曲率變化率超限扣分原因分析及對(duì)策

陳俊輝

(杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司 運(yùn)營(yíng)分公司，浙江 杭州 310020)

軌檢車一直是檢查軌道病害、監(jiān)控軌道質(zhì)量、指導(dǎo)線路養(yǎng)護(hù)維修、保障行車安全的重要手段。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，軌檢車檢測(cè)精度和可靠性大大提高。在軌檢車檢查結(jié)果的監(jiān)督和指導(dǎo)下，線路質(zhì)量得到普遍提高，以動(dòng)態(tài)檢查為主，靜態(tài)檢查為輔的軌控思想已經(jīng)形成共識(shí)。

1 軌檢車檢查概況

1.1 新型軌檢車的檢查項(xiàng)目

隨著鐵道部近年來(lái)先后多次在全國(guó)范圍內(nèi)大規(guī)模的提速，全國(guó)鐵路正在向高速重載方向發(fā)展，軌道質(zhì)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)控作用更加明顯，采用激光攝像技術(shù)為主要特征的新型GJ-5型軌檢車在全路迅速普及。軌檢車軌道動(dòng)態(tài)檢查項(xiàng)目主要包括軌道動(dòng)態(tài)不平順和車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)兩大類，具體為左右高低、左右軌向、長(zhǎng)波長(zhǎng)左右高低、長(zhǎng)波長(zhǎng)左右軌向、水平、三角坑、曲線超高、曲率、軌距、車體橫向和垂直振動(dòng)加速度、左右軸箱垂直振動(dòng)加速度、曲率變化率、軌距變化率、橫加變化率、鋼軌斷面、波磨、斷面磨耗、軌底坡、表面擦傷、道床斷面、線路環(huán)境監(jiān)視等項(xiàng)目。GJ-5型軌檢車出具的軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量報(bào)告主要體現(xiàn)為增加了長(zhǎng)波長(zhǎng)左右高低、長(zhǎng)波長(zhǎng)左右軌向、曲率變化率、軌距變化率和橫加變化率超限。

1.2 上海鐵路局軌檢車2010年軌道動(dòng)態(tài)檢查資料分析

以上海鐵路局軌檢車2010年全年檢查線路數(shù)據(jù)分析為例，全年共計(jì)檢查線路 87 257 km，其中，優(yōu)良線路82 138 km，合格線路 5 118 km，失格線路1 km;線路優(yōu)良率為94.13%;共查出Ⅳ級(jí)超限1處、Ⅲ級(jí)超限49處、Ⅱ級(jí)超限 76 467處，平均每公里Ⅱ級(jí)超限數(shù)量0.88處;線路總平均扣分15.95分，其中，曲率變化率扣分為1.36分，該項(xiàng)超限扣分所占的比例為8.54%，具體見表1。曲率變化率Ⅱ級(jí)超限共有16 048處，所占的比例在各項(xiàng)超限中最高，達(dá)到了20.99%，具體如圖1所示。

表1 2010年全年上海鐵路局軌檢車檢查線路各項(xiàng)超限每公里平均扣分及百分比

從軌檢車各項(xiàng)超限扣分分布來(lái)看，曲率變化率超限扣分往往較多，特別是Ⅱ級(jí)超限數(shù)量較多。因此，減少曲率變化率超限，特別是Ⅱ級(jí)超限數(shù)量，對(duì)于工務(wù)設(shè)備養(yǎng)護(hù)單位提高軌道動(dòng)態(tài)檢查成績(jī)尤為重要。但是，曲率變化率超限不同于軌距、水平、高低、軌向、三角坑等在現(xiàn)場(chǎng)可以直接和軌檢報(bào)告相吻合的超限，對(duì)于工務(wù)養(yǎng)護(hù)人員來(lái)說(shuō)，曲率變化率最為抽象，往往在拿到軌檢報(bào)告后無(wú)從下手。因此，理解軌檢車曲率變化超限的檢測(cè)原理，分析其扣分特點(diǎn)，掌握曲率變化率超限在直線段與軌向、軌距等超限，在曲線段與曲線正矢，在緩和曲線段與緩和曲線長(zhǎng)度之間的關(guān)系，利用軌檢車動(dòng)態(tài)檢查資料指導(dǎo)工務(wù)部門日常養(yǎng)護(hù)維修工作，對(duì)不斷提高線路養(yǎng)修水平，具有十分重要的意義。

圖1 2010年全年上海鐵路局軌檢車檢查線路Ⅱ級(jí)超限分布

2 曲率變化率超限檢測(cè)原理及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

2.1 曲率變化率的定義

曲率變化率是單位長(zhǎng)度內(nèi)曲率的變化量。目前軌檢車的曲率變化率RC是由相隔ΔL=18 m的兩點(diǎn)實(shí)際測(cè)量的曲率差ΔC=C2－C1除以18 m計(jì)算得到，即

