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铁路工务检测技术 主讲人 杨荣山电话箱 yrs123 西南交通大学 主要内容 轨道检测与评价管理轨道静态检测技术轨道几何状态动态检测技术钢轨内部伤损检测技术轨道连续弹性检测系统线路综合检测列车道岔监测系统无缝线路检测系统轨道结构参数及动力测试技术国外高速铁路工务检测技术 2020 1 8 3 1轨道检测与评价管理 工务检测的意义 1 工务检测是既有铁路线路质量状态评估并科学合理地制订维护计划的重要手段和基础 2 工务检测能为新建线路设计 线路病害原因分析及维护标准制订等提供重要的实测数据 2020 1 8 4 1轨道检测与评价管理 1 1工务检测分类 从检测内容划分 设备状态检测 轨道几何形位检测 行车平稳性检测 从检测方式划分 手工静态检测 检测车动态检测 1 1 1工务设备状态检测 钢轨状态检查钢轨状态主要包括轨头磨耗 钢轨波磨 接头不平顺以及钢轨内部核伤和裂纹等 分别采用测磨仪或轨头轮廓仪 波磨检测装置或波磨检测车及钢轨探伤车等检查设备进行检查 轨枕状态检查轨枕状态检查的主要内容为 轨枕顶面螺栓孔附近或两螺栓孔间的纵向裂纹 轨枕顶面螺栓孔附近横向裂纹 轨枕中部顶面横向和侧面垂直裂纹 轨枕挡肩处水平裂纹及挡肩损坏 空吊枕等 2020 1 8 5 1轨道检测与评价管理 道床状态检查有砟轨道道床状态包括道床断面尺寸 道床脏污和板结程度等 无砟轨道道床状态检查 道床裂缝 层间连接 整体位移其他轨道状态检查其他轨道状态检查有轨道弹性连续检测 无缝线路状态检测与监测 道岔状态检测与监测和巡道车 2020 1 8 6 1轨道检测与评价管理 1 1 2轨道几何尺寸检测 轨道几何尺寸静态检测静态检测利用万能道尺 弦绳及板尺等检测工具沿线路逐点进行 包括线路几何尺寸和道岔几何尺寸 轨道几何尺寸动态检查轨道几何尺寸动态检查的主要设备是轨道检查车 检查结果为轨道动态几何尺寸误差 走行部振动情况和行车平稳性情况 2020 1 8 7 1轨道检测与评价管理 1 1 3行车平稳性检测 除轨检车上车体加速度可反映行车平稳性外 工务段或路局管理人员或技术人员还要定期添乘列车 携带添乘仪对行车平稳性进行检查 添乘仪通常是振动加速度测量仪 当添乘仪测得的振动加速度超过限值时 会自动发出警报声 添乘人员则随时记录警报发出时的线路位置 并通知相关工务段或工区寻找晃车原因 并加以整治 1 1 4轨道状态及行车平稳性的其他检查装备 1 综合检查车一般将线路 车辆 供电 信号等专业的检查集中起来 称为综合检测车 2 轨道确认车轨道确认车具备部分轨道检查车和巡道车的功能 3 车载线路动态检测装置其包括主要的轨道检查车的功能 2020 1 8 8 2轨道静态检查技术 轨道静态检查指在没有列车荷载作用时 利用道尺 弦线 以及轻型线路检查仪等检测工具或设备对线路进行的检查 检查内容主要包括轨距 水平 高低 方向等轨道几何尺寸以及空吊板 钢轨接头 防爬设备 联结零件 轨枕及道口等设备状态 2 1轨道几何状态静态检查设备 常用的轨道几何状态静态检查设备包括道尺 弦线 高度板和木折尺 以及近些年研发的数字道尺和线路检查仪等 道尺 道尺 轨距尺 是检测铁路轨道轨距 水平 超高的主要测量工具 2020 1 8 9 2轨道静态检查技术 行走数字道尺 数字道尺 2020 1 8 10 2轨道静态检查技术 线路检查仪 轨检小车 线路检查仪是用于测量轨道静态几何参数的小型推车 Amberg线路检查仪GRP5000Amberg线路检查仪 GRPSystemFX 线路检查仪可以测量轨道的几何尺寸及三维绝对坐标 自动测量轨距 水平 三角坑 高低和轨道360度横断面 2020 1 8 11 2轨道静态检查技术 我国目前使用的线路检查仪主要有 GJY I 1 GJY H 1 GJY H 2 GJY H 3 GJY H 4 GJY T LX和GJY T 4等类型 GJY T 4型线路检查仪 如下图 自带的微型计算机系统用于记录并分析检测数据 同时将测量结果显示在液晶显示屏上 并可进行人机对话 用于记录线路的百米标 道口 站台 扣件螺栓脱落 