鐵路線路維護(hù)檢測技術(shù)應(yīng)用綜述

雷少奎

摘要：隨著我國鐵路事業(yè)的不斷發(fā)展，對鐵路線路維護(hù)檢測提出了更高的要求。鐵路線路維護(hù)檢測技術(shù)的要求越來越高，工作量越來越大，傳統(tǒng)的鐵路線路維修檢測技術(shù)已經(jīng)無法適應(yīng)鐵路線路的迅速發(fā)展。文章借鑒了他國先進(jìn)的鐵路線路維修檢測技術(shù)，分析了鐵路線路維修檢測系統(tǒng)各個組成部分及其作用，希望能夠推動我國鐵路線路維護(hù)檢測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鐵路線路；維護(hù)檢測技術(shù)；線路養(yǎng)護(hù)；鐵路事業(yè)；交通科技 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U216 文章編號：1009-2374（2015）05-0064-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0364

近年來我國的鐵路事業(yè)得到了極大的發(fā)展，在給經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民群眾的生活帶來了更大的便利的同時，也給鐵路線路的維護(hù)檢測帶來了更大的挑戰(zhàn)。隨著當(dāng)前人們對鐵路線路的安全性、便捷性、舒適性和承載量的要求越來越高，列車的間隔時間更短，列車速度不斷提高，這也造成了鐵路線路處于極端機(jī)械應(yīng)力狀態(tài)，需要對其系統(tǒng)裝備進(jìn)行檢測和維護(hù)。本文對鐵路線路維護(hù)檢測系統(tǒng)進(jìn)行了分析，旨在推動我國鐵路線路維護(hù)檢測技術(shù)的不斷提高。

1 鐵路線路的軌道維護(hù)

鐵路線路的軌道維護(hù)是鐵路維護(hù)檢測系統(tǒng)的一個重要方面，通過鐵路線路的軌道維護(hù)才能夠保持鐵路線路軌道的良好運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)鐵路線路鋪設(shè)完成一段時間之后，會出現(xiàn)一些缺陷或者線路軌道參數(shù)改變的情況。因此必須先通過高質(zhì)量的驗(yàn)證和檢測，來對線路軌道的狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)的確認(rèn)。

線路軌道的參數(shù)有橫截面、縱向斷面和軌道幾何尺寸等等，線路軌道的機(jī)械接觸非常復(fù)雜，是一個動態(tài)的彈性治療系統(tǒng)，會受到線路軌道的下部基礎(chǔ)設(shè)施的影響。鐵路工程標(biāo)準(zhǔn)會對這些重要參數(shù)的容差范圍和缺陷進(jìn)行分類，從而對不符合標(biāo)準(zhǔn)的缺陷進(jìn)行處理，制定科學(xué)的軌道維護(hù)計劃。

1.1 軌道幾何尺寸

由于對列車之道和彎道行駛的保障職責(zé)由軌距來擔(dān)任，因此行駛的列車出現(xiàn)搖晃和震動的現(xiàn)象很可能是軌道傾角變化造成的。一些不符合標(biāo)準(zhǔn)的情況也會從軌道機(jī)械缺陷中反映出來，例如孔洞、波紋等等。當(dāng)然彎道處軌道系統(tǒng)也需要必要的縱向剖面傾斜，從而減少列車在彎道行駛時的離心力。標(biāo)準(zhǔn)軌距可以防止列車高速行駛時發(fā)生碰撞。

1.2 軌道縱斷面

軌道縱斷面如果發(fā)生崩落和裂縫很可能會造成列車出軌，而鋼軌的波紋磨損會對路基造成損害，并產(chǎn)生嚴(yán)重的噪音。當(dāng)波長在20～100毫米之間時意味著產(chǎn)生了波紋磨損，當(dāng)振幅大于0.5毫米時會產(chǎn)生噪音，振動峰值到達(dá)0.3毫米時就會損壞路基。

車輪通過岔道或者車輪摩擦?xí)r容易產(chǎn)生單個孔洞，單個孔洞會造成運(yùn)行中列車偶然出現(xiàn)的顛簸。而這種電波在陳舊鐵路線上則成為了經(jīng)常性顛簸。究其原因這是由于焊接成舊鐵路線區(qū)段的往往是18米的長鋼軌。

1.3 鋼軌橫截面

技術(shù)人員可以很容易地對新安裝的鋼軌頭部的規(guī)格尺寸和幾何形狀進(jìn)行計算，并根據(jù)車輪對鋼軌的界面對其進(jìn)行優(yōu)化。特定半徑和切向線都屬于幾何形狀，滿足車輪滾動的經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定和安全方面的需要。

