鋼軌平順性檢測(cè)技術(shù)的分析與對(duì)比

黃欣榮 王文寧 王森

【摘要】軌道平順性是影響列車(chē)運(yùn)行安全的關(guān)鍵因素之一。目前，常見(jiàn)的軌道平順性檢測(cè)方法大致可以分為靜態(tài)直接測(cè)量、動(dòng)態(tài)直接測(cè)量等2類(lèi)。文章對(duì)上述方法的檢測(cè)原理進(jìn)行了闡述，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。

【關(guān)鍵詞】軌道平順性 檢測(cè)技術(shù) 分析對(duì)比

軌道平順性是影響列車(chē)運(yùn)行安全性的關(guān)鍵因素之一，高速鐵路的軌道必須具有高平順性。為此，鐵路行業(yè)投入了大量的人力、物力，研究開(kāi)發(fā)軌道平順性檢測(cè)技術(shù)。目前，常用的軌道平順性檢測(cè)技術(shù)主要有2類(lèi)：靜態(tài)直接測(cè)量、動(dòng)態(tài)直接測(cè)量。靜態(tài)直接測(cè)量以人工作業(yè)為主，目前仍是一種不可替代的測(cè)量手段，線路開(kāi)通前的精調(diào)、施工作業(yè)后的復(fù)核等都離不開(kāi)靜態(tài)直接測(cè)量。為降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高檢測(cè)效率，世界各國(guó)相繼開(kāi)發(fā)出了多種靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的線路檢查裝置，如軌檢小車(chē)等。動(dòng)態(tài)直接測(cè)量方法近些年獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步，英國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、日本、意大利、中國(guó)等相繼開(kāi)發(fā)出了軌道檢查車(chē)或綜合檢測(cè)列車(chē)等特種車(chē)輛，可以對(duì)線路進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、全面的檢測(cè)，其測(cè)量結(jié)果更加接近線路動(dòng)態(tài)荷載下的真實(shí)狀態(tài)。本文將對(duì)上述方法逐一進(jìn)行闡述和分析。

一、靜態(tài)直接測(cè)量

靜態(tài)直接測(cè)量主要包括道尺、弦繩和軌檢小車(chē)等。其中，軌檢小車(chē)作為一種準(zhǔn)靜態(tài)軌道不平順測(cè)量裝置，在新線施工、整道、檢查鋪設(shè)精度、驗(yàn)收作業(yè)質(zhì)量等方面發(fā)揮了重要作用。軌檢小車(chē)生產(chǎn)廠家眾多，國(guó)外有德國(guó)GEDOCE、瑞士Amberg等，國(guó)內(nèi)有南昌日月明、四川什郁瑞邦、資陽(yáng)立信、長(zhǎng)沙悅誠(chéng)、中鐵咨詢(xún)等。

軌檢小車(chē)的測(cè)量原理基本相似，都是由小車(chē)攜帶測(cè)量裝置（包含傾角儀、加速度計(jì)、陀螺儀、位移傳感器、里程計(jì)等），由手推或馬達(dá)驅(qū)動(dòng)小車(chē)沿軌道移動(dòng)時(shí)測(cè)量軌道不平順，可以輸出軌距、超高（水平）、軌向、高低等軌道不平順參數(shù)。

（1）軌距檢測(cè)。軌距指兩股鋼軌頭部?jī)?nèi)側(cè)軌頂面下方16mm處兩作用邊之間的最小距離。通常根據(jù)橫梁上的直線位移傳感器的輸出來(lái)計(jì)算軌距值，鋼軌飛邊將對(duì)軌距檢測(cè)產(chǎn)生較大影響。

（2）超高（水平）檢測(cè)。超高是指同一橫截面上左右軌頂面相對(duì)所在水平面的高度差。檢測(cè)時(shí)，由軌檢小車(chē)上搭載的水平傳感器（傾角儀、側(cè)滾陀螺等）測(cè)量出走行面和水平參考面之間的角度，再結(jié)合兩股鋼軌頂面中心間的距離（直角三角形斜邊），通過(guò)三角函數(shù)關(guān)系即可求出線路超高。

（3）高低/軌向檢測(cè)。高低是指鋼軌頂面沿軌道延長(zhǎng)方向上的垂向凹凸不平順，軌向是指鋼軌內(nèi)側(cè)沿軌道延長(zhǎng)方向上的橫向凹凸不平順。二者檢測(cè)原理相同，可以通過(guò)弦測(cè)正矢或陀螺儀的垂向輸出或橫向輸出測(cè)得線路的高低和軌向，再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型推算即可得到對(duì)應(yīng)弦長(zhǎng)的正矢。

（4）里程。里程是指軌檢小車(chē)測(cè)量時(shí)走過(guò)的距離，通過(guò)里程測(cè)量輪上的旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)記錄里程值。軌檢小車(chē)的所有測(cè)量結(jié)果均包括里程信息，以便快速定位軌道幾何偏差對(duì)應(yīng)的線路位置。