断轨 磨耗等钢轨伤损信息 GJY T 4型轨道检查仪 2020 1 8 12 2轨道静态检查技术 2 2钢轨表面伤损状态静态检查设备 钢轨的主要伤损状态包括轨头侧磨 轨头垂直磨耗 钢轨波磨 轨头表面擦伤和剥离 轨头肥边 钢轨本身及接头或焊缝不平顺等 目前钢轨表面伤损检测的主要仪器包括钢轨磨耗检测装置 钢轨波磨检测仪或波磨检测车 2 2 1钢轨侧磨和垂磨检测设备 机械接触式钢轨测磨仪 钢轨断面针式测磨仪 游标式钢轨磨耗测量仪 2020 1 8 13 2轨道静态检查技术 MiniProf钢轨断面接触测量 2020 1 8 14 2轨道静态检查技术 光学系统非接触式钢轨侧磨仪 非接触磨耗检测系统基于激光三角测量原理 采用光取断面技术实现对钢轨磨耗的非接触测量 其测试原理如图所示 测量原理 非接触式钢轨断面测量仪与测量结果 2020 1 8 15 2轨道静态检查技术 钢轨平顺性及波磨检测设备 对钢轨波磨等不平顺 以往通常采用基尺和塞尺进行测量 钢轨平直度测量仪 如图所示 是目前使用的较为精确的静态测量钢轨平顺性及波磨检测设备 钢轨平直度测量仪 2020 1 8 16 2轨道静态检查技术 激光轨道高低和方向检测设备 XJY 100线路激光测量仪由发射装置 接收装置和数据采集及处理系统组成 其中发射装置由激光源 机架 二维调整机构和瞄准器组成 接收装置由机架 二维光电测量靶组成 XJY 100线路激光测量仪 2020 1 8 17 2轨道静态检查技术 轨枕状态检测设备 钢筋混凝土轨枕在使用中会常发生裂纹 掉块及挡肩破损等病害 影响线路质量 严重时危及行车安全 有必要加强对轨枕状态的检查 Bvsys轨枕表面检测系统 Bvsys轨枕表面检测系统 系统可安装在列车或轨检设备车上 系统配备有2台象素为0 4x0 5mm的摄象机 其图象分析系统可提供混凝土轨枕和道床表面的状态 及早发现混凝土枕表面裂纹和掉块等病害 2020 1 8 18 2轨道静态检查技术 道床状态检测设备 探地雷达系统Ground Penetrating Radar GPR 在铁路检测的应用较广泛 可用于检测路基 桥梁以及隧道结构等 下图为GPR探测道床状态设备 可检测道床的赃污板结情况 厚度及其变化 内部积水状态以及埋藏设备等信息 GPR探测道床状态设备 2020 1 8 19 3轨道几何状态动态检测技术 轨道几何状态动态检测的设备主要是轨检车 我国XGJ 1准高速 140 160km h 轨检车可检测13项内容 左右轨的前后高低 左右轨的轨向 水平 左右轨的不平顺 曲线外轨超高 曲线半径 轨距 线路扭曲 车体水平和垂直振动加速度 左右轴箱垂直振动加速度等 除检测轨道几何形位外 还可以从轮轨相互作用和行车平稳性等方面对轨道状态作出综合评价 2020 1 8 20 3轨道几何状态动态检测技术 3 2轨道几何状态动态检测技术及发展 3 2 1GJ 4型轨检车 GJ 4轨道检测车外观 2020 1 8 21 3轨道几何状态动态检测技术 一 GJ 4轨检车检测系统 GJ 4型轨检车检测系统 采用了先进的模拟 数字混合处理系统 系统框图如下图所示 BVA 车体垂直振动加速度传感器 BLA 车体水平振动加速度传感器 LJBA 左轴箱振动加速度传感器 RJBA 右轴箱振动加速度传感器 CAS 陀螺平台 ROLL 滚动速率陀螺 YAW 摇头速率陀螺 INCL 倾角计 DT1 车辆一位转向架构架与车体间位移计 DT2 车辆二位转向架构架与车体心盘间前位移计 DT3 车辆三位转向架构架与车体心盘间后位移计 LPDT 测量轴左侧轴箱与车体间垂向位移的位移计 LACC LPDT车体固定端上方安装的垂向加速度计 RPDT 测量轴右侧轴箱与车体间垂向位移的位移计 RACC RPDT车体固定端上方安装的加速度计 ALGN 轨距测量梁中央部位安装的轨向测量加速度计 ALD 地面标志测量传感器 TACH R 右光电编码器 TACH L 左光电编码器 LKAM 左轨距光电传感器 LGDT 左轨距位移计 RKAM 右轨距光电传感器 RGDT 右轨距位移计 2020 1 8 22 3轨道几何状态动态检测技术 二 测量原理 1 轨距 如下图所示 