城市軌道交通軌道動態幾何狀態檢測技術

莫偉平，戴源廷，田云峰，裴曉飛

（1.貴陽市城市軌道交通集團有限公司，貴州貴陽 550081；2.中國鐵道科學研究院集團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營前安全評估技術規范 第1部分：地鐵和輕軌》（交辦運[2019] 17號）正式頒布實施，以下簡稱《技術規范》。《技術規范》明確了城市軌道交通工程開通初期運營前，需要采用裝有軌道動態幾何狀態檢測裝置的電客車進行檢測，檢測內容包括軌距、軌向、高低、水平、三角坑、車體振動加速度等[1]。通過軌道動態幾何狀態檢測，評價其是否滿足標準要求，為城市軌道交通初期運營前安全評估工作提供數據支持[2-7]。

在鐵路上，軌道幾何狀態主要通過軌檢車或綜合檢測列車進行檢測，檢測設備一般基于永久性安裝設計[8-9]。由于采用永久性安裝方式，因此車輛在設計之初預留安裝接口，有效保障了設備安裝的安全性、便捷性。在城市軌道交通領域，早先的軌道幾何狀態檢測一般通過永久加裝軌檢設備的工程車進行，沒有在電客車上臨時安裝軌道檢測設備進行檢測的先例[10]。為積極響應中華人民共和國交通運輸部關于城市軌道交通初期運營前安全評估檢測的要求，2019年初，中國鐵道科學研究院集團有限公司自主研發了適用于城市軌道交通電客車臨時安裝的軌道動態幾何狀態檢測系統，該檢測系統已在北京、深圳、杭州、合肥、西安、長沙、呼和浩特等城市取得了良好的應用效果[11]。

2 軌道幾何狀態檢測技術

2.1 檢測技術發展

伴隨著我國鐵路的快速發展，軌道幾何檢測技術也經歷了深刻變革，從最初的人工測量，到接觸式、機械式的第1代檢測車、電磁傳動式第2代檢測車，再到后來的非接觸式慣性基準測量法，軌道幾何檢測技術已逐步從單一參數檢測發展到了全面參數檢測，從低速接觸式檢測發展到了高速非接觸式檢測，檢測精度也日益提高。經過幾代技術革新，目前國內最先進的軌檢系統為GJ-6型軌道動態幾何狀態檢測系統，該系統是國內唯一通過中國國家鐵路集團有限公司評審的檢測系統。我國第1輛軌檢車如圖1所示。

2.2 GJ-6型檢測系統

圖1 我國第1輛軌檢車

GJ-6型軌道檢測系統基于慣性基準測量原理，結合高速激光斷面攝像技術和高速圖像處理技術，實現軌道動態幾何狀態參數的獲取。該系統主要由檢測梁、里程定位系統、車體加速度組件、信號處理組件和數據處理組件等組成[12]。檢測梁內集成安裝了傳感器，并裝有激光攝像設備和慣性基準設備，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現。檢測系統采樣間隔為250 mm，數據的每一次采集以米為單位標記里程，輸出最終的測試數據和波形圖，并根據預先設置的評判標準進行報表輸出，檢測系統結構如圖2所示。

信號處理組件包括圖像預處理單元，數據處理組件包括圖像處理機、數據實時采集處理機和數據庫服務器。檢測系統信號采集處理流程如圖3所示。

3 軌道檢測系統結構優化設計

為滿足《技術規范》中關于軌道動態幾何狀態檢測的要求，并綜合考慮城市軌道交通車輛的實際情況，對GJ-6型軌道檢測系統進行了相應的適應性改造設計：①采用模塊化設計，將主要傳感器集成在針對城市軌道交通車輛重新設計的檢測梁上，盡量使系統輕量化、小型化；②采用分體式設計方式，將車下設備分為檢測梁和吊臂，通過設計加工尺寸精準的吊臂，使軌道檢測梁能夠匹配不同型號的轉向架，實現在不同電客車上安裝、檢測。從測試準確性的角度來看，將檢測設備安裝于轉向架上的檢測效果優于安裝在車體上，因此，檢測梁至少需要滿足重量輕、體積小、易拆裝3方面要求。

3.1 輕量化設計

由于轉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，盡量實現輕量化。針對實際要求，主要在以下2方面進行優化。

（1）采用鋁合金材料制造檢測梁，并在檢測梁內部設置內艙結構，艙內空間用來安裝傳感器，如圖4所示，該結構的設計，在保證檢測梁強度的同時，盡可能地減輕了檢測梁的重量。

圖2 檢測系統結構示意圖

圖3 檢測系統信號采集處理流程圖

圖4 檢測梁內部結構示意圖

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

圖5 檢測梁效果圖

3.2 小型化設計

城市軌道交通電客車車下設備種類、數量繁多，空間狹小，橫向和縱向可利用的空間有限。檢測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）檢測梁輪廓尺寸在B型車限界范圍內，符合B型車限界標準，如圖6所示。

