大型養(yǎng)路機械搗固作業(yè)軌道質(zhì)量評價指數(shù)研究

徐偉昌

(上海鐵路局工務(wù)處，上海 200071)

軌道不平順是機車車輛及軌道系統(tǒng)自身振動的激擾源[1]，它是引起輪軌作用力增大的主要因素[2-3]。一方面，超過一定限值的軌道不平順會影響旅客舒適度和行車安全性[4];另一方面，由于軌道不平順的存在，列車輪對沖擊振動引起的動力作用以幾何級數(shù)增加，軌道結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生激振，軌道持續(xù)惡化，從而形成惡性循環(huán)[5]。由此可見軌道不平順管理的重要性。目前鐵路工務(wù)部門主要根據(jù)線路動靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)，對每個區(qū)段、每1 km的線路狀態(tài)采用峰值管理法(如偏差扣分法等)、均值管理法(如TQI法等)[6]進行評價。

隨著鐵路養(yǎng)路機械化程度的不斷提高，有砟軌道上常采用大型養(yǎng)路機械(以下簡稱大機)進行以搗固為主的綜合維修作業(yè)[7-8]。采用大機搗固作業(yè)起道量控制準確，搗固受力均勻，搗后軌面平順，是控制軌道狀態(tài)質(zhì)量的有效手段[9]。如何把平順性管理和以大機為主維修作業(yè)結(jié)合起來共同指導(dǎo)維修決策，是需要研究的課題。

本文在全面分析滬昆線浙贛段綜合檢測車軌道質(zhì)量指數(shù)TQI數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出適用于大機維修管理決策的軌道質(zhì)量評價指數(shù)的概念，并利用統(tǒng)計學(xué)方法對其分布規(guī)律進行分析，為鐵路工務(wù)部門進行有砟軌道大機維修管理決策提供評價指標和理論依據(jù)。

1 軌道質(zhì)量指數(shù)及數(shù)據(jù)來源

軌道質(zhì)量指數(shù)是指200 m線路基本單元區(qū)段內(nèi)左高低、右高低、左軌向、右軌向、水平、軌距以及三角坑7項軌道幾何尺寸不平順偏差的標準差之和[10]。單項指標計算公式為

式中:σi為各項幾何不平順偏差的標準差;X—i為基本單元區(qū)段內(nèi)各項幾何不平順連續(xù)采樣點偏差值的算術(shù)平均值;n為采樣點個數(shù)，一般取800。

在鐵路線路養(yǎng)護維修中，通常是根據(jù)線路速度等級、養(yǎng)修作業(yè)方式采取不同的養(yǎng)護維修管理值。200～250 km/h速度等級線路的 TQI管理值[11]見表1。

表1 200～250 km/h速度等級線路的TQI管理值mm

本文所分析的TQI數(shù)據(jù)來源于鐵科院0號綜合檢測車2009年10月—2011年4月對滬昆線浙贛段的綜合檢測結(jié)果。經(jīng)篩選，最后確定分析所用的檢測數(shù)據(jù)上行線有23次，下行線有21次。

2 大型養(yǎng)路機械搗固作業(yè)軌道質(zhì)量評價指數(shù)

2.1 TQI的時間趨勢

以滬昆線浙贛段上行線(圖1)為例分析軌道質(zhì)量指數(shù)隨時間的變化趨勢。

圖1 滬昆上行線TQI均值隨時間變化曲線

由圖1可知，在2010年3—5月，上行線TQI從3月19日的5.57下降到5月15日的5.13，下降幅度達到7.90%。在該時段內(nèi)下行線TQI也同樣在下降。2010年3—4月滬昆線浙贛段上下行線路安排了一次大機維修作業(yè)，線路質(zhì)量改善明顯，TQI出現(xiàn)了較為明顯的下降。維修作業(yè)對軌道質(zhì)量改善的作用如圖2所示。

