铁路工务检测技术

主讲人：杨荣山电话：[phone]邮箱:[e-mail]西南交通大学主要内容轨道检测与评价管理轨道静态检测技术轨道几何状态动态检测技术钢轨内部伤损检测技术轨道连续弹性检测系统线路综合检测列车道岔监测系统无缝线路检测系统轨道结构参数及动力测试技术国外高速铁路工务检测技术SWJTU轨道研究室2020/2/1731轨道检测与评价管理工务检测的意义：1、工务检测是既有铁路线路质量状态评估并科学合理地制订维护计划的重要手段和基础；2、工务检测能为新建线路设计、线路病害原因分析及维护标准制订等提供重要的实测数据。SWJTU轨道研究室2020/2/1741轨道检测与评价管理1.1工务检测分类从检测内容划分：设备状态检测、轨道几何形位检测、行车平稳性检测；从检测方式划分：手工静态检测、检测车动态检测。1.1.1工务设备状态检测钢轨状态检查钢轨状态主要包括轨头磨耗、钢轨波磨、接头不平顺以及钢轨内部核伤和裂纹等，分别采用测磨仪或轨头轮廓仪、波磨检测装置或波磨检测车及钢轨探伤车等检查设备进行检查。轨枕状态检查轨枕状态检查的主要内容为：轨枕顶面螺栓孔附近或两螺栓孔间的纵向裂纹、轨枕顶面螺栓孔附近横向裂纹、轨枕中部顶面横向和侧面垂直裂纹、轨枕挡肩处水平裂纹及挡肩损坏、空吊枕等。SWJTU轨道研究室2020/2/1751轨道检测与评价管理道床状态检查有砟轨道道床状态包括道床断面尺寸、道床脏污和板结程度等。无砟轨道道床状态检查：道床裂缝，层间连接，整体位移其他轨道状态检查其他轨道状态检查有轨道弹性连续检测、无缝线路状态检测与监测，道岔状态检测与监测和巡道车。SWJTU轨道研究室2020/2/1761轨道检测与评价管理1.1.2轨道几何尺寸检测轨道几何尺寸静态检测静态检测利用万能道尺、弦绳及板尺等检测工具沿线路逐点进行，包括线路几何尺寸和道岔几何尺寸。轨道几何尺寸动态检查轨道几何尺寸动态检查的主要设备是轨道检查车，检查结果为轨道动态几何尺寸误差、走行部振动情况和行车平稳性情况。SWJTU轨道研究室2020/2/1771轨道检测与评价管理1.1.3行车平稳性检测除轨检车上车体加速度可反映行车平稳性外，工务段或路局管理人员或技术人员还要定期添乘列车，携带添乘仪对行车平稳性进行检查。添乘仪通常是振动加速度测量仪。当添乘仪测得的振动加速度超过限值时，会自动发出警报声，添乘人员则随时记录警报发出时的线路位置，并通知相关工务段或工区寻找晃车原因，并加以整治。1.1.4轨道状态及行车平稳性的其他检查装备（1）综合检查车一般将线路、车辆、供电、信号等专业的检查集中起来，称为综合检测车。（2）轨道确认车轨道确认车具备部分轨道检查车和巡道车的功能。（3）车载线路动态检测装置其包括主要的轨道检查车的功能。SWJTU轨道研究室2020/2/1782轨道静态检查技术轨道静态检查指在没有列车荷载作用时，利用道尺、弦线、以及轻型线路检查仪等检测工具或设备对线路进行的检查。检查内容主要包括轨距、水平、高低、方向等轨道几何尺寸以及空吊板、钢轨接头、防爬设备、联结零件、轨枕及道口等设备状态。2.1轨道几何状态静态检查设备常用的轨道几何状态静态检查设备包括道尺、弦线、高度板和木折尺，以及近些年研发的数字道尺和线路检查仪等。道尺道尺（轨距尺）是检测铁路轨道轨距、水平、超高的主要测量工具。SWJTU轨道研究室2020/2/1792轨道静态检查技术行走数字道尺数字道尺SWJTU轨道研究室2020/2/17102轨道静态检查技术线路检查仪(轨检小车)线路检查仪是用于测量轨道静态几何参数的小型推车。Amberg线路检查仪GRP5000Amberg线路检查仪（GRPSystemFX）线路检查仪可以测量轨道的几何尺寸及三维绝对坐标，自动测量轨距、水平（三角坑）、高低和轨道360度横断面。SWJTU轨道研究室2020/2/17112轨道静态检查技术我国目前使用的线路检查仪主要有：GJY-I-1、GJY-H-1、GJY-H-2、GJY-H-3、GJY-H-4、GJY-T-LX和GJY-T-4等类型。