（2）經計算，車輛在通過直線和半徑150 m曲線的工況下，檢測梁廓形均滿足B型車限界標準，如圖7所示。

3.3 分體式設計

圖6 檢測梁廓形示意圖

圖7 車輛在通過直線和半徑150 m曲線時檢測梁廓形

對國內主要車輛廠的主要型號車輛及轉向架進行調研后發現，每條線路所配屬的車輛雖然存在較大的區別，但在轉向架端部，一般會有安裝設備的預留孔位（圖8）。然而，即便是同一車輛廠的不同車輛，預留孔位的尺寸差異也很大。如果將檢測梁的尺寸固定，通過設計適用于不同型號車輛轉向架的吊臂分體式安裝結構，既能方便拆裝，還具有通用性。

圖8 構架端頭安裝孔示意圖

3.3.1 吊臂結構設計

吊臂連接軌道檢測梁和轉向架，其設計原則如下：

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

（2）安裝后的軌道檢測設備中心線與車輛走行方向中心線重合；

（3）安裝后的檢測梁上頂面距軌面垂直距離為394 mm±2 mm；

（4）在確認安全的前提下，應確保安裝后的檢測梁盡可能地靠近車輪；

（5）應確保吊臂強度滿足軌道檢測設備荷載要求。

為保證檢測梁的水平度、距鋼軌上平面距離、激光相機角度等參數，最大限度保證軌道檢測設備的安裝精度，需根據不同車型轉向架端頭安裝孔尺寸及檢測梁實際尺寸，設計對應吊臂，以滿足檢測梁的安裝要求，實際效果如圖9所示。

圖9 檢測梁安裝示意圖

為減小構架振動可能對測量精度造成的不利影響，在吊臂和檢測梁之間設計了橡膠減振墊，最大限度優化了檢測設備的工況。

3.3.2 吊臂強度分析

在保證檢測梁安裝準確的基礎上，需結合吊臂材質、實際工況對其結構受力進行理論計算。根據吊臂圖紙建立有限元模型，吊臂材質采用S355型鋼，其材料參數如表1所示。

表1 吊臂材料參數表

如圖10所示，對實體模型進行網格劃分，吊臂采用自由劃分的四面體單元，單元類型為實體單元solid45，單元尺寸為0.5～1 cm，共計14 034個節點和41 217個單元。

圖10 吊臂有限元模型圖

對吊臂施加荷載，檢測設備質量為65 kg，分配到每個吊臂的垂向荷載為32.5 kg，垂向加速度取20g，考慮車輛運行過程中會產生橫向和縱向振動，在構件加載位置處，加載橫向力取32.5 kg，橫向加速度取10g，縱向加速度取5g，進行應力分析，結果如圖11、圖12所示。

圖11 垂向應力結果云圖（單位：Pa）

圖12 Mises應力結果云圖（單位：Pa）

從計算結果可知：吊臂垂向應力最大值為113 MPa，主要集中在吊件間連接位置，Mises應力最大值為233 MPa，主要集中在吊件間連接位置和吊臂與轉向架連接位置，應力均小于S355型鋼的抗拉強度345 MPa，安全系數為1.49，滿足EN13749附件E第E4.3節中規定的安全系數大于1.0的要求[15]。

3.3.3 安裝螺栓強度分析

吊臂安裝螺栓起到連接吊臂與構架的作用，其強度亦直接影響到軌道檢測設備整體的安全性，結合實際工況，對其安全性進行校核。

（1）頂部螺栓強度校驗。檢測設備質量為65 kg，分配到每個吊臂的質量m為32.5 kg，每個吊臂質量為15 kg，加速度a取20g，故吊臂上部由4個M20螺栓進行固定，每個螺栓受剪力2 375 N，按照公式（1）計算其抗剪切強度Fs，計算結果遠低于普通螺栓的抗剪強度140 N/mm2，安全系數為18.4。

（2）底部螺栓強度校驗。吊臂下部由2個M24螺栓進行連接，加速度取20g，每個螺栓受拉力3 350 N，按照公式（2）計算其抗拉強度Fs，計算結果遠低于普通螺栓的抗拉強度170 N/mm2，安全系數為23.6。

4 工程應用

根據貴陽某城市軌道交通線路車輛轉向架實際接口尺寸設計安裝吊臂，設備現場安裝如圖13所示。檢測梁通過吊臂安裝于列車轉向架的某一軸端部，在確保車輛運行過程中檢測梁組件不與轉向架發生干涉的前提下，檢測梁盡可能靠近車軸，其縱向中心線應與車體縱向中心線重合。

圖13 檢測梁現場安裝示意圖

根據檢測結果可知，車輛運行至下行某里程處時，軌道左高低、右高低和垂向加速度等測試參數有明顯超限，其中左高低、右高低峰值達到了9.41 mm，車體垂向加速度峰值達到了0.12g，明顯超過了《技術規范》相關要求。施工單位根據檢測結果進行整改后，復測結果顯示該區段全部檢測指標滿足標準評判要求，問題整改完成前后軌道幾何波形對比如圖14所示。

5 結論

通過對GJ-6系統進行輕量化、小型化、分體式等結構改進設計，實現了系統在不同電客車上安裝、檢測的可能。工程應用表明，該系統可以滿足《技術規范》關于軌道幾何狀態檢測的要求，并且可以有效發現軌道相關缺陷。該系統對于以電客車為載體，實現初期運營前檢測以及運營期間周期性檢測，進而為安全評估及軌道運維提供數據支撐等提供了幫助。

圖14 整改前后波形對比圖