2.2 TQI各子項隨時間變化規(guī)律

滬昆上行線TQI指數(shù)各子項隨時間變化的趨勢如圖3所示。

從圖3可以看出，在一個維修周期內(nèi)，左高低、右高低、水平、三角坑標準差均隨時間的增加而增加。而左軌向、右軌向、軌距標準差則增加有限，基本保持不變。上述規(guī)律表明，用左高低、右高低、水平、三角坑4項標準差代替?zhèn)鹘y(tǒng)的TQI分析軌道質(zhì)量隨時間的變化規(guī)律更合理。

2.3 大機作業(yè)對TQI各子項的影響規(guī)律

大機作業(yè)對線路總體質(zhì)量改善明顯，但在基本作業(yè)條件及作業(yè)模式下，大機作業(yè)對TQI各子項有無改善作用，改善量值是多少，則需要進一步分析。為此選取幾段線路作業(yè)前后檢測數(shù)據(jù)進行具體分析，以滬昆上行線K434.400—K442.400為例，其作業(yè)前后檢測數(shù)據(jù)見表 2。從表 2中可以看出:滬昆上行線K434.400—K442.400大機作業(yè)后線路質(zhì)量總體改善，區(qū)段TQI均值從作業(yè)前的6.002下降到作業(yè)后的5.354，下降0.648，下降幅度為10.796%;大機作業(yè)對高低、水平、三角坑有明顯改善作用;對軌距有輕微惡化作用，但幅值不大;對軌向的影響則存在離散性。

表2 滬昆上行線K434+400—K442+400大機作業(yè)前后檢測數(shù)據(jù)對比 mm

其它大機作業(yè)地段檢測數(shù)據(jù)也表現(xiàn)出相同的特點。因此，在大機作業(yè)維修管理中不應(yīng)納入軌向和軌距兩項指標。

2.4 大機搗固作業(yè)軌道質(zhì)量評價指數(shù)的提出

基于上述對TQI各子項隨時間變化規(guī)律以及大機作業(yè)對TQI各子項影響規(guī)律的分析可知，在以大機作業(yè)為主的綜合維修策略研究中，軌道幾何狀態(tài)偏差應(yīng)重點分析左高低、右高低、水平、三角坑4項偏差。由此引入大型養(yǎng)路機械搗固作業(yè)軌道質(zhì)量評價指數(shù)(Track Quality Index to Large Machinery Tamping Work，TQITW)的概念。它由左高低、右高低、水平、三角坑4項軌道幾何狀態(tài)指標組成，其表達式為

式中:σi分別為左高低、右高低、水平、三角坑4項軌道幾何狀態(tài)偏差的標準差。

3 大機搗固作業(yè)軌道質(zhì)量評價指數(shù)分布

3.1 大機搗固作業(yè)軌道質(zhì)量評價指數(shù)分布分析

根據(jù)2010—2011年上海局管內(nèi)滬昆線浙贛段上下行線路TQITW數(shù)據(jù)，作直方圖及累計分布圖。2011年4月20日上下行線TQITW分布如圖4所示。

圖4 2011年4月20日滬昆線浙贛段TQITW值分布

由圖4可以看出，TQITW的分布與正態(tài)分布和α值較大的γ分布較為接近。為進一步確定其分布規(guī)律，需對數(shù)據(jù)作擬合檢驗。

3.2 大機搗固作業(yè)軌道質(zhì)量評價指數(shù)分布檢驗

γ分布概率密度函數(shù)為

式中:x∈(0，+∞);α為形狀參數(shù);β為尺度參數(shù)，其數(shù)學(xué)期望為αβ，方差為αβ2。

利用Matlab中kstest函數(shù)計算數(shù)據(jù)檢驗參數(shù)，部分計算結(jié)果如表3所示。其中，H=0表示數(shù)據(jù)服從γ分布。