GJY-T-4型线路检查仪（如下图）自带的微型计算机系统用于记录并分析检测数据，同时将测量结果显示在液晶显示屏上，并可进行人机对话，用于记录线路的百米标、道口、站台、扣件螺栓脱落、断轨、磨耗等钢轨伤损信息。GJY-T-4型轨道检查仪SWJTU轨道研究室2020/2/17122轨道静态检查技术2.2钢轨表面伤损状态静态检查设备钢轨的主要伤损状态包括轨头侧磨、轨头垂直磨耗、钢轨波磨、轨头表面擦伤和剥离、轨头肥边、钢轨本身及接头或焊缝不平顺等。目前钢轨表面伤损检测的主要仪器包括钢轨磨耗检测装置、钢轨波磨检测仪或波磨检测车。2.2.1钢轨侧磨和垂磨检测设备机械接触式钢轨测磨仪钢轨断面针式测磨仪游标式钢轨磨耗测量仪SWJTU轨道研究室2020/2/17132轨道静态检查技术SWJTU轨道研究室2020/2/17142轨道静态检查技术光学系统非接触式钢轨侧磨仪非接触磨耗检测系统基于激光三角测量原理，采用光取断面技术实现对钢轨磨耗的非接触测量。其测试原理如图所示：测量原理非接触式钢轨断面测量仪与测量结果SWJTU轨道研究室2020/2/17152轨道静态检查技术钢轨平顺性及波磨检测设备对钢轨波磨等不平顺，以往通常采用基尺和塞尺进行测量。钢轨平直度测量仪（如图所示）是目前使用的较为精确的静态测量钢轨平顺性及波磨检测设备。钢轨平直度测量仪SWJTU轨道研究室2020/2/17162轨道静态检查技术激光轨道高低和方向检测设备XJY-100线路激光测量仪由发射装置、接收装置和数据采集及处理系统组成。其中发射装置由激光源、机架、二维调整机构和瞄准器组成；接收装置由机架、二维光电测量靶组成。XJY-100线路激光测量仪SWJTU轨道研究室2020/2/17172轨道静态检查技术轨枕状态检测设备钢筋混凝土轨枕在使用中会常发生裂纹、掉块及挡肩破损等病害，影响线路质量，严重时危及行车安全，有必要加强对轨枕状态的检查。Bvsys轨枕表面检测系统Bvsys轨枕表面检测系统，系统可安装在列车或轨检设备车上，系统配备有2台象素为0.4x0.5mm的摄象机，其图象分析系统可提供混凝土轨枕和道床表面的状态，及早发现混凝土枕表面裂纹和掉块等病害。SWJTU轨道研究室2020/2/17182轨道静态检查技术道床状态检测设备探地雷达系统Ground-Penetrating-Radar(GPR)在铁路检测的应用较广泛，可用于检测路基、桥梁以及隧道结构等，下图为GPR探测道床状态设备，可检测道床的赃污板结情况、厚度及其变化、内部积水状态以及埋藏设备等信息。GPR探测道床状态设备SWJTU轨道研究室2020/2/17193轨道几何状态动态检测技术轨道几何状态动态检测的设备主要是轨检车。我国XGJ-1准高速（140~160km/h)轨检车可检测13项内容：左右轨的前后高低、左右轨的轨向、水平、左右轨的不平顺、曲线外轨超高、曲线半径、轨距、线路扭曲、车体水平和垂直振动加速度、左右轴箱垂直振动加速度等。除检测轨道几何形位外，还可以从轮轨相互作用和行车平稳性等方面对轨道状态作出综合评价。SWJTU轨道研究室2020/2/17203轨道几何状态动态检测技术3.2轨道几何状态动态检测技术及发展3.2.1GJ-4型轨检车GJ-4轨道检测车外观SWJTU轨道研究室2020/2/17213轨道几何状态动态检测技术一、GJ-4轨检车检测系统GJ-4型轨检车检测系统，采用了先进的模拟－数字混合处理系统，系统框图如下图所示。