轨道动态检测

武汉铁路局轨道动态检测讲座讲演人：徐国明2009年10月一.轨道不平顺及对动态检测的要求轨道不平顺是指轨道的几何形状、尺寸和空间位置相对其正常状态的偏差。凡是直线轨道不平、不直，对轨道中心线位置和高度、宽度正确尺寸的偏差；曲线轨道不圆顺，偏离正确的曲线中心线位置或正确的超高、轨距及顺坡变化数值，通称轨道不平顺。轨道不平顺根据对机车车辆激扰作用的方向，可分为垂向、横向和垂向、横向复合（简称复合）三类。（一）轨道不平顺波长特征轨道不平顺包含许多不同的波长成分，波长范围很宽，0.01～200m波长的不平顺均常见。波长1m以下的轨面短波不平顺幅值很小，多在0.1～2m，主要是由钢轨接头焊缝、不均匀磨耗、轨头擦伤、剥离掉块、波浪和波纹磨耗以及轨枕间距等因素形成。波长1m～3.5m范围的波长成分，主要是钢轨在轧制过程中形成的周期性成分和波浪形磨耗。波长在3～30m波段主要由道床路基的残余变形不均匀，道床弹性、密实度不均，各部件间隙不等，接头或焊头形成的以轨长为基波的复杂周期波成分，以及桥涵、道口等轨道刚度变化和中、小跨度桥梁的动扰度、折角等形成。30~150m的波段多由路基工后沉降不均、路基施工的高程偏差、跨度较大的桥梁动扰度等构成。更长的长波多为地形起伏、线路坡度变化形成。所以，按轨道不平顺的波长特征，可分为短波、中波、长波不平顺三种；又可分为周期性和非周期性两种波长3～30m波长非周期性、高低、轨向、三角坑、水平、轨距等不平顺的波长多在这一范围内。（二）.各种不平顺对行车安全的影响高低不平顺：严重的高低不平顺将引起车辆剧烈地点头和浮沉振动，会使车轮大幅度减载，甚至悬浮，在曲线或方向不良区段运行时，高低不平顺引起的车轮悬浮可能导致脱轨。如果严重减载的车轮上同时又有很大的侧向力作用，脱轨可能性更大。水平不平顺：水平不平顺，使车辆产生侧滚振动，导致一侧车轮增载，一侧减载。扭曲不平顺（三角坑）：扭曲不平顺，即我们常说的三角坑，将使转向架出现三轮支承一轮减载甚至悬浮的危险情况，欧洲和我国刚度较大的货车在曲线圆缓点去的脱轨事故大多与轨道扭曲不平顺有关。无论曲线和直线上严重的局部扭曲不平顺都可能引起车辆剧烈的侧滚和侧摆振动，导致脱轨。方向不平顺：严重的方向不平顺引起的过大的车轮侧向力和车轴侧向力，可能使轨枕、扣件不良地段的钢轨倾翻或轨排横移，造成列车脱轨。过大的侧向力也往往使脱轨系数增大，引起车轮爬轨掉道。连续的方向水平逆向复合不平顺：连续的方向水平逆向复合不平顺，对行车安全的威胁最大，根据日本的研究，是造成日本货车脱轨的主要原因之一，对方向水平复合不平顺严格管理以后，日本的货车脱轨事故便大幅度减少。轨距不平顺：轨距偏差过大，会出现车轮掉道或卡轨。我国和部分国家的传统观念认为即使轨距尚未扩大到会使车轮掉道的程度，如果车辆锥行踏面的大坡度段（1：10）已进入轨顶内侧圆弧以内，仍应避免。这是因为斜度较大的车轮踏面将使钢轨遭受额外增加的水平推力。曲线头尾的几何偏差：曲线头尾的几何偏差，往往是列车曲线脱轨的重要原因，这种几何偏差，实质上是一种轨道超高和曲率不匹配的复合不平顺，当然也会影响列车安全。二.轨检车动态检查目前世界各国用来测量高低、轨向不平顺的方法可归纳为弦测法和惯性基准法两大类目前国内外的轻型轨检小车大都采用弦测法中的三点中弦法我局轨检车采用的是惯性基准法测量轨道不平顺目前，我局共有轨道检查车2辆：WX999249、WX999290；检测设备从美国Imagemap公司进口，采用线型激光光源、摄像机、图像处理系统，通过对钢轨断面轮廓图像的测量获得轨距、轨向等测量值，是继Ⅲ型、Ⅳ型车以来，第一次采用的基于网络平台的非接触式测量系统。（一）.轨检车的车体和检测设备的基本机构1．车上大致情况WX999249、WX999290轨道检查车车体均由南京浦镇厂生产的25T型车体，车上包括会议室、仪表室、休息室、厨房、卫生间，有集便器、冰箱、洗衣机、微波炉等生活设备。