選擇18 m，主要考慮車輛定距和濾波。曲率變化率主要考慮直線段長(zhǎng)波長(zhǎng)軌向和曲線段曲線不圓順，是舒適性控制指標(biāo)。

曲率是描述曲線局部性質(zhì)的量，即是描述曲線彎曲程度的量。曲線的彎曲程度與切線轉(zhuǎn)角成正比，與曲線弧段的長(zhǎng)成反比。圓曲線上各點(diǎn)處的曲率都等于半徑的倒數(shù)，半徑越小，曲率越大。

軌檢車上的曲率是以列車走行的單位距離軌道dS所對(duì)應(yīng)的方向角的變化dφb來(lái)表示。即

式中，v=dS/dt，搖頭速率 ωz可由搖頭陀螺儀測(cè)量，ωz為

軌檢車曲率正負(fù)號(hào)定義為:順軌檢車正向，右拐曲線曲率為正，左拐曲線曲率為負(fù)。

軌檢車檢測(cè)方向:檢測(cè)梁位于軌檢車二位端，定義二位端至一位端方向?yàn)檐墮z車正向，軌檢車行使方向與軌檢車正向一致時(shí)，為正向檢測(cè)，反之，為反向檢測(cè)。

2.2 曲率變化率的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

目前，全路GJ-5型軌檢車所采用的曲率變化率的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)以檢查速度等級(jí)來(lái)劃分，每個(gè)速度等級(jí)分為2個(gè)級(jí)別，無(wú)Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)管理值，即分為:曲率變化率Ⅰ級(jí)和曲率變化率Ⅱ級(jí)。軌道動(dòng)態(tài)管理曲率變化率暫行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 軌道動(dòng)態(tài)管理暫行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(2008年2月1日起執(zhí)行)

3 曲率變化率超限產(chǎn)生原因分析

3.1 曲率變化率超限出現(xiàn)的地點(diǎn)

曲率變化率是單位長(zhǎng)度內(nèi)曲率的變化量。曲率是描述曲線彎曲程度的量。大多數(shù)的曲率超限出現(xiàn)在曲線段或緩和曲線段。但是，在實(shí)際軌道檢查過(guò)程中，并非只在曲線段才會(huì)出現(xiàn)曲率變化率超限;在直線段也會(huì)出現(xiàn)曲率變化率超限。在直線段，如果幾何尺寸處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，則直線段的曲率為0，自然不會(huì)出現(xiàn)曲率變化率超限。之所以會(huì)在直線段出現(xiàn)曲率變化率超限，是因?yàn)榇藭r(shí)的直線段也存在細(xì)微的軌向超限，是把軌向不良地段當(dāng)作一條曲線，所以，自然會(huì)有曲率的變化，也就自然出現(xiàn)了曲率變化率超限。

3.2 曲率與曲線正矢的關(guān)系

日常養(yǎng)修過(guò)程中，檢查曲線正矢的弦長(zhǎng)為20 m。當(dāng)弦長(zhǎng)為20 m時(shí)，圓曲線正矢的計(jì)算公式為

式中，f為20 m弦長(zhǎng)測(cè)得的圓曲線正矢(mm);R為曲線半徑(m)。

由于曲線的曲率C為半徑R的倒數(shù)，所以曲率C為

通常情況下，工務(wù)系統(tǒng)習(xí)慣以20 m的弦長(zhǎng)測(cè)量曲線的正矢，取正矢的變化量的基長(zhǎng)為20 m，計(jì)算曲率變化率。之所以取基長(zhǎng)為20 m，一個(gè)原因是軌檢車檢查曲率的基長(zhǎng)為18 m;另一個(gè)原因是用繩正法整正曲線時(shí)，當(dāng)撥正一點(diǎn)的正矢時(shí)，其相鄰的兩點(diǎn)的正矢都會(huì)向相反的方向變化0.5倍的撥正量，因此，不能用10 m的基長(zhǎng)來(lái)推算曲線正矢變化量與曲率變化量之間的關(guān)系，否則，就會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)果。

3.3 曲率變化率與曲線正矢的關(guān)系

根據(jù)曲率變化率的定義，曲率變化率就是單位長(zhǎng)度內(nèi)曲率的變化量，即長(zhǎng)度為ΔL的兩點(diǎn)的曲率變化量為 ΔC 時(shí)，其曲率變化率 RC，20為