轨距测量装置由原理和结构完全相同的左右两个子装置组成 它们各自测量左轨和右轨的轨距变化分量 两个轨距分量之和可得到轨距值 2020 1 8 23 3轨道几何状态动态检测技术 2 曲率 曲率定义为一定弦长的曲线轨道 如30m 对应之圆心角 度 30m 测量曲率的传感器分布如下图 摇头速率陀螺YAW测量车体摇头角速率 位移计DT1测量车体一位端的心盘处与一位转向架构架间的相对位移 位移计DT2 DT3测量车体二位端心盘前后两侧与二位转向架构架之间的相对位移 光电编码器TACH提供速度距离信息 测量曲率的传感器分布 2020 1 8 24 3轨道几何状态动态检测技术 曲率测量的信号流程如下图 摇头速率陀螺输出信号经B s 一阶模拟滤波处理后 进入计算机 再进行数字处理 C z 为一阶数字滤波器 C z 的输出 是单位采样距离对应的车体方向角 曲率测量的信号流程 2020 1 8 25 3轨道几何状态动态检测技术 3 水平 超高 水平定义为同一轨道断面两轨顶之高差 曲线上的水平称为超高 测量水平的传感器分布如下图 左图为测量水平的传感器分布图 图中倾角计INCL和滚动陀螺ROLL用于测量车体的滚动角 位移计LPDT和RPDT用于测量车体与轮轴间的相对夹角 车体滚动角和车体与轮轴夹角相结合 计算出轨道倾角 由轨道倾角和两轨中心线间距离 1500mm 计算出水平值 2020 1 8 26 3轨道几何状态动态检测技术 4 高低 高低指钢轨顶面纵向起伏变化 高低采用惯性基准原理测量 得到高低变化的空间曲线 同时可换算成弦测值 惯性基准原理如下图所示 2020 1 8 27 3轨道几何状态动态检测技术 M为车体质量 K C分别表示其弹簧和阻尼 位移计LPDT RPDT 测量车体与轮轴的相对位移W 加速度计A输出值a的二次积分为车体相对惯性基准的位移Z 图中加速度计A即为前述LACC RACC 轨道高低不平顺值Y的计算式为 轨道高低不平顺 车体相对于惯性基准的位移 车体与轮轴间的位移 车轮半径 因车轮半径R为常量 上式可写为 式中 式中 a 加速度计输出的加速度值 2020 1 8 28 3轨道几何状态动态检测技术 5 方向 轨向 方向指钢轨内侧面轨距点沿轨道纵向水平位置的变化 方向的测量采用惯性方法 方向测量的算式如下式 2020 1 8 29 3轨道几何状态动态检测技术 6 扭曲 三角坑 扭曲反映了轨顶的平面性 如下图 若轨顶abcd四点不在一个平面上 c点到abd三点组成平面的垂直距离h为扭曲 扭曲会使车辆产生三点支持一点悬空 极易造成脱轨掉道 特别是当列车从圆曲线向缓和曲线运行时 扭曲的测量原理图 2020 1 8 30 3轨道几何状态动态检测技术 扭曲h计算公式为 式中 由前述可知 水平已由水平测量系统测出 所以只要按规定基长取两断面的水平差即可得扭曲值 GJ 4轨检系统基长可变 目前设定为2 4m 2020 1 8 31 3轨道几何状态动态检测技术 3 2 1GJ 5型轨检车 一 GJ 5型轨检车的工作原理及检测项目 GJ 5型轨检车的基本检测原理是 由光纤陀螺和加速度计构建该检测梁的惯性空间基准 通过激光摄像传感器和图像处理技术获得左右钢轨距检测梁的横向和垂向偏移值 通过坐标变换 数字滤波 合成处理等得到各项轨道几何参数 GJ 5型轨检车可以进行轨距 轨向 高低 水平 三角坑 曲率 车体加速度 钢轨波磨和钢轨磨耗及断面等项目的测量 2020 1 8 32 3轨道几何状态动态检测技术 3 3轨道状态确认车 3 2 1国内外概况 1992年东日本公司开发出R 300型轨道状态确认车 其为自走型两轴车 最高运行速度为80km h 车长8 3m 车重15t 1993年又开发出R 400新型轨道状态确认车 其也是自走型两轴车 车长9 4m 轴距5 5m 车重21t 最高运行速度为100km h 测量速度一般为40km h左右 确认车主要任务有 1 检查线路维修作业是否确实已经结束 2 检查线路维修作业后在建筑限界内是否有遗忘放置在线路上的工具和器材等异物 根据检查的结果确认营业列车是否可以运行 这就是 确认车 名称的由来 3 对维修作业后的线路进行验收 2020 1 8 33 3轨道几何状态动态检测技术 