軌道幾何動(dòng)態(tài)測量性能參數(shù)分析

吳興華 上海鐵路局工務(wù)處

1 軌道幾何測量系統(tǒng)基本原理

GJ-5 型軌檢車的軌道幾何測量系統(tǒng)采用" 軌道幾何慣性測量包" 進(jìn)行測量，系統(tǒng)從每個(gè)測量所得鋼軌圖像獲得基本鋼軌輪廓位置信息。在獲得軌頭部分的輪廓的坐標(biāo)位置后，幾何系統(tǒng)可以自行判斷鋼軌斷面最高點(diǎn)的位置（用于超高/高低測量）及軌距點(diǎn)的位置（用于軌距/軌向測量）。

"軌道幾何慣性測量包"（簡稱"慣性包"）由下列功能模塊組成：水平加速度計(jì)、垂直加速度計(jì)、滾動(dòng)陀螺儀、搖動(dòng)陀螺儀、接口電路板和金屬框架。

加速度計(jì)是用來測量車輛運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)向架的機(jī)械運(yùn)動(dòng)加速度。加速度為水平、高低及軌向測量計(jì)算提供原始數(shù)據(jù)。

軌道幾何測量系統(tǒng)采用光纖激光陀螺測量轉(zhuǎn)向架的旋轉(zhuǎn)角速度。旋轉(zhuǎn)角速度是計(jì)算曲率所需要的，用來修正加速度計(jì)的測量結(jié)果。

2 軌道幾何測量性能參數(shù)分析

軌道幾何測量系統(tǒng)主要的測量結(jié)果顯示是有軟件WinDBC（Windows Digital Brush Chart）提供。該軟件可以實(shí)時(shí)地以波形曲線的形式顯示檢測結(jié)果（俗稱"波形圖"）。波形圖可以最多顯示99 個(gè)不同的檢測項(xiàng)目；可以自定義顯示比例系數(shù)和顯示顏色；之前的檢測結(jié)果可以作為歷史數(shù)據(jù)重疊在實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)上顯示，因此可以對同一條線路的不同次的檢測結(jié)果進(jìn)行直觀的對比?？梢酝ㄟ^鍵盤操作任意瀏覽不同檢測位置上的數(shù)據(jù)；可以在任意里程位置放大顯示數(shù)據(jù)波形；可以直接點(diǎn)擊鼠標(biāo)進(jìn)行測量；可以直接輸出打印任何當(dāng)前顯示的畫面；可以用于顯示、分析和打印任何已經(jīng)保存的軌道幾何檢測結(jié)果等。

2.1 幾何測量性能參數(shù)

實(shí)際的軌道幾何檢測項(xiàng)目由軌距、軌向（左/右）、高低（左/右）、水平（超高）和三角坑組成。同時(shí)系統(tǒng)還可以記錄行駛速度、里程位置及地面標(biāo)識(shí)等信息。

在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測過程中，軌道幾何測量系統(tǒng)對軌道幾何檢測結(jié)果進(jìn)行分析，然后根據(jù)"軌道動(dòng)態(tài)管理標(biāo)準(zhǔn)"判斷出軌道幾何檢測項(xiàng)目的超限值，即"線路病害"。

2.2 線路病害位置的查找

準(zhǔn)確查找到線路病害位置，及時(shí)消除線路病害，既能有效維護(hù)好線路設(shè)備，又能提高線路養(yǎng)護(hù)工作的效率。下面介紹幾種查找病害位置的方法：

2.2.1 根據(jù)里程位置查找線路的病害位置

在超限報(bào)告上病害的位置是檢測系統(tǒng)給出的對應(yīng)里程位置，從波形圖上也能找到超限報(bào)告上的所有病害的一一對應(yīng)里程位置。使用這種方法查找病害的里程位置是很直觀、簡便的，線路維修人員一般都采用此方法來查找病害的里程位置。如圖1 所示的波形圖上顯示的里程位置是檢測系統(tǒng)通過軸箱編碼器紀(jì)錄的里程位置，里程位置還可以依據(jù)GPS預(yù)置的點(diǎn)位利用GPS 加以修正，也可以采用人工設(shè)置（打點(diǎn)）的方法來修正里程位置。里程位置設(shè)置的越準(zhǔn)確，病害位置的查找就越方便。然而，GPS 的預(yù)置點(diǎn)位和GPS 定位都存在誤差，尤其是線路變化和長短鏈的出現(xiàn)，如沒有及時(shí)更正GPS 預(yù)置點(diǎn)，則使線路的實(shí)際里程位置和波形圖上的里程位置偏差就較大。

2.2.2 根據(jù)地面標(biāo)志查找線路的病害位置

檢測系統(tǒng)的地面標(biāo)志裝置是安裝在軌距吊梁中部的電磁感應(yīng)裝置（ALD）。ALD 的工作原理是接近金屬物體而發(fā)生電磁感應(yīng)，從而引起電壓值的變化，在波形圖中形成脈沖曲線。波形圖上的地面標(biāo)志主要有道岔、道口、橋梁護(hù)軌和軌距拉桿等標(biāo)志。