2．检测设备基本结构轨道检查系统即Laserail断面和几何测量系统（LPGMS），能实时提供钢轨断面和轨道几何精确和可靠的测量，主要包括如下3个主要部分：·非接触测量总成；·VME计算机系统；·通用几何Windows软件。VME计算机系统安装在轨检车里，非接触测量总成安装在与转向架相连的测量梁中。测量梁中传感器数据经过数字化后发送到VME计算机的几何CPU，然后进行合成和滤波处理，得到轨道几何数据，在检查车里的工作站上运行通用几何软件，可以实时显示轨道几何波形、进行超限判断、数据库存储、超限编辑和报表打印等。非接触测量总成安装在检查车底下，如图所示为实物图，检测设备摄像机组配置使用10个摄像机和4个激光器用于钢轨断面的非接触测量，摄像机和激光器被固定安装在车底下的封闭梁里。钢轨内、外两侧激光器发出一扇形光带，垂直照射在钢轨上，在钢轨上形成一垂直断面；同时，断面和轨距摄像机捕捉到激光线的图像，视频图像输出到VMEbus计算机系统，经数字化后，拟合成完整的钢轨断面图像，通过坐标变换、合成和滤波处理等，得到轨道几何数据和钢轨断面磨耗等。惯性测量包安装在激光器/摄像机梁的中部，惯性测量包测量车辆转向架的横向和垂向加速度以及滚动和摇头速率等。GJ-5型轨检车可测项目：轨距、左右轨向（空间曲线或可变换成多种弦测值）、左右高低（空间曲线或可变换成多种弦测值）、水平（超高）、三角坑、曲率（弧度或半径）、车体加速度、轨底坡（可选项）、钢轨断面（可选项）等。检测项目精度范围轨距±0.8mm1420~1480mm轨向（左右，波长≤30m）±1.0mm±100mm轨向（左右，波长≤50m）±2.0mm±100mm高低（左右，波长≤30m）±1.0mm±100mm高低（左右，波长≤50m）±2.0mm±100mm水平±1.5mm±50mm超高±1.5mm±220mm三角坑±1.5mm±100mm曲率1.2X10-4m-1车体加速度±0.01g±1g轨底坡±0.25deg钢轨断面（左右轨）±0.5mm技术标准：（二）.Ⅴ型车检测原理该轨检车采用梁结构方式的惯性测量及摄像式的图像测量原理，即惯性基准与测量基准被安装在同一刚体内。任何几何量测量系统的基础都是对坐标系的明确定义，以及在这个坐标系下的各种变换和各被测量之间的关系。如下图为坐标系的几何定义：如图所示：图中采用右手坐标系，各参数定义如下；x轴指向页面的里面为正，表示车体的行进方向；y轴指向向右的水平方向为正；z轴指向向下的垂直方向为正；角j表示航向偏角，正值为由x轴方向转向y轴方向，即向右偏转；角J表示滚动的偏角，正值表示y轴方向向z轴方向旋转，即左轨抬高；角y表示倾斜角的偏差，正值表示x轴向z轴方向旋转，即坡度角；测量基准（轨检梁刚体）与钢轨及惯性系统的相互位置关系定义如下：gL左轨轨距点相对测量基准的偏移；gR右轨轨距点相对测量基准的偏移；dL左轨踏面顶点相对测量基准的偏移；dR右轨踏面顶点相对测量基准的偏移；wx轨检梁的滚动角速率；wz轨检梁的摇头角速率；ay轨检梁的横向加速度及倾角；aL轨检梁的垂向加速度；G轨道踏面中点之间的标准距离，为1511mm；ht惯性平台相对于轨距测量线的垂直高度；AL左侧垂直加速度计安装位置相对梁中心的距离；轨距轨距定义为左右两根钢轨顶面以下16mm点之间的最短距离.在激光断面测量系统中是通过计算左右钢轨顶面各点中具有最大的Y值点以下16mm处间的距离获得的.目前要求新引进轨道检测系统检测左右两根钢轨顶面以下16mm点之间的最短距离.轨距由左右钢轨的轨距点相对于测量梁两个固定点位移偏差的代数和而求得，即：其中K为测量梁两个固定点的距离，如果测量梁为刚体，且摄像机的安装位置及角度未发生变化，则为常数。该常数由静态标定确定。