城市軌道交通軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)

莫偉平，戴源廷，田云峰，裴曉飛

（1.貴陽市城市軌道交通集團(tuán)有限公司，貴州貴陽 550081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城市軌道交通中心，北京 100081）

1 前言

2019年7月1日《城市軌道交通初期運(yùn)營(yíng)前安全評(píng)估技術(shù)規(guī)范 第1部分：地鐵和輕軌》（交辦運(yùn)[2019] 17號(hào)）正式頒布實(shí)施，以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)規(guī)范》?！都夹g(shù)規(guī)范》明確了城市軌道交通工程開通初期運(yùn)營(yíng)前，需要采用裝有軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)檢測(cè)裝置的電客車進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容包括軌距、軌向、高低、水平、三角坑、車體振動(dòng)加速度等[1]。通過軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)檢測(cè)，評(píng)價(jià)其是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，為城市軌道交通初期運(yùn)營(yíng)前安全評(píng)估工作提供數(shù)據(jù)支持[2-7]。

在鐵路上，軌道幾何狀態(tài)主要通過軌檢車或綜合檢測(cè)列車進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)設(shè)備一般基于永久性安裝設(shè)計(jì)[8-9]。由于采用永久性安裝方式，因此車輛在設(shè)計(jì)之初預(yù)留安裝接口，有效保障了設(shè)備安裝的安全性、便捷性。在城市軌道交通領(lǐng)域，早先的軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)一般通過永久加裝軌檢設(shè)備的工程車進(jìn)行，沒有在電客車上臨時(shí)安裝軌道檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)的先例[10]。為積極響應(yīng)中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部關(guān)于城市軌道交通初期運(yùn)營(yíng)前安全評(píng)估檢測(cè)的要求，2019年初，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司自主研發(fā)了適用于城市軌道交通電客車臨時(shí)安裝的軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，該檢測(cè)系統(tǒng)已在北京、深圳、杭州、合肥、西安、長(zhǎng)沙、呼和浩特等城市取得了良好的應(yīng)用效果[11]。

2 軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)

2.1 檢測(cè)技術(shù)發(fā)展

伴隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展，軌道幾何檢測(cè)技術(shù)也經(jīng)歷了深刻變革，從最初的人工測(cè)量，到接觸式、機(jī)械式的第1代檢測(cè)車、電磁傳動(dòng)式第2代檢測(cè)車，再到后來的非接觸式慣性基準(zhǔn)測(cè)量法，軌道幾何檢測(cè)技術(shù)已逐步從單一參數(shù)檢測(cè)發(fā)展到了全面參數(shù)檢測(cè)，從低速接觸式檢測(cè)發(fā)展到了高速非接觸式檢測(cè)，檢測(cè)精度也日益提高。經(jīng)過幾代技術(shù)革新，目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的軌檢系統(tǒng)為GJ-6型軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)唯一通過中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司評(píng)審的檢測(cè)系統(tǒng)。我國(guó)第1輛軌檢車如圖1所示。

2.2 GJ-6型檢測(cè)系統(tǒng)

圖1 我國(guó)第1輛軌檢車

GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)基于慣性基準(zhǔn)測(cè)量原理，結(jié)合高速激光斷面攝像技術(shù)和高速圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)參數(shù)的獲取。該系統(tǒng)主要由檢測(cè)梁、里程定位系統(tǒng)、車體加速度組件、信號(hào)處理組件和數(shù)據(jù)處理組件等組成[12]。檢測(cè)梁內(nèi)集成安裝了傳感器，并裝有激光攝像設(shè)備和慣性基準(zhǔn)設(shè)備，車體加速度傳感器安裝在車體地板上，里程定位通過安裝在軸端的脈沖傳感器實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)系統(tǒng)采樣間隔為250 mm，數(shù)據(jù)的每一次采集以米為單位標(biāo)記里程，輸出最終的測(cè)試數(shù)據(jù)和波形圖，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行報(bào)表輸出，檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

信號(hào)處理組件包括圖像預(yù)處理單元，數(shù)據(jù)處理組件包括圖像處理機(jī)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理機(jī)和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)采集處理流程如圖3所示。

3 軌道檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為滿足《技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)檢測(cè)的要求，并綜合考慮城市軌道交通車輛的實(shí)際情況，對(duì)GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的適應(yīng)性改造設(shè)計(jì)：①采用模塊化設(shè)計(jì)，將主要傳感器集成在針對(duì)城市軌道交通車輛重新設(shè)計(jì)的檢測(cè)梁上，盡量使系統(tǒng)輕量化、小型化；②采用分體式設(shè)計(jì)方式，將車下設(shè)備分為檢測(cè)梁和吊臂，通過設(shè)計(jì)加工尺寸精準(zhǔn)的吊臂，使軌道檢測(cè)梁能夠匹配不同型號(hào)的轉(zhuǎn)向架，實(shí)現(xiàn)在不同電客車上安裝、檢測(cè)。從測(cè)試準(zhǔn)確性的角度來看，將檢測(cè)設(shè)備安裝于轉(zhuǎn)向架上的檢測(cè)效果優(yōu)于安裝在車體上，因此，檢測(cè)梁至少需要滿足重量輕、體積小、易拆裝3方面要求。