2 檢測線路軌道

2.1 線路軌道的檢測方案制定

要以軌道維護(hù)的目標(biāo)要求和維護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)為基礎(chǔ)制定線路軌道檢測系統(tǒng)，鐵路軌道檢測系統(tǒng)要將軌道網(wǎng)絡(luò)幾何結(jié)構(gòu)和已掌握的鋼軌現(xiàn)狀囊括在內(nèi)，將橫斷面、縱向剖面圖、鋼軌幾何尺寸、測量結(jié)果里程表結(jié)合起來，制定科學(xué)的、智能化的檢測方案，利用GPS對被測參數(shù)進(jìn)行定位。線路軌道的檢測方案主要是通過線路測量車的配備或者利用移動式計量裝置來取得線路軌道參數(shù)。將Blackfin處理器放置于線路測量車或移動式計量裝置中，通過分析軟件對參數(shù)進(jìn)行精確的測量和分析，再根據(jù)GIS系統(tǒng)形成完整的信息分析結(jié)果。

2.2 檢測軌道幾何尺寸

對軌距的檢測主要使用非接觸式感應(yīng)傳感器原理，能夠達(dá)到0.01毫米的精確度?？梢允褂酶↑c(diǎn)算法來對軌道與軌道之間的距離進(jìn)行測量，并得出垂直距離和水平距離。Blackfin處理器能夠?qū)?米范圍內(nèi)的擺動控制在5°以內(nèi)。通過中位數(shù)過濾和低通過濾縱段數(shù)據(jù)，能夠完成從極坐標(biāo)到直角坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。

在檢測時要將鋼軌端頭的幾何尺寸的特征矢量準(zhǔn)確地找出來，為了確保矢量測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，要采取跟蹤算法和可信度檢查器。

2.3 檢測縱向斷面

以非接觸式的高速渦輪傳感器來對兩側(cè)鋼軌的表面進(jìn)行記錄，磁編碼氣脈沖能夠?qū)⒕忍岣叩轿⒚准墑e。磁環(huán)產(chǎn)生的信號由線性編碼器進(jìn)行處理之后可以成為傳感器AD轉(zhuǎn)換器和里程表的觸發(fā)信號，能夠?qū)附狱c(diǎn)不符合標(biāo)準(zhǔn)、局部硬化點(diǎn)等缺陷進(jìn)行記錄。

2.4 檢測鋼軌的橫截面

對鋼軌橫截面的檢測一般用高速激光掃描儀來完成，當(dāng)前最先進(jìn)的非接觸式測量技術(shù)手段就是激光技術(shù)，其能夠?qū)λ俣冗M(jìn)行捕捉，或者以所需的精確度為依據(jù)，完成對鋼軌橫截面的檢測。

3 鐵路線路維護(hù)的計量技術(shù)裝置

3.1 檢測系統(tǒng)以Blackfin處理器為核心

檢測系統(tǒng)結(jié)合了DSP技術(shù)和MCU技術(shù)，以Blackfin處理器作為技術(shù)核心，能夠適用于給定的任意蓄電池運(yùn)行，具備提供動態(tài)電源管理的功能。檢測系統(tǒng)的MCU技術(shù)具備可擴(kuò)充量的輸入輸出功能，可以進(jìn)行移動式裝置、油量計、蓄電池、TFT、鍵盤、數(shù)字傳感器和激光掃描儀等裝置的連接。而檢測系統(tǒng)的DSP部分可以完成先進(jìn)的數(shù)字算法任務(wù)，例如幾何尺寸殘差、FFTs和濾波的計算。Blackfin處理器具有數(shù)據(jù)流語言和高級框圖，并通過Lab VIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計來提供編程模型。這樣可以對下一級別的數(shù)字化嵌入式進(jìn)行設(shè)計，并具備圖形多任務(wù)移動功能和數(shù)學(xué)分析模塊。

3.2 智能化的計量技術(shù)裝置

將現(xiàn)代化的設(shè)計方法和嵌入先進(jìn)處理器技術(shù)來進(jìn)行鋼軌差值和裂縫的檢測，使鐵路基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)檢測工作可以使用多功能化的、可移動的智能化計量裝置。

例如可以使用鋼軌檢測裝置來對鋼軌的環(huán)境溫差、深度、傾角、軌距、頭部高度和橫截面等參數(shù)進(jìn)行測定，其對時間和環(huán)境沒有較高的要求，制造和使用都比較簡單，能夠在任意位置上完成記錄和檢測。再例如在對縱向軌道參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和記錄時可以使用Railsurf鋼軌滑板計量裝置，其具有可視化、現(xiàn)場處理等功能，還可以利用移動存儲器對檢測結(jié)果進(jìn)行存儲，既可以適用于車輛沿著軌道拖拉作業(yè)也適用于一人操作，通過企業(yè)傳感器能夠?qū)︿撥壍膬A角變化、軌距變化、裂縫、孔洞和波紋磨損進(jìn)行檢測。

