軌道幾何形位的測定方法探討

□孫艷英

軌道幾何形位參數在整個城市軌道交通系統中占據重要地位。軌距設置不合理或后期軌距值偏大、偏小，將會嚴重影響車輪與鋼軌之間的摩擦力，行車安全受到一定威脅，乘客乘坐舒適度嚴重下降。軌道結構的平順性影響著車輪、鋼軌之間的關系，軌道結構平順與否決定著軌道的質量狀態，平順性與否是表明軌道載荷水平和整體水平的指標，是維修部門落實維保計劃的依據。為了確保列車運行的舒適性、安全性和平穩性，軌道結構應保證能提供較高平順性的基礎[1]。軌道不平順將對行車安全和平穩有影響，車輪和鋼軌間的動力作用增大，維修時間、成本加大，列車和線路設備的壽命將縮短。如果軌道不平順不能及時的診改維護，軌道結構病害將越來越嚴重。

一、軌道幾何形位的測定

軌道幾何形位的測定是對軌道的形變狀態進行檢測，為線路的維修保養提供依據。主要檢測參數有：

(一)測量評價方法。至今為止，應用的軌道幾何形位的評價法有整體不平順法及局部不平順法[2]。軌道局部不平順法主要是對某一區段的參數偏差進行分析，它主要分析超限范圍、最大值及數量，能快速、準確地對軌道區段進行維修保養。整體不平順方法分統計分析法及功率譜密度法。檢測方法有弦測法、慣性基準法、弦測法與慣性基準法相結合的方法。

弦測法是一種相對靜止的測量方法，以測量位移為基礎，以鋼軌兩個測量點的相接為弦，最大矢度點到弦的距離為弦測值。弦測法的函數不恒等于0，范圍在0～2間波動，無法準確地表明軌道平順性的情況。弦測法的檢查方法簡單、裝置簡單、操作簡單，有兩點差分法、正矢法、三點弦測法，弦測法在保障列車振動舒適度方面以及檢測精度方面是有利的，是軌檢小車、人工檢測最常用的基本方法，得到了廣泛的應用。弦測法也有一定的缺陷，由于軌道結構具有相當的剛度與硬度，在小范圍內軌道結構變形體現的不是很明顯，所以，該方法進行不平順檢測僅體現部分軌道結構病害變形所帶來的不平順狀態。

慣性基準法是一種利用慣性原理的動態測量方法，首先在運動的檢測設備內部確立一個慣性參考對象，通過位移傳感器測定鋼軌相對于參考對象的位移，繼而明確軌道平面在慣性坐標系中的位置[3]。由于實際作業過程中，運行的檢測車無法確定靜止的測量基準線，因此工務部門優先選用改進后的慣性基準法來進行測量，也就是位移與加速度積分疊加慣性基準法。采用慣性基準法測量的設備主要是大型軌檢車，它的檢測效率高、檢測結果準確，但是它的成本高、測量步驟繁瑣，它的運行會影響正常列車的運行作業，不能滿足工務日常檢測需求。后期隨著對設備的研究與改進，造價低、體積小、精度高、使用方便的小型軌道檢測設備代替了軌檢車。小型軌檢車是由維修人員在鋼軌上勻速推動，它能實時的測量、顯示指定位置的幾何形位參數，具有故障報警功能，它能準確地標記故障點，便于維修人員后期維修工作。在無縫線路鋼軌接頭處，便攜式軌檢車經過時會產生振動，但是這并不會影響檢測的準確性。

(二)測量技術。

1.人工測量技術。

(1)軌檢小車(軌檢儀)。軌檢小車是用于測量高低、軌向和三角坑等參數的設備，它利用傳感器和三維坐標，利用數學模型，測定軌道不平順狀態的幾何參數。

軌檢小車是一種幾何形位靜態檢測儀器(也被稱為“軌檢儀”)，是“一測一停”式的手推式測量儀器。它由硬件、軟件部分構成，硬件含電源、傾角傳感器、數據處理裝備、軌距傳感器、軌道中線坐標測量裝備、里程傳感器等。它可使用傳感器對水平、軌距等參數進行測量，然后通過軟件進行處理，能實時得到高低、軌向、軌距、水平等參數，繼而對軌道的平順性實時的評估。