式中，f1，f2為任意兩測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的正矢值，Δf為兩點(diǎn)正矢差。

即弦長(zhǎng)20 m的曲線正矢變化1 mm時(shí)，曲率變化率為 10－6。

表3 曲率變化率對(duì)應(yīng)的曲線正矢變化量

從表3可以看出，各個(gè)速度等級(jí)的曲率變化率超限容許值與相對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)為20 m的曲線正矢差在數(shù)值上相同，相差數(shù)量級(jí)為10－6。也就是說(shuō)，在相應(yīng)的檢查標(biāo)準(zhǔn)下，檢測(cè)點(diǎn)前后20 m范圍內(nèi)曲線正矢差不超過(guò)相應(yīng)的曲率變化率超限容許值，就不會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)等級(jí)的曲率變化率超限。

3.4 曲率變化率與緩和曲線長(zhǎng)度的關(guān)系

對(duì)于一條曲線來(lái)說(shuō)，其兩端的緩和曲線長(zhǎng)度l是一定的，可以等長(zhǎng)也可以不等長(zhǎng);而其曲率則從曲線起點(diǎn)的0變化為1/R。根據(jù)式(1)，可得出緩和曲線的曲率變化率RC為

由式(7)可以看出，對(duì)于緩和曲線而言，曲率變化率實(shí)際上就是圓曲線的曲率與緩和曲線長(zhǎng)度的比值。

緩和曲線長(zhǎng)度l為

以軌道動(dòng)態(tài)檢查標(biāo)準(zhǔn)120 km/h＜V≤160 km/h為例，根據(jù)式(8)可以計(jì)算出不同曲線半徑滿足軌檢車曲率變化率超限要求的最小緩和曲線長(zhǎng)度，見表4。

表4 滿足曲率變化率超限管理值要求的緩和曲線最小長(zhǎng)度 m

從表4可以看出，緩和曲線的曲率本身按一定數(shù)值在變化，而軌檢車的曲率變化率檢查項(xiàng)目并沒有考慮緩和曲線固有的曲率變化率對(duì)檢查結(jié)果的影響，尤其對(duì)小半徑曲線來(lái)說(shuō)更為明顯，這就是曲率變化率超限在緩和曲線上比較多的主要原因。

4 減少曲率變化率超限的對(duì)策

曲率變化率超限出現(xiàn)的地點(diǎn)主要分為直線、圓曲線和緩和曲線段。有的曲率變化率超限是由曲率的變化所引起的，也就是有正矢的變化。因此，不管出現(xiàn)曲率變化率超限的線型如何，理論上都可以把出現(xiàn)曲率變化率超限的地點(diǎn)近似地看作是曲線段。

4.1 減少直線段曲率變化率超限的措施

當(dāng)曲率變化率超限出現(xiàn)在直線段時(shí)，工務(wù)設(shè)備養(yǎng)護(hù)工作人員第一反應(yīng)就是在該超限點(diǎn)有方向，有一定幅值的軌向超限。這個(gè)比較容易理解，因?yàn)橛星首兓食薇厝皇怯捎谇实淖兓鸬?，有曲率的變化必然有曲率，而若有曲率就必然有正矢的存在，有正矢就必然有方向。所以，?dāng)工務(wù)設(shè)備養(yǎng)護(hù)工作人員拿到軌檢車超限資料看到哪里有曲率變化率超限，就要把這種超限當(dāng)成是方向來(lái)處理。直線段的軌向不良會(huì)使車輪受到橫向沖擊，引起車輛左右晃動(dòng)和車體搖擺振動(dòng)，對(duì)列車的平穩(wěn)度和舒適度產(chǎn)生較大影響，加速軌道結(jié)構(gòu)和道床的變形。直線段的曲率變化率超限受軌距、軌向超限影響較大，主要因素有:①軌道幾何尺寸不良，包括軌距超限、直線區(qū)段方向不良、軌距變化率不順等。②鋼軌病害，包括鋼軌肥邊、鋼軌硬彎、焊縫不良、接頭支嘴、鋼軌軌面波紋型磨耗、鋼軌軌面波浪型磨耗、直線地段鋼軌不均勻交替?zhèn)饶サ?。③軌道結(jié)構(gòu)不良，包括軌枕失效、螺栓縮頸，擋件失效，連續(xù)道釘浮離等。④框架剛度減弱，包括扣件扣壓力不足、扣件扭矩內(nèi)外側(cè)不一致、扣件離縫所造成的鋼軌動(dòng)態(tài)擠開量、軌撐失效、拉桿失效等。