由于轨道综合检测车每10天检查一次 所以对每天检查线路的确认车期望越来越高 除了确保行车安全的功能以外 还希望用于 确认夜间维修作业的工作状态 掌握其作业效果 掌握轨道弱点的位置和每天的恶化发展情况 用确认车的测量波形图进行轨道整备 我国2002年5月完成轨道车的设计图审查 2002年末全部完成轨道状态确认车样车的研制 并在秦沈客运专线上进行实际检测 我国研制的确认车至今已检测线路近万公里 测量结果与轨道实际状况一致 取得了满意的结果 达到了研制确认车的目标 也达到了保障旅客列车运行安全的要求 2020 1 8 34 3轨道几何状态动态检测技术 3 2 2GZQ 型轨道状态确认车的车辆构造 我国研制的GZQ 1型轨道状态确认车车体外形如上图所示 为使用方便 确认车车辆设计为自带动力 车辆无须调头 即能双向运行和检测 最高检测速度为120km h 车体内有空调 电取暖设备 设有 位司机室 检测仪表室 卧室和卫生间 车上还带有20kW柴油发电机和5kW的备用汽油发电机各一台 2020 1 8 35 3轨道几何状态动态检测技术 轨道状态确认车平纵面图 2020 1 8 36 3轨道几何状态动态检测技术 3 2 3GZQ 型轨道状态确认车的检测系统 GZQ 型轨道状态确认车检测系统 由轨道几何状态检测系统 环境监视系统和线路建筑接近限界检测装置组成 检测系统在车上的安装图如下 GZQ 型轨道状态确认车的检测系统 2020 1 8 37 3轨道几何状态动态检测技术 一 轨道几何状态检测系统 轨道几何状态检测系统采用先进的惯性基准测量原理和捷联式检测系统结构 它将所有传感器信号经模拟处理 直接由A D转换成数字信号后全部送入计算机 利用计算机进行信息处理 数字滤波 误差补偿和修正后合成轨道几何参数 采用陀螺传感器和加速度补偿技术 CAS 测量水平和曲率 采用模拟信号和数字信号混合处理技术测量高低和轨向 轨道几何参数的测量范围和精度 2020 1 8 38 3轨道几何状态动态检测技术 二 环境监视系统 该系统应用计算机图象处理技术记录和显示线路周边环境状况 并能实时地将几何参数信息 速度 里程信息叠加于当时的画面上 叠加轨道几何参数波形后的线路周边环境图象如图下所示 叠加轨道几何参数波形后的线路周边环境图象 2020 1 8 39 3轨道几何状态动态检测技术 3 4车载式添乘仪 车载式添乘仪是通过传感器测定的车体加速度判断线路病害等级的一种简易检测设备 它根据车体的上下振动加速度和左右摆动加速度来判断线路是否存在病害并记录病害里程和该处车体的加速度 并根据加速度的峰值确定病害等级 3 4 1车载式添乘仪工作原理 3 4 2ZT 6型轨道智能添乘仪技术性能 1 ZT 6型添乘仪由于采用了现代化通讯技术 GPS数据处理 2 数据分析软件采用 人性化 设计 实现人机互动 3 设备增加了隧道 山区等特殊地段运行速度可调性 4 ZT 6型智能添乘仪主机采用机位可调式背光显示屏 同时将以往的数字码盘式改为触摸键盘式 操作更加直观 可靠 5 充电器采取长充保护等先进电路设计 大大延长电池寿命 大幅度提高设备功效比 2020 1 8 40 3轨道几何状态动态检测技术 3 4 3SY 2型便携添乘仪技术性能 1 GPS准确定位 自动识别列车位置和运行速度 2 晃车地点超限数据实时打印并声光报警 3 可以实时直观显示当前线路工务设备综合图和各性能指标 并能记录全程的曲线信息且具有回放功能 4 里程 速度 行别等线路信息可随时调整 5 该仪器提供多种查询方式 用户可根据需要按单位 线路 交路等方式查询具体超限信息 6 与CGDJ系列机车车载式动态监测仪器完全兼容 2020 1 8 41 3轨道几何状态动态检测技术 3 5机车车载式轨道动态监测装置 一 组成部分 将系统按功能分为两个部分 数据采集处理传输系统和线路动态检测地面处理系统 二 主要功能 1 CGDJ I型原有功能 检测功能 存储功能 数据处理 综合分析 网络传输功能 查询打印功能 语音报警功能 2020 1 8 42 3轨道几何状态动态检测技术 2 CGDJ II型新增功能 数据采集处理传输系统 及时传输严重危害行车安全的线路病害点 