軌道幾何狀態(tài)檢測基本原理和檢測技術(shù)研究

李 丹

（晉能控股山西煤業(yè)股份有限公司塔山鐵路分公司，山西 大同 037000）

引言

我國的貨運鐵路運輸正在不斷向高速化和重載化的方向發(fā)展，在行車密度越來越大的同時，線路的荷載也越來越重，出現(xiàn)軌道幾何形變的速度不斷加快，而鐵路維護部門面臨的現(xiàn)狀是維修工作量不斷增加，但是可開展維修作業(yè)的時間卻越來越緊迫，導致運輸和線路維護之間的矛盾越發(fā)突出?，F(xiàn)代軌檢車的研制和計算機技術(shù)的大力推廣，給軌道幾何狀態(tài)檢測工作的開展提供了物質(zhì)保障。如何基于大量離散型軌道幾何數(shù)據(jù)來對軌道區(qū)段的質(zhì)量狀態(tài)進行評價，就成為養(yǎng)護計劃開展的重要依據(jù)。

1 軌道幾何狀態(tài)檢測基本原理

1.1 軌道幾何狀態(tài)概述

軌道幾何狀態(tài)就是指軌道各個部分的幾何形狀、尺寸情況和相對位置，具體指標包括軌道間距、水平和高低位置、三角坑等等。由于軌道會受到列車的反復荷載作用，因而軌道的幾何形狀、位置都難免會和建設(shè)初期有一定的變化，甚至出現(xiàn)軌道幾何不平順的問題。軌道的幾何不平順程度和荷載的作用之間有非常密切的關(guān)系。

軌道幾何狀態(tài)判斷中最為重要的標準就是軌道幾何形位的數(shù)值，幾何狀態(tài)的質(zhì)量可以直接決定機車車輛運行的安全性，并且對設(shè)備的使用壽命、養(yǎng)護費用也有較大的影響，因而軌道幾何狀態(tài)管理成為鐵路工務(wù)部門工作的重要組成部分[1]。

軌道幾何不平順的情況是無法采用一項或幾項簡諧函數(shù)或者其他確定性描述來進行表述的。無論是有縫鐵路還是無縫鐵路，軌道當中存在的不平順都是鐵路里程的隨機函數(shù)，無論是波長還是波幅，都屬于隨機變量。而了解和運用這些隨機變量的變化規(guī)律，就可以對輪軌之間相互作用的問題進行研究，并對于機車車輛和軌道系統(tǒng)各種動力響應情況進行預測和分析，這也是現(xiàn)代機車車輛的設(shè)計、軌道的建設(shè)和養(yǎng)護、軌道和機車的質(zhì)量評估中的重要分析手段。

與此同時，軌道隨機幾何不平順也有一定的波狀特性，其波長和波幅的變化范圍都較廣。這些數(shù)值和軌道結(jié)構(gòu)以及類型之間的關(guān)系都較為密切，在一般情況下，長波幅值較大，而短波的幅值則較小，不平順情況也可以分為單波的不平順，也可能在幾個波長之間存在不平順。

上述特征也在現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)據(jù)分析中得到了證實，軌道不平順波形沒有規(guī)則性，同時波長和幅值的變化幅度也較大。

1.2 軌道幾何狀態(tài)的評價與管理

相關(guān)研究證實，軌道不平順對于車輛運行的影響并不僅僅由于波幅，同時波長造成的影響作用也是較為明顯的。無論是長波長還是短波長，其不平順都會在很大程度上影響行車穩(wěn)定性。具體來說，長波長軌道不平順會對列車的穩(wěn)定性造成影響，而短波長和中波長的不平順則會更為嚴重，直接影響列車運行的安全性，因而國外對各種波長的不平順檢測都較為重視。當前法國鐵路對軌道不平順分為兩個等級進行管理，分別是傳統(tǒng)基長和擴展基長這兩個類型。而日本則分為10 m 中波和40 m 長波來檢測和管理軌道不平順問題。

判斷軌道不平順，并采取技術(shù)手段進行控制，在國外已經(jīng)有了一定的研究成果，并且在實際應用中取得了成效。如法國、日本和德國等國的鐵路運輸都較為發(fā)達，這些國家基于本國鐵路運輸特點和軌道結(jié)構(gòu)、鐵路平斷面和縱斷面的實際情況，制定了一系列鐵路軌道不平順的管理標準和控制措施，針對各級鐵路都形成了一套完善的制度體系，例如：軌道作業(yè)驗收、軌道日常養(yǎng)護、緊急不休和限速管理等等，這些都充分保證了軌道質(zhì)量。

相較之下，我國對于軌道不平順控制的起步則較晚，上世紀八十年代才開始在該領(lǐng)域進行系統(tǒng)研究，但也已經(jīng)有了一定的研究成果。例如：在“六五”——“八五”期間，對軌道不平順控制領(lǐng)域項目進行立項，對我國鐵路運行情況進行分析，并以此為基礎(chǔ)，出臺了比較完善的干線鐵路軌道不平順管理方法，包括有日常維護、施工驗收、緊急搶修和限速管理等等，并且在軌道和路基以及橋梁設(shè)計方面提出了較為詳細的標準。目前國內(nèi)外研究成果和實踐成果都證實，線路平縱斷面和軌道平順性都會對列車的行車速度造成影響。如果軌道不夠平順，就會導致列車行駛過程中出現(xiàn)振動，并且隨著車速的提高，輪軌作用力也相應增加，嚴重時甚至會導致列車脫軌事故的發(fā)生。