3.3 利用線路測量車進(jìn)行檢測

多功能線路測量車有5個Blackfin處理器組成，能夠?qū)?0千米的鐵路區(qū)段的軌道參數(shù)進(jìn)行記錄，并達(dá)到5毫米的點(diǎn)對點(diǎn)分辨率。5個Blackfin處理器相互關(guān)聯(lián)，1號Blackfin處理器能夠使用兩個液晶顯示器和交互操作鍵盤，2號Blackfin處理器則對高速運(yùn)行條件下的軌道縱斷面圖和幾何尺寸進(jìn)行記錄，3號Blackfin處理器安裝了GPS系統(tǒng)，能夠?qū)Φ乩砦恢眯畔⑦M(jìn)行確定，4號Blackfin處理器主要處理各種參數(shù)，5號Blackfin處理器對其他四個處理器的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和存儲。

4 定位線路軌道的缺陷

4.1 線路軌道缺陷定位的含義

一般使用一個共同的軟件平臺對缺陷定位的檢測測量結(jié)果進(jìn)行匯總，并將里程表信息、GPS位置、軌道橫截面、縱斷面和幾何尺寸的信息連接起來。該平臺通過工具包和Lab VIEW軟件的運(yùn)行，發(fā)揮了公共數(shù)據(jù)分析和交換庫的作用，能夠通過接口連接維修裝備、車輛和測量設(shè)備。X射線等測量手段可以通過智能化濾波器來對線路軌道的關(guān)鍵缺陷進(jìn)行定位，并以數(shù)字化的形式對鋼軌的幾何尺寸全貌特征進(jìn)行反映，在線路軌道更換和維修中進(jìn)行利用。

4.2 利用Lab VIEW濾波器

鋼軌中的缺陷癥狀可以通過Lab VIEW濾波器的縱向數(shù)據(jù)篩分檢測來完成，這主要對通過對鋼軌波紋進(jìn)行快速傅立葉變換分析以及縱斷面中的特征波長分析來實(shí)現(xiàn)。比較實(shí)測界面圖和已存模型之間的差別，并對輪軌機(jī)械接觸進(jìn)行模擬，從而跟蹤軌道的孔洞缺陷。在檢測圖形中鋼軌裂縫會出現(xiàn)明顯變化，可以鑒別移動數(shù)據(jù)的窗口，從而對鋼軌的裂縫進(jìn)行檢測，并對其進(jìn)行評估分析。

4.3 對“缺陷”地圖進(jìn)行精確的定位

對“缺陷”地圖進(jìn)行精確定位主要是通過GPS數(shù)據(jù)來完成的，其中增加了一些有用的新內(nèi)容，例如車站、道岔和彎道等等，成為一種比較簡便的GIS系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了圖像處理功能。例如可以將局域地圖細(xì)分為若干條塊，并標(biāo)明準(zhǔn)確的地圖坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對缺陷位置的精確定位和迅速瀏覽。

5 軌道缺陷問題的解決

可以在資料設(shè)置點(diǎn)的維修設(shè)備當(dāng)中下載利用IT環(huán)境產(chǎn)生的電子維修計劃，這樣就能夠使軌道缺陷的問題得到有效的解決。其中1個Blackfin處理器包括1個可移動存儲器、2個顯示鋼軌圖像的液晶屏以及1個多功能鍵盤。2個激光掃描儀能夠?qū)M截面快照通過20Hz的頻率連續(xù)捕捉過來，同時利用CAN網(wǎng)絡(luò)向CPU進(jìn)行在線數(shù)據(jù)傳輸。隨后該處理器能夠?qū)⒄諜M截面之間的偏差機(jī)型計算，并且向基本磨削裝置提供新設(shè)置點(diǎn)。

這種磨削裝置當(dāng)中的磨削頭一共包括6個，而且每個磨削頭都具備3種自由度，因此能夠有效地保證鋼軌磨削的順利進(jìn)行。使用可移動媒體能夠在鋼軌磨削過程中下載一系列橫截面測量數(shù)據(jù)，并且能夠向IT環(huán)境進(jìn)行及時的反饋，從而能夠使保鋼軌磨削質(zhì)量得到

保證。

6 結(jié)語

綜上所述，采用全面狀態(tài)檢測分析的方式針對包括接觸網(wǎng)、道岔以及軌道等鐵路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行檢測，能夠使重載區(qū)路以及高速鐵路的安全運(yùn)行得到有效的保證，同時也能夠?qū)⒖茖W(xué)的依據(jù)提供給維修計劃的制定。實(shí)踐證明，當(dāng)今鐵路裝置設(shè)施檢測的發(fā)展趨勢就是智能化、自動化以及電子化的檢測手段，而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來其必然會在鐵路的安全快捷運(yùn)行中發(fā)揮更大的作用。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）