3.1 輕量化設(shè)計(jì)

由于轉(zhuǎn)向架所能承受的重量有限，因此，需在保障安全、可靠的前提下，盡量實(shí)現(xiàn)輕量化。針對(duì)實(shí)際要求，主要在以下2方面進(jìn)行優(yōu)化。

（1）采用鋁合金材料制造檢測(cè)梁，并在檢測(cè)梁內(nèi)部設(shè)置內(nèi)艙結(jié)構(gòu)，艙內(nèi)空間用來安裝傳感器，如圖4所示，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在保證檢測(cè)梁強(qiáng)度的同時(shí)，盡可能地減輕了檢測(cè)梁的重量。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)采集處理流程圖

圖4 檢測(cè)梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

（2）選擇集成度高的傳感器，檢測(cè)梁上集成了左右2個(gè)激光攝像組件和1個(gè)高集成度的慣性基準(zhǔn)組件，如圖5所示，激光攝像組件包含激光光源和激光相機(jī)，慣性基準(zhǔn)組件包含若干陀螺儀組件。

圖5 檢測(cè)梁效果圖

3.2 小型化設(shè)計(jì)

城市軌道交通電客車車下設(shè)備種類、數(shù)量繁多，空間狹小，橫向和縱向可利用的空間有限。檢測(cè)梁的尺寸既要符合限界要求[13]，還要滿足車輛可通過半徑150 m曲線的條件[14]。

（1）檢測(cè)梁輪廓尺寸在B型車限界范圍內(nèi)，符合B型車限界標(biāo)準(zhǔn)，如圖6所示。

（2）經(jīng)計(jì)算，車輛在通過直線和半徑150 m曲線的工況下，檢測(cè)梁廓形均滿足B型車限界標(biāo)準(zhǔn)，如圖7所示。

3.3 分體式設(shè)計(jì)

圖6 檢測(cè)梁廓形示意圖

圖7 車輛在通過直線和半徑150 m曲線時(shí)檢測(cè)梁廓形

對(duì)國(guó)內(nèi)主要車輛廠的主要型號(hào)車輛及轉(zhuǎn)向架進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，每條線路所配屬的車輛雖然存在較大的區(qū)別，但在轉(zhuǎn)向架端部，一般會(huì)有安裝設(shè)備的預(yù)留孔位（圖8）。然而，即便是同一車輛廠的不同車輛，預(yù)留孔位的尺寸差異也很大。如果將檢測(cè)梁的尺寸固定，通過設(shè)計(jì)適用于不同型號(hào)車輛轉(zhuǎn)向架的吊臂分體式安裝結(jié)構(gòu)，既能方便拆裝，還具有通用性。

圖8 構(gòu)架端頭安裝孔示意圖

3.3.1 吊臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吊臂連接軌道檢測(cè)梁和轉(zhuǎn)向架，其設(shè)計(jì)原則如下：

（1）吊臂接口尺寸滿足軌道檢測(cè)設(shè)備安裝孔距為1 501 mm±5 mm的要求；

（2）安裝后的軌道檢測(cè)設(shè)備中心線與車輛走行方向中心線重合；

（3）安裝后的檢測(cè)梁上頂面距軌面垂直距離為394 mm±2 mm；

（4）在確認(rèn)安全的前提下，應(yīng)確保安裝后的檢測(cè)梁盡可能地靠近車輪；

（5）應(yīng)確保吊臂強(qiáng)度滿足軌道檢測(cè)設(shè)備荷載要求。

為保證檢測(cè)梁的水平度、距鋼軌上平面距離、激光相機(jī)角度等參數(shù)，最大限度保證軌道檢測(cè)設(shè)備的安裝精度，需根據(jù)不同車型轉(zhuǎn)向架端頭安裝孔尺寸及檢測(cè)梁實(shí)際尺寸，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)吊臂，以滿足檢測(cè)梁的安裝要求，實(shí)際效果如圖9所示。

圖9 檢測(cè)梁安裝示意圖

為減小構(gòu)架振動(dòng)可能對(duì)測(cè)量精度造成的不利影響，在吊臂和檢測(cè)梁之間設(shè)計(jì)了橡膠減振墊，最大限度優(yōu)化了檢測(cè)設(shè)備的工況。