軌檢小車(chē)作業(yè)靈活，使用方便，相比于人工使用道尺或拉弦的測(cè)量方式，效率得到了大幅提升。但同時(shí)，由于測(cè)量時(shí)線路處于無(wú)輪載狀態(tài)，其測(cè)量得到的結(jié)果只是靜態(tài)軌道不平順，只能部分反映道床路基不均勻殘余變形積累形成的不平順，不能反映暗坑、吊板、彈性不均勻等線路荷載下出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)不平順。 二、動(dòng)態(tài)直接測(cè)量 動(dòng)態(tài)直接測(cè)量方法是利用安裝有檢測(cè)設(shè)備的特種用途車(chē)輛對(duì)軌道動(dòng)態(tài)不平順進(jìn)行直接測(cè)量，此類(lèi)設(shè)備主要有軌道檢查車(chē)和綜合檢測(cè)列車(chē)2類(lèi)。我國(guó)軌道檢查車(chē)或綜合檢測(cè)列車(chē)上的軌道不平順檢測(cè)裝備主要為GJ-6型軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用慣性測(cè)量原理、捷聯(lián)式結(jié)構(gòu)和非接觸測(cè)量方法，應(yīng)用了圖像處理技術(shù)、陀螺平臺(tái)、數(shù)字濾波、以及計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理等高技術(shù)，能夠選擇不同截止波長(zhǎng)的空間曲線或不同弦長(zhǎng)的弦測(cè)結(jié)果輸出軌道不平順。GJ-6型軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)主要由激光攝像組件、慣性測(cè)量組件、信號(hào)處理組件、數(shù)據(jù)處理組件等組成。

（1）激光攝像組件。主要包含激光器、攝像機(jī)、溫控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)等關(guān)鍵部件。通過(guò)對(duì)鋼軌輪廓進(jìn)行圖像處理，得到鋼軌相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)系的橫向位移，再由2根鋼軌的橫向位移合成軌距，橫向位移也是軌向測(cè)量的重要分量。

（2）慣性測(cè)量組件。主要由陀螺平臺(tái)（搖頭陀螺YAW、滾動(dòng)陀螺ROLL和傾角儀INCL）、左右高低加速度計(jì)、軌向加速度計(jì)等慣性器件組合而成。慣性測(cè)量組件主要功能是采集檢測(cè)梁和車(chē)體的滾動(dòng)和搖頭角速度、傾角、垂向和橫向加速度，用于建立軌道檢測(cè)的慣性基準(zhǔn)，滿足軌向、高低、水平（超高）、三角坑、曲率等參數(shù)的測(cè)量要求，并通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)母咄V波器濾除不需要的波長(zhǎng)成分，保留所需的波長(zhǎng)成分，即可得到一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的高低不平順曲線。

（3）信號(hào)處理組件。信號(hào)處理組件由信號(hào)轉(zhuǎn)接及監(jiān)視裝置（Patch-Panel）、信號(hào)調(diào)節(jié)濾波裝置（SCU）、和一臺(tái)數(shù)字濾波計(jì)算機(jī)組成，能夠?qū)T性測(cè)量部件輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波、補(bǔ)償、修正、合成計(jì)算，輸出軌道幾何參數(shù)包括軌距、左右高低、左右軌向、水平（超高）、三角坑、曲率、曲線半徑。同時(shí)，可以檢測(cè)線路標(biāo)志，包括道口、道岔、橋梁、曲線拉桿等。

（4）數(shù)據(jù)處理組件。數(shù)據(jù)處理組件是由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、交換機(jī)等設(shè)備組成車(chē)載局域網(wǎng)系統(tǒng)。其中，實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了傳感器原始信號(hào)的采集、處理、修正、濾波和軌道幾何參數(shù)的合成，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，用戶通過(guò)數(shù)據(jù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行超限數(shù)據(jù)及波形的瀏覽、打印、分析對(duì)比等工作。

軌道檢查車(chē)或綜合檢測(cè)列車(chē)使用了大量高精度傳感器，且檢測(cè)速度與線路允許運(yùn)營(yíng)速度一致，具備了檢測(cè)算法先進(jìn)、檢測(cè)項(xiàng)目全面、檢測(cè)精度高、檢測(cè)效率高的特點(diǎn)，為工務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)維修提供了重要的支持。同時(shí)，軌道檢查車(chē)或綜合檢測(cè)列車(chē)缺點(diǎn)也較為明顯，如購(gòu)置及維護(hù)成本高、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用昂貴、需安排專(zhuān)用的車(chē)輛調(diào)度計(jì)劃、不能及時(shí)對(duì)作業(yè)地點(diǎn)進(jìn)行檢查、基于激光攝像原理的檢測(cè)項(xiàng)目易受雨雪天氣影響等，因此，其推廣及使用受到了一定的制約。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，軌檢小車(chē)作業(yè)靈活，使用方便，但只能反映靜態(tài)軌道不平順。軌道檢查車(chē)或綜合檢測(cè)列車(chē)提供了高精度、高效率的動(dòng)態(tài)不平順測(cè)量方案，但購(gòu)置及維護(hù)成本高且調(diào)度不便。2種方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，但可以互為補(bǔ)充，取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同保證鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。需指出，雖然軌道平順性檢測(cè)技術(shù)在近些年獲得了極大的發(fā)展，但仍存在一些亟待解決的問(wèn)題，例如，更長(zhǎng)波長(zhǎng)不平順的檢測(cè)及基于絕對(duì)坐標(biāo)體系的空間動(dòng)態(tài)測(cè)量基準(zhǔn)的獲得等。