軌道幾何動態測量性能參數分析

吳興華 上海鐵路局工務處

1 軌道幾何測量系統基本原理

GJ-5 型軌檢車的軌道幾何測量系統采用" 軌道幾何慣性測量包" 進行測量，系統從每個測量所得鋼軌圖像獲得基本鋼軌輪廓位置信息。在獲得軌頭部分的輪廓的坐標位置后，幾何系統可以自行判斷鋼軌斷面最高點的位置（用于超高/高低測量）及軌距點的位置（用于軌距/軌向測量）。

"軌道幾何慣性測量包"（簡稱"慣性包"）由下列功能模塊組成：水平加速度計、垂直加速度計、滾動陀螺儀、搖動陀螺儀、接口電路板和金屬框架。

加速度計是用來測量車輛運行過程中轉向架的機械運動加速度。加速度為水平、高低及軌向測量計算提供原始數據。

軌道幾何測量系統采用光纖激光陀螺測量轉向架的旋轉角速度。旋轉角速度是計算曲率所需要的，用來修正加速度計的測量結果。

2 軌道幾何測量性能參數分析

軌道幾何測量系統主要的測量結果顯示是有軟件WinDBC（Windows Digital Brush Chart）提供。該軟件可以實時地以波形曲線的形式顯示檢測結果（俗稱"波形圖"）。波形圖可以最多顯示99 個不同的檢測項目；可以自定義顯示比例系數和顯示顏色；之前的檢測結果可以作為歷史數據重疊在實時檢測數據上顯示，因此可以對同一條線路的不同次的檢測結果進行直觀的對比。可以通過鍵盤操作任意瀏覽不同檢測位置上的數據；可以在任意里程位置放大顯示數據波形；可以直接點擊鼠標進行測量；可以直接輸出打印任何當前顯示的畫面；可以用于顯示、分析和打印任何已經保存的軌道幾何檢測結果等。

2.1 幾何測量性能參數

實際的軌道幾何檢測項目由軌距、軌向（左/右）、高低（左/右）、水平（超高）和三角坑組成。同時系統還可以記錄行駛速度、里程位置及地面標識等信息。

在實時動態檢測過程中，軌道幾何測量系統對軌道幾何檢測結果進行分析，然后根據"軌道動態管理標準"判斷出軌道幾何檢測項目的超限值，即"線路病害"。

2.2 線路病害位置的查找

準確查找到線路病害位置，及時消除線路病害，既能有效維護好線路設備，又能提高線路養護工作的效率。下面介紹幾種查找病害位置的方法：

2.2.1 根據里程位置查找線路的病害位置

在超限報告上病害的位置是檢測系統給出的對應里程位置，從波形圖上也能找到超限報告上的所有病害的一一對應里程位置。使用這種方法查找病害的里程位置是很直觀、簡便的，線路維修人員一般都采用此方法來查找病害的里程位置。如圖1 所示的波形圖上顯示的里程位置是檢測系統通過軸箱編碼器紀錄的里程位置，里程位置還可以依據GPS預置的點位利用GPS 加以修正，也可以采用人工設置（打點）的方法來修正里程位置。里程位置設置的越準確，病害位置的查找就越方便。然而，GPS 的預置點位和GPS 定位都存在誤差，尤其是線路變化和長短鏈的出現，如沒有及時更正GPS 預置點，則使線路的實際里程位置和波形圖上的里程位置偏差就較大。

2.2.2 根據地面標志查找線路的病害位置

檢測系統的地面標志裝置是安裝在軌距吊梁中部的電磁感應裝置（ALD）。ALD 的工作原理是接近金屬物體而發生電磁感應，從而引起電壓值的變化，在波形圖中形成脈沖曲線。波形圖上的地面標志主要有道岔、道口、橋梁護軌和軌距拉桿等標志。

