儀測量三維絕對坐標(biāo) ,可以檢測短波和長波不平順。該設(shè)備在國外高速無砟鐵路施工中廣泛使用 ,但對于有砟線路與搗固車作業(yè)配合使用不多 ,設(shè)備較昂貴。4、EM-SAT 120軌道作業(yè)檢測車奧地利普拉塞公司生產(chǎn)的 EM-SAT 120 軌道作業(yè)檢測車 ,它利用激光基準(zhǔn)弦對線路實(shí)際幾何參數(shù)進(jìn)行測量。它可以較好的檢測線路長波不平順的問題。5、激光長弦檢測儀結(jié)合國內(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)了激光長弦檢測儀 ,它可以直接檢測線路的長波不平順 。它由激光發(fā)射小車和激光接收小車組成。在激光接收小車上有專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)射小車安裝了一臺激光發(fā)射器 ,能發(fā)射出一束直徑10 mm的激光束。在激光接收小車上安裝了一臺兩維 CCD 激光接收器。利用激光接收器直接測出軌道軸弦相對于基準(zhǔn)弦水平和豎直方向的偏差。6、基于慣性法的磁浮軌道長波平順檢測及其實(shí)現(xiàn)利用自動化測試系統(tǒng)是檢測軌道平順性的有效手段。提出了一種用于磁浮軌道長波不平順的慣性檢測方法,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;由速度信號控制加速度信號和間隙信號的等空間間隔采樣;并且設(shè)計了線性相位IIR移變?yōu)V波器來實(shí)現(xiàn)對長波不平順成分的提取。測試結(jié)果表明該檢測方法能實(shí)現(xiàn)磁浮軌道長波不平順準(zhǔn)確測量,檢測結(jié)果不受列車運(yùn)行速度變化的影響,可方便的提取特定波長范圍內(nèi)的軌道不平順成分,同時使用GPS能準(zhǔn)確可靠的實(shí)現(xiàn)梁跨范圍內(nèi)的定結(jié) 束 語隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高 ,對軌道的平順性提出了更高的要求 ,尤其是解決軌道的長波不平順成為當(dāng)前的一個技術(shù)難題。目前除了傳統(tǒng)的檢測方法，更多的運(yùn)用激光技術(shù)，GPS技術(shù)等高新技術(shù)，解決了軌道長波不平順的檢測，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，