BVA——车体垂直振动加速度传感器；BLA——车体水平振动加速度传感器；LJBA——左轴箱振动加速度传感器；RJBA——右轴箱振动加速度传感器；CAS——陀螺平台；ROLL——滚动速率陀螺；YAW——摇头速率陀螺；INCL——倾角计；DT1——车辆一位转向架构架与车体间位移计；DT2——车辆二位转向架构架与车体心盘间前位移计；DT3——车辆三位转向架构架与车体心盘间后位移计；LPDT——测量轴左侧轴箱与车体间垂向位移的位移计；LACC——LPDT车体固定端上方安装的垂向加速度计；RPDT——测量轴右侧轴箱与车体间垂向位移的位移计；RACC——RPDT车体固定端上方安装的加速度计；ALGN——轨距测量梁中央部位安装的轨向测量加速度计；ALD——地面标志测量传感器；TACH/R——右光电编码器；TACH/L——左光电编码器；LKAM——左轨距光电传感器；LGDT——左轨距位移计；RKAM——右轨距光电传感器；RGDT——右轨距位移计；SWJTU轨道研究室2020/2/17223轨道几何状态动态检测技术二、测量原理（1）轨距如下图所示，轨距测量装置由原理和结构完全相同的左右两个子装置组成，它们各自测量左轨和右轨的轨距变化分量，两个轨距分量之和可得到轨距值。SWJTU轨道研究室2020/2/17233轨道几何状态动态检测技术（2）曲率曲率定义为一定弦长的曲线轨道(如30m)对应之圆心角θ(度/30m)。测量曲率的传感器分布如下图。摇头速率陀螺YAW测量车体摇头角速率；位移计DT1测量车体一位端的心盘处与一位转向架构架间的相对位移；位移计DT2、DT3测量车体二位端心盘前后两侧与二位转向架构架之间的相对位移；光电编码器TACH提供速度距离信息。测量曲率的传感器分布SWJTU轨道研究室2020/2/17243轨道几何状态动态检测技术曲率测量的信号流程如下图。摇头速率陀螺输出信号经B(s)一阶模拟滤波处理后，进入计算机，再进行数字处理。C(z)为一阶数字滤波器。C(z)的输出，是单位采样距离对应的车体方向角/x曲率测量的信号流程SWJTU轨道研究室2020/2/17253轨道几何状态动态检测技术（3）水平（超高）水平定义为同一轨道断面两轨顶之高差。曲线上的水平称为超高。测量水平的传感器分布如下图。左图为测量水平的传感器分布图，图中倾角计INCL和滚动陀螺ROLL用于测量车体的滚动角，位移计LPDT和RPDT用于测量车体与轮轴间的相对夹角。车体滚动角和车体与轮轴夹角相结合，计算出轨道倾角，由轨道倾角和两轨中心线间距离(1500mm)计算出水平值。SWJTU轨道研究室2020/2/17263轨道几何状态动态检测技术（4）高低高低指钢轨顶面纵向起伏变化。高低采用惯性基准原理测量，得到高低变化的空间曲线，同时可换算成弦测值。惯性基准原理如下图所示。SWJTU轨道研究室2020/2/17273轨道几何状态动态检测技术M为车体质量，K、C分别表示其弹簧和阻尼。位移计LPDT(RPDT)测量车体与轮轴的相对位移W，加速度计A输出值a的二次积分为车体相对惯性基准的位移Z。图中加速度计A即为前述LACC(RACC)。轨道高低不平顺值Y的计算式为：Ｙ——轨道高低不平顺；Ｚ——车体相对于惯性基准的位移；Ｗ——车体与轮轴间的位移；Ｒ——车轮半径。因车轮半径R为常量，上式可写为：Y=Z-W-R式中：Y=Z-W=adtdt-W式中，a——加速度计输出的加速度值。SWJTU轨道研究室2020/2/17283轨道几何状态动态检测技术（5）方向（轨向）方向指钢轨内侧面轨距点沿轨道纵向水平位置的变化。方向的测量采用惯性方法。方向测量的算式如下式：LXLRXRDY=Y(x)+2DY=Y(x)--2SS左方向：右方向：LRY(x)D,SS—线路中心线的位置—两马达间的距离—左右轨距分量SWJTU轨道研究室2020/2/17293轨道几何状态动态检测技术（6）扭曲（三角坑）扭曲反映了轨顶的平面性。如下图，若轨顶abcd四点不在一个平面上，c点到abd三点组成平面的垂直距离h为扭曲。扭曲会使车辆产生三点支持一点悬空，极易造成脱轨掉道，特别是当列车从圆曲线向缓和曲线运行时。扭曲的测量原理图SWJTU轨道研究室2020/2/17303轨道几何状态动态检测技术扭曲h计算公式为：12h()()abcdhh11hLhh—轨道断面的水平值—轨道