道岔標志反映的是道岔的導曲軌的位置，其中間的峰值位置是電磁感應強度最大的位置，即對應的是導曲軌的中部位置，如圖1 所示。

平面道口兩側往往有金屬邊框，在波形圖上形成矩形標志，尤其是大道口更為明顯，矩形的中部即為道口的中心位置。

圖1 里程位置、道岔、道口標記設別圖

橋梁護軌標志反映的是整個護軌的位置，兩端峰值較高而中間值較低。圖2為兩座橋梁的護軌標志。

ALD 脈沖值是受溫度變化而影響。軌距拉桿標志在ALD 的放大值較大時能顯示出為一條豎直的直線，當天氣溫差變化較大或雨天使放大值變小時就不容易出現。

2.2.3 根據曲線特定點位查找線路病害位置

依據曲線的直緩點、緩圓點、圓緩點和緩直點等特定點位的相對位置可以有效查找到線路的病害位置。

圖2 橋梁護軌標記設別圖

利用地面標志和曲線特定點位的相對位置查找臨近的病害位置的準確度較高，是查找線路病害位置的極有效的方法。

2.3 線路病害的分析

2.3.1 軌距病害

軌距的靜態測量比較直觀，利用軌距尺就能逐點測量，測量效率低，且是軌道在空載狀況下的測量結果。GJ-5 型系統的軌距動態測量數據是在兩側鋼軌的兩個同步攝像機所拍攝到的兩側鋼軌軌距點間的距離，是軌道重載下的動態測量結果。其數據的準確性與軌距標定的準確度和檢測系統的精確度有關。圖3 為道岔轉折部位出現的小軌距病害。

圖3 道岔區小軌距病害數據圖

軌距病害主要出現在曲線區段鋼軌側磨后的大軌距（尤其是小半徑曲線區段）和道岔區轉折部位的小軌距。曲線的鋼軌側磨可以通過調整合理的曲線超高、鋼軌側面涂油來減少。道岔區轉折部位的小軌距主要是轉折部位的拉桿距離偏小造成的。拉桿受氣溫變化而熱脹冷縮，造成拉桿長短變化。所以，冬季道岔區轉折部位的小軌距病害較多，調整拉桿距離就能調整軌距大小。

2.3.2 軌向（左/右）病害

軌向病害的形成因素很多，尤其在線路曲線區段的直緩點、緩圓點、圓緩的和緩直點等點位較易形成軌向病害，在道岔區段也較易出現軌向病害。在曲線區段，由于輪軌作用力變化較大，易使曲線產生橫向滑移和鋼軌側磨，從而形成軌向病害。在道岔區段，特別是普通道岔的岔心部位和轉折部位，因軌距的變化形成軌向病害。

圖1 中的大軌距病害是由于軌道右股軌向的突然變化形成的。這是測量系統在軌道右股測得的岔心有害空間部位而造成的，是非有效病害。但此點位可作為查找其他病害的基準點。

2.3.3 高低（左/右）、水平和三角坑病害

高低病害主要出現在線橋結合部、曲線、道岔的岔心位置和道口位置。線橋結合部由于路基的結構不同，造成地面的沉降不同，從而形成高低病害。曲線區段由于軌道的承載力不均勻，容易形成高低病害。道岔區段的岔心部位由于承載力集中，磨耗大，并形成沖擊載荷，容易形成岔心處的鋼軌空吊，造成單股鋼軌高低病害，并伴隨著出現水平、三角坑病害。

水平、三角坑病害和高低病害相關聯的病害，病害數值較大時往往同時出現。道岔、道口、曲線和路橋結合部等是水平、三角坑病害較易產生的地方。

圖4 岔心磨耗形成的病害波形圖

圖4 為2011 年01 月19 日動態測量隴海線上行K151 km 道岔區段高低、水平和三角坑病害情況，具體數據如表1。

表1 道岔區段動靜態測量數據對照表

A、B、C 三處均為道岔岔心部位，都是垂磨加空吊而造成單股鋼軌高低病害，伴隨形成水平和三角坑病害。消除了這三處的高低病害，同時也消除了水平和三角坑病害。軌枕空吊一般采取道渣搗固來消除，必要時進行道渣清篩處理。岔心垂磨較大的可進行焊補處理，磨耗嚴重的須更新。

普通道岔岔心部位存在有害空間，輪軌作用時為非連續性的滾動，車輛通過時車輪對岔心部位產生沖擊作用，加大了岔心磨耗（尤其是垂磨），加上岔心部位的共用性承載頻率高，因此容易造成岔心部位的空吊現象，形成單股軌道的高低病害。病害如不及時消除，它將加劇岔心磨耗和空吊程度。

3 結束語

軌道幾何動態測量性能參數是既有線路養護維修的重要依據，是新線調試、驗收的主要工具，是高速鐵路管理的重要組成部分。做好軌道幾何動態測量結果數據和波形圖分析，能及時消除線路病害，有效地提高鐵路線路設備質量，切實保障鐵路運輸的安全、高速、平穩和舒適性。