监测数据的自动传输 轨道动态实时监测 自检功能 系统结构简单 设计科学 合理 抗干扰能力更强 3 轨道动态监测地面单元 轨道动态监测地面单元主要接收机车数据采集处理传输单元发送的数据 同时 也可将各种控制命令传送给机车数据采集传输单元 以便及时地调整其工作状态 2020 1 8 43 3轨道几何状态动态检测技术 一 工作原理 GDJ 2型轨道动态监测装置由 传感器 检测机车运行时的车体垂向和横向振动加速度 里程坐标和车速由 机车运行监控记录器 俗称 黑匣子 提供 当车体振动加速度超过预定的数据采集门限时 轨道检测单元主板 会将所测加速度值连同坐标信息通过移动通信网络发送至 地面接收装置 二 主要性能 检测内容为车体横向加速度 垂向加速度 检测范围 1 0g 采样频率200Hz 滤波频率0 3Hz 10Hz 加速度传感器的非线性 1 横向效应 1 检测误差 5 上电自检灵敏度保证测量精度 2020 1 8 44 4钢轨内部伤损检测技术 钢轨的核伤 裂缝 踏面伤损以及焊缝伤损等是钢轨伤损的主要形式 轨头内部存在有微小裂纹或缺陷 在重复动荷载作用下 小裂纹逐步发展形成核伤 核伤扩大削弱了钢轨断面 降低了抵抗折断的能力 钢轨可能在毫无预兆的情况下猝然折断 钢轨内部的裂纹与核伤 2020 1 8 45 4钢轨内部伤损检测技术 4 1超声检测技术的特点及发展情况 一 优点 1 穿透能力强 2 检出缺陷的灵敏度高 3 超声波在异质界面上产生反射 折射和波形转换 可以检出各种取向的缺陷 4 超声波指向性好 可以方便对缺陷定位 5 检测速度快 费用低 即使手工操作 超声波检测的速度也高于其它方法 6 超声波探伤仪小巧轻便 方便携带 二 局限性 1 探伤结果受主观因素影响大 且受结构的形状限制 2 探伤受材料晶粒和组织不均匀性限制 对粗大晶粒材料探伤困难 3 探伤的定量精度较差 4 1 1超声检测技术的特点 2020 1 8 46 4钢轨内部伤损检测技术 我国与国际水平的差距 主要表现在高层技术上 特别是定量检测 用材料或产品的物理量测量来评价其质量和三维成像技术方面 我国钢轨超声波探伤的发展 起步相当早 在20世纪50年代末期和60年代初期 通用超声波探伤仪刚在我国应用 钢轨超声波探伤仪就已开始研制 并投入实际使用 钢轨超声波探伤仪大致经历了电子管 晶体管 集成化 数字化 即调频连续波 单通道脉冲波 多通道脉冲波 多通道微电脑控制这样四个阶段 目前可以说已发展到第四代产品 2020 1 8 47 4钢轨内部伤损检测技术 4 2超声波钢轨探伤仪 4 2 1超声波探伤仪的基本原理及组成 超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备 它的作用是产生电振荡并加于探头晶片 激励晶片发射超声波 同时将探头接收回的电信号进行放大 通过一定的方式显示出来 从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷的位置和大小等信息 钢轨探伤仪尽管型号 外形 体积和功能不尽相同 但它们的基本机构和工作原理都是大同小异的 概括地讲 主要由同步电路 发射电路 接收电路 时基电路 报警电路 电源电路等组成 4 2 2钢轨探伤仪的分类 目前我国的钢轨探伤仪主要有GT 2 GT 1C GCT 2 GCT 8等类型 根据其产生的特征 超声波探伤仪可分为 1 脉冲波超声探伤仪 2 连续波超声探伤仪 3 调频超声探伤仪 根据显示缺陷的方式 超声探伤仪可分为 1 A型显示 2 B型显示 3 C型显示 4 其它显示方式 2020 1 8 48 4钢轨内部伤损检测技术 4 2 3GCT 8型钢轨超声波探伤仪 GCT 8型钢轨超声波探伤仪是新一代数字化手推车式钢轨超声波探伤设备 如下图 适宜于探测各种类型钢轨中的缺陷 GCT 8型钢轨超声波探伤仪 2020 1 8 49 4钢轨内部伤损检测技术 GCT 8型钢轨超声波探伤仪的主要技术特点为 1 8路独立的发射 接收通道 2 备有一个多功能校对通道 3 伤波自动定位 数字自动显示伤波的水平 垂直 声程参数 4 具有B型显示和B超图像记录功能 5 存贮 回放功能 6 