3.3.2 吊臂強(qiáng)度分析

在保證檢測(cè)梁安裝準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，需結(jié)合吊臂材質(zhì)、實(shí)際工況對(duì)其結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行理論計(jì)算。根據(jù)吊臂圖紙建立有限元模型，吊臂材質(zhì)采用S355型鋼，其材料參數(shù)如表1所示。

表1 吊臂材料參數(shù)表

如圖10所示，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，吊臂采用自由劃分的四面體單元，單元類型為實(shí)體單元solid45，單元尺寸為0.5～1 cm，共計(jì)14 034個(gè)節(jié)點(diǎn)和41 217個(gè)單元。

圖10 吊臂有限元模型圖

對(duì)吊臂施加荷載，檢測(cè)設(shè)備質(zhì)量為65 kg，分配到每個(gè)吊臂的垂向荷載為32.5 kg，垂向加速度取20g，考慮車輛運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生橫向和縱向振動(dòng)，在構(gòu)件加載位置處，加載橫向力取32.5 kg，橫向加速度取10g，縱向加速度取5g，進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 垂向應(yīng)力結(jié)果云圖（單位：Pa）

圖12 Mises應(yīng)力結(jié)果云圖（單位：Pa）

從計(jì)算結(jié)果可知：吊臂垂向應(yīng)力最大值為113 MPa，主要集中在吊件間連接位置，Mises應(yīng)力最大值為233 MPa，主要集中在吊件間連接位置和吊臂與轉(zhuǎn)向架連接位置，應(yīng)力均小于S355型鋼的抗拉強(qiáng)度345 MPa，安全系數(shù)為1.49，滿足EN13749附件E第E4.3節(jié)中規(guī)定的安全系數(shù)大于1.0的要求[15]。

3.3.3 安裝螺栓強(qiáng)度分析

吊臂安裝螺栓起到連接吊臂與構(gòu)架的作用，其強(qiáng)度亦直接影響到軌道檢測(cè)設(shè)備整體的安全性，結(jié)合實(shí)際工況，對(duì)其安全性進(jìn)行校核。

（1）頂部螺栓強(qiáng)度校驗(yàn)。檢測(cè)設(shè)備質(zhì)量為65 kg，分配到每個(gè)吊臂的質(zhì)量m為32.5 kg，每個(gè)吊臂質(zhì)量為15 kg，加速度a取20g，故吊臂上部由4個(gè)M20螺栓進(jìn)行固定，每個(gè)螺栓受剪力2 375 N，按照公式（1）計(jì)算其抗剪切強(qiáng)度Fs，計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)低于普通螺栓的抗剪強(qiáng)度140 N/mm2，安全系數(shù)為18.4。

（2）底部螺栓強(qiáng)度校驗(yàn)。吊臂下部由2個(gè)M24螺栓進(jìn)行連接，加速度取20g，每個(gè)螺栓受拉力3 350 N，按照公式（2）計(jì)算其抗拉強(qiáng)度Fs，計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)低于普通螺栓的抗拉強(qiáng)度170 N/mm2，安全系數(shù)為23.6。

4 工程應(yīng)用

根據(jù)貴陽某城市軌道交通線路車輛轉(zhuǎn)向架實(shí)際接口尺寸設(shè)計(jì)安裝吊臂，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖13所示。檢測(cè)梁通過吊臂安裝于列車轉(zhuǎn)向架的某一軸端部，在確保車輛運(yùn)行過程中檢測(cè)梁組件不與轉(zhuǎn)向架發(fā)生干涉的前提下，檢測(cè)梁盡可能靠近車軸，其縱向中心線應(yīng)與車體縱向中心線重合。

圖13 檢測(cè)梁現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，車輛運(yùn)行至下行某里程處時(shí)，軌道左高低、右高低和垂向加速度等測(cè)試參數(shù)有明顯超限，其中左高低、右高低峰值達(dá)到了9.41 mm，車體垂向加速度峰值達(dá)到了0.12g，明顯超過了《技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求。施工單位根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行整改后，復(fù)測(cè)結(jié)果顯示該區(qū)段全部檢測(cè)指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判要求，問題整改完成前后軌道幾何波形對(duì)比如圖14所示。

5 結(jié)論

通過對(duì)GJ-6系統(tǒng)進(jìn)行輕量化、小型化、分體式等結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在不同電客車上安裝、檢測(cè)的可能。工程應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可以滿足《技術(shù)規(guī)范》關(guān)于軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)的要求，并且可以有效發(fā)現(xiàn)軌道相關(guān)缺陷。該系統(tǒng)對(duì)于以電客車為載體，實(shí)現(xiàn)初期運(yùn)營(yíng)前檢測(cè)以及運(yùn)營(yíng)期間周期性檢測(cè)，進(jìn)而為安全評(píng)估及軌道運(yùn)維提供數(shù)據(jù)支撐等提供了幫助。

圖14 整改前后波形對(duì)比圖