4.2 減少曲線段曲率變化率超限的措施

如果圓曲線是絕對(duì)圓順的，曲率變化率就是零。工務(wù)設(shè)備養(yǎng)護(hù)工作人員對(duì)于圓曲線上出現(xiàn)曲率變化率超限的第一反應(yīng)是該處正矢不良，處理圓曲線上的曲率變化率超限就要當(dāng)成正矢超限來(lái)對(duì)待。準(zhǔn)確測(cè)量曲線現(xiàn)場(chǎng)正矢，掌握曲線實(shí)際平面狀況，并以此為依據(jù)撥正曲線，確保曲線圓順度，將是減少曲線段曲率變化率超限的根本途徑。

對(duì)于圓曲線，要定期檢查曲線正矢，及時(shí)撥正曲線，確保曲線圓順;要嚴(yán)格按照作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)充分利用曲線加密點(diǎn)、任意點(diǎn)正矢檢查核對(duì)曲線撥正效果;要定期檢查曲線段軌距、軌距變化率是否超限，扣件是否松動(dòng)、銹蝕、失效，軌枕是否失效等軌道結(jié)構(gòu)上病害并及時(shí)整治。

對(duì)于外股鋼軌磨耗較為嚴(yán)重的小半徑曲線區(qū)段，在實(shí)際靜態(tài)檢查中，會(huì)出現(xiàn)因?yàn)殇撥壞ズ亩箤?shí)際軌距大于靜態(tài)測(cè)得的軌距，為了減小這種測(cè)量上誤差，在曲線圓順度不良地段，利用塑料卷尺對(duì)軌距進(jìn)一步核對(duì)，以便找出問題的真正所在。

在曲線段，也會(huì)出現(xiàn)外股鋼軌磨耗不均勻的情況，因此，用弦線測(cè)量曲線的正矢可能會(huì)不夠準(zhǔn)確，此時(shí)，可采取在曲線的內(nèi)股測(cè)量正矢作為參考，從而提高了曲線段正矢測(cè)量的準(zhǔn)確度，保證曲線段的圓順度。

4.3 減少緩和曲線段曲率變化率超限的措施

曲線是線路的薄弱環(huán)節(jié)之一，而緩和曲線又是曲線的薄弱環(huán)節(jié)。在實(shí)際的軌檢資料中，曲線區(qū)段曲率變化率超限的扣分大部分都在緩和曲線上。部分軌檢資料顯示，曲率變化率超限的線型雖然為直線或圓曲線，但大部分都是緩和曲線設(shè)置不良造成的。

緩和曲線上的曲率變化率超限以及緩和曲線段兩端直緩點(diǎn)(圓緩點(diǎn))和緩圓點(diǎn)(緩直點(diǎn))的曲率變化率超限對(duì)晃車的影響比較大，這些位置出現(xiàn)的曲率變化率超限工區(qū)必須高度重視，曲線頭尾反彎、鵝頭都會(huì)產(chǎn)生曲率變化率超限。

由于大部分緩和曲線長(zhǎng)度都達(dá)不到相應(yīng)速度等級(jí)曲率變化率超限的容許要求，緩和曲線上存在著固有曲率變化率，現(xiàn)在的軌檢車工作人員都已經(jīng)將出現(xiàn)在緩和曲線上長(zhǎng)度超過(guò)80 m的曲率變化率超限人工刪除或者將軌檢車檢測(cè)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置為自動(dòng)刪除，以求更加真實(shí)反映緩和曲線的真實(shí)情況。

5 結(jié)論

軌檢車為監(jiān)控軌道質(zhì)量、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)維修、保障行車安全提供了有力的技術(shù)支持。工務(wù)部門根據(jù)軌檢車檢查資料綜合評(píng)價(jià)軌道質(zhì)量，合理安排養(yǎng)護(hù)維修，從而不斷提高線路設(shè)備質(zhì)量。

曲率變化率超限主要是對(duì)軌道線路長(zhǎng)波長(zhǎng)軌向不平順的綜合反映。當(dāng)前，在曲率變化率超限扣分所占比例以及Ⅱ級(jí)超限數(shù)量居高不下的情況下，掌握曲率變化率超限的原理，認(rèn)真分析曲率變化率超限產(chǎn)生的原因，根據(jù)曲率變化率產(chǎn)生于不同區(qū)段的不同特點(diǎn)，采取積極有針對(duì)性的措施，逐步減少曲率變化率Ⅱ級(jí)超限的數(shù)量及曲率變化率超限扣分所占的比例，將是提高軌道動(dòng)態(tài)檢查質(zhì)量的有效手段之一。

［1］ 中華人民共和國(guó)鐵道部．鐵運(yùn)［2006］23號(hào) 鐵路線路修理規(guī)則［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2006．

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