配备有探伤活动记录装置 GPS定位系统 7 探头自检功能 8 环境适应性好 2020 1 8 50 4钢轨内部伤损检测技术 4 3钢轨探伤车的工作原理 SYS 1000系统组成 YS 1000钢轨检测系统可分为两个子系统 机械子系统和计算机及电子子系统 机械子系统为探测架 其上装有超声波轮探头 液压子系统 气动子系统 柴油子系统 水系统及喷漆标记系统 计算机及电子子系统为一连接紧密的如同一体的计算机系统 SYS 1000系统计算机及电子子系统和机械子系统 2020 1 8 51 4钢轨内部伤损检测技术 4 4钢轨探伤车的应用技术 SYS 1000系统中超声波的发射与接收 SYS 1000系统通过在超声波压电晶体换能器上施加高电压使其振动 并发射出2 25Mhz的高频声波 超声波振动在钢中传播 并在空气界面或裂纹处发生反射 与雷达和声纳的工作原理相似 依靠接收反射声波来判别钢轨中是否存在缺陷 系统通过测量自超声波发生至接收到回波的时间差确定是否存在反射体 2020 1 8 52 4钢轨内部伤损检测技术 各换能器折射角 轮探头声束 每个轮探头有六个换能器 一个0度 三个70度 一个37 5度 通常称之为45度 和一个侧打换能器 这六个换能器以不同的角度进入钢轨中并最大限度地覆盖钢轨 另外同侧钢轨上的两轮探头以镜像方式安装 见上页图 0度换能器 0度纵波 3 5MHz 可检测钢轨中诸如轨头和轨腰水平劈裂的水平取向的缺陷 另外还可探测螺孔裂纹及其他螺孔缺陷和轨头纵向劈裂 45度换能器 45度横波声束 2 25Mhz 主要用于探测轨腰部分缺陷 尤其是螺孔裂纹 该换能器还可探测70度换能器漏掉的特殊取向的缺陷 70度换能器 三束70度横波声束 2 25MHz 探测轨头及轨腰上部区域 这三个换能器主要探测如轨头核伤 TD 和焊缝缺陷等横向伤损 另外还可探测轨头中的垂直劈裂 侧打换能器 一组指向钢轨内侧和钢轨外侧的横波声束 2 25MHz 称作 侧打 声束 这些通道主要用于探测轨头垂直劈裂缺陷 2020 1 8 53 4钢轨内部伤损检测技术 有三个装置可观察SYS 1000系统信息 第一个是SCC的彩色监视器 SCC监视器显示一组菜单 操作员通过对菜单项的选择 控制系统的操作 第二个是显示计算机的彩色监视器 它显示来自换能器并经过识别处理后的两维超声波信息 操作员可通过观察这些数据确认识别后的钢轨超声波检测信息 显示计算机还通过彩色喷墨打印机将屏幕显示图形打印出来 最后 四个通用示波器上同时显示了超声波原始信号的波形 操作员可由此获得系统中八个通道的超声波信号显示 2020 1 8 54 4钢轨内部伤损检测技术 钢轨超声波信息显示图形 2020 1 8 55 4钢轨内部伤损检测技术 超声波探测脉冲密度探测系统发射超声波的最大密度为车辆每移动1 16英寸发射一次 当车辆速度增加时 为了能使系统有足够的时间处理回波信息 探测密度 每英寸发射脉冲数 必须降低 当车辆速度逐渐提高时 系统发射脉冲的间隔也切换为1 6毫米 1 16英寸 3 2毫米 2 16英寸 4 8毫米 3 16英寸 及6 4毫米 4 16英寸 而缺陷的位置分辨率仍保持为1 6毫米 1 16英寸 钢轨标记钢轨缺陷位置可由安装于车外两端的四个喷枪进行标记 两个喷枪位于车前端 另两个位于车后端 2020 1 8 56 5轨道连续弹性检测系统 5 1概述 轨道结构弹性 轨道弹性的变化以及轨道弹性沿延长方向的不均匀性是研究轮轨相互作用重要指标 轨道弹性检测车可用于新修线路的施工和既有线的维修作业检查 其用途主要体现在以下方面 1 检查道床 路基捣固 压实情况 2 检查桥头 涵洞 隧道口 道口 道岔等地段轨道刚度变化的均匀性 3 在既有线上检测道床板结 路基翻浆冒泥等引起的刚度变化 为科学地制订道床清筛计划提供数据 4 新线开通前施工部门自检 根据轨道刚度科学地确定开通速度 5 在高平顺轨道铺轨作业中指导施工作业 以提高作业精度 6 在新线开通运行初期监视轨道刚度变化 2020 1 8 57 5轨道连续弹性检测系统 5 2检测原理 轨道刚度为 式中 弹性检测车检测原理图如下页图 从图中可知重车系统测得的轨道下沉量为 式中 2020 