如今隨著軌檢車等檢測設(shè)備的投入使用和計算機設(shè)備的推廣，我們可以獲得更加詳細而真實的軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。但是目前仍然需要分析大量的數(shù)據(jù)，客觀地評價軌道運行幾何形位狀態(tài)，這也是當前鐵路工務(wù)管理部門面臨的問題，關(guān)系到軌道幾何形位狀態(tài)、軌道使用壽命和維修費用等一系列問題，更直接影響到列車運行的安全穩(wěn)定性[2-3]。

2 軌道幾何狀態(tài)檢測技術(shù)

2.1 軌檢小車測站間搭接

目前我國對運用軌檢小車來開展幾何狀態(tài)測量工作的規(guī)范要求較為籠統(tǒng)，且僅僅對于測量距離和步長以及換站搭接長度進行了一定的要求，對搭接輸出處理方式則沒有作出明確規(guī)定，因而不同的廠家在軌檢小車測站間的搭接方式上存在一定的差別。

部分全站儀設(shè)備換站采集過程中使用的是現(xiàn)場搭接，在這種搭接方式之下，使用一個里程會有一個對應數(shù)據(jù)，然而在搭接之后沒有進行相應的處理?，F(xiàn)場搭接僅僅會帶著搭接區(qū)數(shù)據(jù)來進行搭接，但是并沒有考慮不同搭接區(qū)段之間的前后延續(xù)性，因而會導致波形圖失真，無法體現(xiàn)平順性指標，尤其是在部分換站偏差較大的數(shù)據(jù)分析，失誤的可能性較大。

2.2 后處理搭接方式

全站儀的換站過程中，不進行現(xiàn)場搭接的方式，而是將同一里程前后兩站的數(shù)據(jù)都進行記錄，因而搭接區(qū)同一個里程點當中就有兩組數(shù)據(jù)，在后處理的過程中重新進行搭接處理。其處理方式有兩種，分開處理和綜合處理。

分開處理是將搭接區(qū)的數(shù)據(jù)分別和前段、后段組成波形圖，從而讓搭接區(qū)分別與前段和后段構(gòu)成平順性對比曲線，這樣可以在一定程度上保證平順性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。綜合處理則是將搭接前后的曲線都體現(xiàn)在波形圖上，在搭接完成之后，再采集平順性指標。在個別情況下，由于搭接偏差較大，所以導致平順性指標的偏差也較大，因而可以在波形圖上進行驗證，并且結(jié)合搭接前的數(shù)據(jù)波形圖來評估軌道平順性情況。對比來看，筆者認為綜合處理是最優(yōu)的搭接處理方法，可以有效提高搭接區(qū)段平順性，確保數(shù)據(jù)真實。

上述分析證實，搭接區(qū)數(shù)據(jù)處理方式的不同會直接影響軌道平順性評估的結(jié)果。當前我國對測站間的搭接處理方式并沒有出臺明確規(guī)定，經(jīng)過大量的實踐和數(shù)據(jù)分析，筆者認為，將波形圖和平順性指標結(jié)合起來，同時采用綜合處理后搭接方式具有較好的使用效果。在測站間搭接技術(shù)使用的過程中，應當對該方法進行分析和完善，形成規(guī)范的處理規(guī)程，這樣才能從根本上確保換站搭接區(qū)之間軌道平順性數(shù)值的相同性。

2.3 軌檢數(shù)據(jù)的處理

在軌道精調(diào)的工作中，需要遵循“先整體、后局部”的原則，但是在實際處理工作當中，該原則的執(zhí)行并不到位，很多施工單位片面地按照之前的數(shù)據(jù)來進行分析，而沒有從整體上把握軌道數(shù)據(jù)。如下頁圖1 所示，該軌道的平順性指標數(shù)據(jù)是符合鐵路軌道幾何狀態(tài)控制指標的，但是如果按照“先整體、后局部”的原則重新進行審視，則發(fā)現(xiàn)框內(nèi)區(qū)域應當予以調(diào)整，否則該區(qū)域當中可能會導致出現(xiàn)列車加速度。所以這樣看來，如果沒有從整體上審校數(shù)據(jù)，則無法發(fā)現(xiàn)該軌道中存在的不平順現(xiàn)象。很多施工單位由于沒有從整體上評估鐵道幾何狀態(tài)，所以往往會形成較大的隱患，給后續(xù)運營維護管理工作的開展也帶來不便。因此，對軌道幾何狀態(tài)進行評估，可以分別審查局部情況和整體情況，從而更全面地監(jiān)控軌道幾何狀態(tài)。

圖1 大區(qū)段鋼軌精調(diào)整體分析波形

3 結(jié)語

隨著我國鐵路貨運的不斷發(fā)展，鐵路軌道幾何狀態(tài)管理這個傳統(tǒng)領(lǐng)域也面臨著新的挑戰(zhàn)，面對越來越高的要求，我們也應當不斷結(jié)合最新的技術(shù)，更加科學地開展軌道幾何狀態(tài)檢測工作，并實現(xiàn)鐵道管理的科學化和自動化。軌道管理在我國雖然有了較長的歷史，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，也出現(xiàn)了更多的研究方向，其中很多領(lǐng)域的研究仍然處于摸索階段。在未來，隨著更多新技術(shù)的投入使用，對軌道幾何狀態(tài)變化規(guī)律的認識和理解也將得到提升。