表3 滬昆上行線TQITW數(shù)據(jù)γ分布參數(shù)計算

由表3可知，上行線的TQITW數(shù)據(jù)均服從γ分布。

為進一步檢驗TQITW數(shù)據(jù)服從γ分布的程度，對上述數(shù)據(jù)進行χ2擬合優(yōu)度檢驗。在顯著性水平5%的情況下，對分布適應(yīng)性計算結(jié)果進行評價，評價結(jié)果見表4。

表4 分布適應(yīng)性評價結(jié)果(χ2值)

從表4可以看出，在置信度為95%的情況下，上述數(shù)據(jù)均服從γ分布。利用上述同樣的方法，對其它數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和χ2擬合優(yōu)度檢驗，也均滿足χ2檢驗的要求，因此可以認為大機搗固作業(yè)軌道質(zhì)量評價指數(shù)數(shù)據(jù)服從γ分布。

4 結(jié)論

本文通過對滬昆線浙贛段綜合檢測車檢測得到的軌道質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)進行分析，得到以下結(jié)論:

1)在一個維修周期內(nèi)，軌道質(zhì)量指數(shù)各子項中左高低、右高低、水平、三角坑標準差均隨時間的增加而增加，而左軌向、右軌向、軌距標準差則基本保持不變。

2)大機作業(yè)對高低、水平、三角坑有明顯的改善作用，對軌距有輕微惡化作用，對軌向的影響則存在一定離散性。

3)在上述兩點的基礎(chǔ)上，提出大型養(yǎng)路機械搗固作業(yè)軌道質(zhì)量評價指數(shù)(TQITW)的概念，用于以大機搗固作業(yè)為主要內(nèi)容的綜合維修策略研究。該指數(shù)實現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)變化規(guī)律與作業(yè)手段之間的結(jié)合，有利于設(shè)備的科學(xué)管理。

4)對大型養(yǎng)路機械搗固作業(yè)軌道質(zhì)量評價指數(shù)數(shù)據(jù)進行檢驗分析，發(fā)現(xiàn)其服從γ分布。為鐵路工務(wù)部門制定有砟軌道大機維修管理決策提供了理論依據(jù)。

[1]羅林，張格明，吳旺青，等.輪軌系統(tǒng)軌道平順狀態(tài)的控制[M].北京:中國鐵道出版社，2006.

[2]雷曉燕，毛利軍.線路隨機不平順對車輛—軌道耦合系統(tǒng)動力響應(yīng)分析[J].中國鐵道科學(xué)，2001，22(6):38-43.

[3]黃俊飛，練松良，宗德明，等.軌道隨機不平順與車輛動力響應(yīng)的相干分析[J].同濟大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2003，31(1):16-20.

[4]練松良，黃俊飛.客貨共運線路軌道不平順不利波長的分析研究[J].鐵道學(xué)報，2004，26(2):111-115.

[5]馮青松，雷曉燕，練松良，等.不平順條件下高速鐵路軌道振動的解析研究[J].振動工程學(xué)報，2008，21(6):559-564.

[6]王俊文.軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)在線路天窗維修中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2009(11):86-88.

[7]姜華.鐵路大型養(yǎng)路機械使用的思考和研究[J].制造業(yè)自動化，2011，33(4):175-177.

[8]羅沛東.對提升大型養(yǎng)路機械作業(yè)效率的探討[J].科技信息，2012(7):252，220.

[9]龔佩毅，高靜華，葉一鳴，等.繁忙干線大型養(yǎng)路機械夜間線路大修綜合施工軌道質(zhì)量控制和容許速度的研究[J].鐵道標準設(shè)計，2002(7):20-22.

[10]翁紹德，李志隆，楊鳳春，等.軌道質(zhì)量指數(shù)的基本概念及計算機處理技術(shù)[J].鐵道建筑，1994(8):22-27.

[11]中華人民共和國鐵道部.鐵運[2007]44號 既有線提速200～250 km/h線橋設(shè)備維修規(guī)則[S].北京:中國鐵道出版社，2007.