1 8 58 5轨道连续弹性检测系统 轨道弹性检测车的检测原理图 2020 1 8 59 5轨道连续弹性检测系统 轻车系统测得的轨道下沉量为 式中 2020 1 8 60 5轨道连续弹性检测系统 5 3轨道弹性检测车的结构 轨道弹性检测车由重车A 轻车B组成 均为两轴车 规定重车在前为正方向 见下图 弹性检测车结构图 2020 1 8 61 5轨道连续弹性检测系统 弹性检测车外观 2020 1 8 62 5轨道连续弹性检测系统 轨道弹性检测车技术指标 2020 1 8 63 5轨道连续弹性检测系统 5 4轨道弹性检测车的应用 郑武高速试验段 1998年6月7日至9日弹性检测车以40km h的速度检测了郑武线240km h高速试验段k750 801的轨道弹性下沉量 本次轨道弹性连续检测在我国属首次 检测结果很好地反映出了试验段的轨道弹性变形的变化范围及均匀性 准确地测量出了路桥过渡段 道口区 道岔区轨道弹性变形的变化梯度 2020 1 8 64 5轨道连续弹性检测系统 秦沈线桥梁轨道弹性变形 2020 1 8 65 6线路综合检测列车 综合检测列车是一列装有专用检测设备 对线路轨道 牵引供电 通信信号 周边环境中影响列车运行安全的技术指标和相关信息进行实时检测 并具有时空同步定位 数据传输和分析功能的列车 综合检测列车是在模拟旅客列车运行条件下 对基础设施状态进行检测 质量综合评估 其检测结果主要用于指导基础设施的养护维修和新线验收 为了使检测结果反映旅客列车运行时基础设施的真实状态 综合检测列车检测时运行速度应尽可能与旅客列车运行速度一致 2020 1 8 66 6线路综合检测列车 目前我国铁路共有三列综合检测列车 三列综合检测列车概况 自2007年 4 18 第六次大面积提速后 CRH2 010A过渡综合检测车每10天一个周期对京沪 京广 京哈 陇海 沪昆 广深和胶济线进行综合检测 0号高速综合检测列车于2008年7月上线试运行 CRH2 061C过渡综合检测车于2008年8月具备综合检测能力 2020 1 8 67 6线路综合检测列车 6 1 2综合检测列车的组成 综合检测列车由5动3拖 两个动力单元编组而成 详见编组如下图所示 我国0号高速综合检测列车编组图 综合检测列车能够对线路轨道几何状态 轮轨作用力 牵引供电 通信信号 周边环境中影响列车运行安全的技术指标和相关信息进行实时检测 并具有时空同步定位 数据传输 存储 分析 显示 车地无线信息传输 车地无线电视电话会议等功能的动车组 2020 1 8 68 6线路综合检测列车 6 2 1列车网络系统 通讯系统使用MOXAEDS 518A系列和MOXAEDS 510A工业级千兆网管型以太网交换机来进行网络构建 选用的EDS 518A型号由2个1000M多模SC光纤接口和16个10 100BaseT以太网口组成 EDS 510A型号由3个1000M多模SC光纤接口和7个10 100BaseT以太网口组成 在各车厢配置工业以太网交换机 各交换机之间的1000M多模SC光纤接口使用多模光纤做环型连接 并采用由Moxa研发的网络冗余协议TurboRing协议组成千兆冗余光纤以太环网 拥有高达1000M光纤带宽的通讯能力 冗余环网拥有极短的网络自愈时间 当系统的任意网段与网络断开连接的时候 通讯局域网络将在20毫秒之内恢复正常 系统架构如下图所示 综合系统由列车专用网络 定位同步系统 多媒体显示系统 环境视频采集处理系统 数据处理系统 检测自诊断系统等系统组成 2020 1 8 69 6线路综合检测列车 6 2 2定位同步系统 利用ATP的输出接口读取列车运行信息 将这些信息传输到里程同步服务器 在里程同步服务器进行解码 读出相关的列车信息 包括里程 线路 上下行等相关信息 利用DGPS采集里程信息和时钟信息 DGPS的输出频率要求至少20Hz以上 DGPS的动态延迟小于1毫秒 DGPS里程输出系统具有建立里程数据库 里程自动匹配 动态铁路电子地图显示等相关功能 里程同步网络数据流程图 2020 1 8 70 6线路综合检测列车 6 2 3环境视频检测系统 系统总体方案如下图所示 将监视线路环境2台摄像机分别连接到安装在其附近的2台字符叠加器 