道岔標(biāo)志反映的是道岔的導(dǎo)曲軌的位置，其中間的峰值位置是電磁感應(yīng)強(qiáng)度最大的位置，即對應(yīng)的是導(dǎo)曲軌的中部位置，如圖1 所示。

平面道口兩側(cè)往往有金屬邊框，在波形圖上形成矩形標(biāo)志，尤其是大道口更為明顯，矩形的中部即為道口的中心位置。

圖1 里程位置、道岔、道口標(biāo)記設(shè)別圖

橋梁護(hù)軌標(biāo)志反映的是整個(gè)護(hù)軌的位置，兩端峰值較高而中間值較低。圖2為兩座橋梁的護(hù)軌標(biāo)志。

ALD 脈沖值是受溫度變化而影響。軌距拉桿標(biāo)志在ALD 的放大值較大時(shí)能顯示出為一條豎直的直線，當(dāng)天氣溫差變化較大或雨天使放大值變小時(shí)就不容易出現(xiàn)。

2.2.3 根據(jù)曲線特定點(diǎn)位查找線路病害位置

依據(jù)曲線的直緩點(diǎn)、緩圓點(diǎn)、圓緩點(diǎn)和緩直點(diǎn)等特定點(diǎn)位的相對位置可以有效查找到線路的病害位置。

圖2 橋梁護(hù)軌標(biāo)記設(shè)別圖

利用地面標(biāo)志和曲線特定點(diǎn)位的相對位置查找臨近的病害位置的準(zhǔn)確度較高，是查找線路病害位置的極有效的方法。

2.3 線路病害的分析

2.3.1 軌距病害

軌距的靜態(tài)測量比較直觀，利用軌距尺就能逐點(diǎn)測量，測量效率低，且是軌道在空載狀況下的測量結(jié)果。GJ-5 型系統(tǒng)的軌距動(dòng)態(tài)測量數(shù)據(jù)是在兩側(cè)鋼軌的兩個(gè)同步攝像機(jī)所拍攝到的兩側(cè)鋼軌軌距點(diǎn)間的距離，是軌道重載下的動(dòng)態(tài)測量結(jié)果。其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與軌距標(biāo)定的準(zhǔn)確度和檢測系統(tǒng)的精確度有關(guān)。圖3 為道岔轉(zhuǎn)折部位出現(xiàn)的小軌距病害。

圖3 道岔區(qū)小軌距病害數(shù)據(jù)圖

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。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)整拉桿距離就能調(diào)整軌距大小。

2.3.2 軌向（左/右）病害

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)、圓緩的和緩直點(diǎn)等點(diǎn)位較易形成軌向病害，在道岔區(qū)段也較易出現(xiàn)軌向病害。在曲線區(qū)段，由于輪軌作用力變化較大，易使曲線產(chǎn)生橫向滑移和鋼軌側(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，因軌距的變化形成軌向病害。

圖1 中的大軌距病害是由于軌道右股軌向的突然變化形成的。這是測量系統(tǒng)在軌道右股測得的岔心有害空間部位而造成的，是非有效病害。但此點(diǎn)位可作為查找其他病害的基準(zhǔn)點(diǎn)。

2.3.3 高低（左/右）、水平和三角坑病害

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集中，磨耗大，并形成沖擊載荷，容易形成岔心處的鋼軌空吊，造成單股鋼軌高低病害，并伴隨著出現(xiàn)水平、三角坑病害。

水平、三角坑病害和高低病害相關(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、曲線和路橋結(jié)合部等是水平、三角坑病害較易產(chǎn)生的地方。

圖4 岔心磨耗形成的病害波形圖

圖4 為2011 年01 月19 日動(dòng)態(tài)測量隴海線上行K151 km 道岔區(qū)段高低、水平和三角坑病害情況，具體數(shù)據(jù)如表1。

表1 道岔區(qū)段動(dòng)靜態(tài)測量數(shù)據(jù)對照表

A、B、C 三處均為道岔岔心部位，都是垂磨加空吊而造成單股鋼軌高低病害，伴隨形成水平和三角坑病害。消除了這三處的高低病害，同時(shí)也消除了水平和三角坑病害。軌枕空吊一般采取道渣搗固來消除，必要時(shí)進(jìn)行道渣清篩處理。岔心垂磨較大的可進(jìn)行焊補(bǔ)處理，磨耗嚴(yán)重的須更新。

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)車輪對岔心部位產(chǎn)生沖擊作用，加大了岔心磨耗（尤其是垂磨），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，形成單股軌道的高低病害。病害如不及時(shí)消除，它將加劇岔心磨耗和空吊程度。

3 結(jié)束語

軌道幾何動(dòng)態(tài)測量性能參數(shù)是既有線路養(yǎng)護(hù)維修的重要依據(jù)，是新線調(diào)試、驗(yàn)收的主要工具，是高速鐵路管理的重要組成部分。做好軌道幾何動(dòng)態(tài)測量結(jié)果數(shù)據(jù)和波形圖分析，能及時(shí)消除線路病害，有效地提高鐵路線路設(shè)備質(zhì)量，切實(shí)保障鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?、高速、平穩(wěn)和舒適性。