(2)人工線路的檢查。維修人員應該重點對線路的橋隧、曲線、平交道口以及薄弱部位進行檢測，工務人員應準確填寫人工線路檢測表，采取相應措施進行維修保養。人工線路的檢查工具有弦線和道尺。

2.軌檢車測量技術。軌檢車是軌道動態檢測的重要設備，我國軌檢車有電磁傳動式、機械傳動式、GJ-3型、GJ-4型、GJ-5型、0號高速綜合檢測車以及GJ-6型。軌檢車在使用時，把0.25米作為相鄰檢測點，分別對軌距、水平(超高)、高低、軌向以及三角坑等參數進行檢測。

軌檢車是通過測量攝影機組以及慣性測量系統對軌道不平順進行檢測的工具，其檢測速度可達上百公里每小時，減少了人為誤差而引起的數據不準確現象，檢測效率比較高。軌檢車還可以測定與車體相關的加速度，能夠從行車平穩性、乘客舒適度等方面評價軌道質量狀態。但是，由于軌檢車主要通過慣性測量設備進行測量，測量精準度會隨時間的增加而下降，其維修量很大。

GJ-4型軌檢車檢測項目及精度有：軌距精度是±1.0mm，超高(水平)精度是±1.5mm，高低(左右)精度是±1.0mm，軌向(左右)精度是±1.5mm，三角坑精度是±1.5mm，水平、垂向加速度精度是±0.01g，復合不平順精度是±1.5mm。其中各檢測項目中正負號定義如下：軌距偏差正負：測量值小于標準值時取負，否則取正；超高水平正負：沿軌檢車運行方向，右軌高取負，否則取正；高低正負：高低向上為正，向下為負；軌向正負：沿軌檢車運行方向，向左取正，向右取負；水平加速度：平行于軌道面，垂直于軌向，沿軌檢車運行方向，向右取負，否則取正；垂向加速度：垂直于車體地板，向上為正；曲率正負：沿軌檢車運行方向，右軌取正，左軌取負。

二、軌道不平順的分析方法

利用檢測數據分析不平順性方法有兩種，一種是對局部不平順幅值采用超限評分法，一種是整體不平順分析法。

(一)軌道的局部不平順分析方法。局部不平順分析方法主要使用不平順幅值超限扣分法，它主要是依據檢測數據判斷各參數是否超限，超限扣分描述按照以下進行[4]：超限等級為I級時，若不符合保養標準，扣1分。超限等級為II級時，若不符合舒適度標準，扣5分。超限等級為III級時，若不符合臨修補修標準，扣10分。超限等級為IV級時，若不符合限速標準，扣301分。

軌道不平順總扣分數公式如下：

(1)

式中：S：該區段總的扣分數；

N：檢測項目個數；

Ki：各級超限每處的扣分數；

Tj：各單項檢測參數的權重；

Cij：各等級超限峰值個數。

軌道的局部不平順以km為單位，把1km內S值的大小作為扣分總數，用來衡量是否符合標準要求：S≤50為優良；51≤S≤100為合格；S>300為不合格。

(二)軌道的整體不平順分析方法。整體不平順分析方法利用軌道質量指數(TQI)管理，利用200m范圍內軌道區段測定的數據評定軌道平順性[5]。軌道質量指數計算公式如下：

(2)

在式2中，

δi：單元軌道幾何不平順的標準差(mm，i=1,2……7)；

xij：軌道幾何不平順的幅值(mm)；

N：連續采用數據的個數；

TQI是用數值表明軌道質量狀態的方法，其值越大對軌道的平順性越不利。

(三)兩種方法的對比。第一種方法能直觀地說明局部病害的超限情況，比較容易確定其類型、程度及位置。但是，它不能反映軌道整體不平順情況，也不能反映軌道整體的平均質量狀態。第二種方法比第一種方法更具有科學性，可以客觀反映軌道質量狀態，是工務部門編制維護計劃，指導維護作業的最重要指標。

三、結語

軌道結構的不平順將使車輪、鋼軌之間產生激擾源，將增加振動和動作用力，增加軌道結構的振動，降低列車運行的平穩性、舒適性，增加噪聲的影響，縮短設備的使用壽命，嚴重時將影響列車運行安全，對乘客安全有威脅。文章對測量評價方法、測量技術、軌道局部不平順分析方法及軌道整體不平順分析方法進行了分析研究，明確如何對幾何形位進行測定。