KYLRKYLRKYLR轨道不平顺定义：轨向钢轨内侧轨距点垂直于轨道方向偏离轨距点平均位置的偏差。分左右轨向两种。轨向也称作方向。轨向加速度计响应：式中为轨距梁的中点，为轨距梁相对于地面的倾角；第一项为轨距梁横向运动所产生的加速度，正是我们想要的测量值；第二项为重力分量；第三项由于轨距梁侧滚运动所产生的加速度；则左右轨向为：左轨向：=cos()-(+C);右轨向：=cos()+(+C);其中为轨向测量平面和轨距梁所在平面夹角，可由L和R计算获得。对于安装于构架上的安全梁，轨向的测量平面和轨距梁所在平面并不平行；要将投影到轨向的测量平面，其投影为*cos()；则通过上述公式即可测得左右轨向。2222sindtdhgdtydbtbbybtLbtRbtbybybt轨道不平顺定义：高低钢轨顶面垂直于轨道方向偏离钢轨顶面平均位置的偏差。分左右高低两种。垂直加速度计的响应：由于垂直加速度计安装在梁的中间，因此AL=0，由该式积分可得到Zb，又由即可计算得到左右高低ZL、ZR。22222cosdtdAggdtzdbLbbLbbLLGzz21bbRRGzz21轨道不平顺定义：水平、超高中国水平：同一轨道横截面上左右钢轨顶面所在水平面的高度差。不含圆曲线上设置的超高和缓和曲线上超高顺坡量。UIC水平Ⅲ型轨检车车相对水平超高：曲线地段外轨顶面与内轨顶面设计水平高度之差。超高和水平测量方法通过测量轨道平面相对于水平面的倾角计算。该倾角等于检测梁的倾角与梁相对于轨道平面倾角之差，即：检测梁的倾角可由测滚陀螺和倾角仪（水平加速度）可计算得到。梁相对于轨道平面倾角由激光摄像系统计算得到。GRLbt轨道不平顺定义：三角坑轨道平面的扭曲，沿轨道方向前后两水平代数差。也称作扭曲曲率测量方法曲率是以列车走行的单位距离轨道的方向角的变化表示。即：由摇头陀螺陀螺可以测量摇头速率vvdsddsdtdtddsdZbbb1dtdbz轨检车检测项目正号定义轨检车正向：检测梁位于轨检车二位端，定义二位端至一位端方向为轨检车正向，轨检车行使方向与轨检车正向一致时为正向检测，反之为反向检测。轨距（偏差）正负：实际轨距大于标准轨距时轨距偏差为正，反之为负；高低正负：高低向上为正，向下为负；轨向正负：顺轨检车正向，轨向向左为正，向右为负；水平正负：顺轨检车正向，左轨高为正，反之为负；曲率正负：顺轨检车正向，右拐曲线曲率为正，左拐曲线曲率为负；车体水平加速度：平行车体地板，垂直于轨道方向，顺轨检车正向，向左为正；车体垂向加速度：垂直于车体地板，向上为正。为适应铁路提速和重载不断发展的需要，《铁路线路修理规则》（铁运【2006】146号文）于2006年8月1日正式执行。文中对轨道动态检测标准按V≦120km/h、120km/hV≦160km/h、V160km/h划分了四级管理值。缺乏速度≧200km/h以上等级干线管理标准，为适应我国第六次既有线提速改造的需要，以及填补我国《铁路线路修理规则》没有针对既有线200～250km/h区段的养护维修办法和各项检测标准。铁道部检测中心受铁道部委托，结合国外高速铁路的成熟经验以及现场积累的相关经验，通过多年干线检测数据的大量分析和研究，提出了针对既有线提速线路200～250km/h区段轨道动态检测项目和管理标准，并以此为依据于2007年3月13日铁道部印发《既有线提速200～250km/h线桥设备维修规则》（铁运【2007】44号）。文中对200和250km/h区段轨道动态管理标准进行了明确，增加了提速区段高低、轨向、长波长、轨距变化率、曲率变化率和横加变化率等管理项目。由此形成了V≦120km/h、120﹤V≦160km/h、160km/hV200km/h、200km/h≦V≦250km/h四个速度等级的轨道动态管理标准，后经过轨检车会议讨论后形成新的轨道动态管理暂行试验标准如表3所示。（三）.新增项目及动态检测标准修订表3轨道动态管理暂行