然后分别连接到2台工业级网络视频服务器 网络视频服务器以MPEG4或MJPEG标准协议压缩成数字IP信号 通过利用已经建立好的千兆以太冗余环网传至位于2号车的服务器中 服务器完成视频图像的存储 环境视频监测系统系统结构图 2020 1 8 71 6线路综合检测列车 6 3轨道检测系统 根据国内外多年运用经验 综合检测列车轨道检测系统检测项目一般包括 轨距 轨距变化率 轨向 高低 超高 水平 三角坑 曲线半径 曲率变化率 未平衡超高及其变化率 车体横向 垂向和纵向加速度 构架横向和垂向加速度 左右轴箱横向和垂向加速度 6 3 1检测系统的功能 2020 1 8 72 6线路综合检测列车 各种轨道几何尺寸可划分为不同的检测波长 各种波长对应的不平顺检测量值和精度均有明确规定 如下表所列 轨道检测系统主要技术参数 2020 1 8 73 6线路综合检测列车 6 3 3设备安装 检测设备的安装位置如下两页图所示 轨道检测系统在综合检测车1 8号车一位端转向架外一位侧装有车体加速度计 一位端转向架的1 2位轴轴头装有轴箱加速度传感器 一位端转向架1位轴轴箱上方的构架上装有构架加速度传感器 轨道检测系统在综合检测车5号车二位端转向架外一位侧装有车体加速度计 二位端转向架的5 6位轴轴头装有轴箱加速度传感器 二位端转向架5位轴轴箱上方的构架上装有构架加速度传感器 5位轴侧装有速度编码器 二位转向架侧安装轨检梁 2020 1 8 74 6线路综合检测列车 轨道检测系统安装结构示意图 2020 1 8 75 6线路综合检测列车 5号车轨检设备安装图 2020 1 8 76 6线路综合检测列车 6 4轮轨力检测系统 6 4 1检测项目 轮轨力主要是反映车辆运行的动力学响应 作为车辆运行安全性评价的主要指标 其基本检测项目有垂直力 横向力和纵向力 轮轴横向力为左 右车轮横向水平力代数差 式中 脱轨系数为轮轨横向力与轮载的比值 式中 2020 1 8 77 6线路综合检测列车 减载率为轮重减载量与平均轮重的比值 式中 测力轮对图示 2020 1 8 78 6线路综合检测列车 6 4 2技术参数 测量范围 垂向力0 400kN输出范围可选择 横向力 160kN 纵向力 160kN 相对精度 4 测力轮对工作寿命 10年 最高测量速度 300km h 数据处理软件能实时连续输出轮轨间的垂直力 水平力 轮重减载率 脱轨系数等数据波形 数据处理软件能够再现各种原始数据 并具有数据检索查询和统计分析的功能 2020 1 8 79 6线路综合检测列车 6 4 3设备安装 轮轨力检测系统在综合检测车5号车一位端转向架的一位轴和四位轴的轴头各安装一个测力轮对 设备安装图如下图所示 2020 1 8 80 6线路综合检测列车 6 5信号检测系统 6 5 1检测项目 根据我国客运专线的特点 信号检测系统主要检测项目包括轨道电路绝缘节位置及绝缘破损 补偿电容 有 无 牵引电流及不平衡率 谐波分析 应答器报文信息及位置 CTCS2级ATP系统运行状态 原因分析如下 1 牵引电流检测 牵引电流的干扰是影响轨道电路正常工作的一个主要因素 采用动车组牵引方式 其最大牵引电流 谐波干扰特性等必须进行检测分析 保证客运专线行车安全 2 轨道电路检测 在C2运行模式下 列控信息是通过轨道电路传递给车载ATP的 轨道电路的工作状态直接关系到列控系统的工作可靠性 3 车载ATP检测 列车运行控制相关信息反映了车载ATP的工作状态 可有助于对车载ATP的运行状态和其他检测数据的分析与判别 4 点式应答器检测 无论是E1还是C2 都要通过点式应答器向车载ATP传递相关控车信息 点式应答器的工作状态直接关系到行车安全和运输效率 必须进行检测 2020 1 8 81 6线路综合检测列车 在1车和8车顶部分别安装两个GPS天线 信号检测系统安装结构示意图 2020 1 8 82 6线路综合检测列车 6 6通信检测系统 6 6 1系统组成及检测项目 无线通信检测系统主要由两部分组成 第一部分是测试数据采集 处理和分析设备 包括测量接收机 无线通信系统测试终端 系统控制器等 第二部分是检测系统辅助设备 包括计距脉冲发生器 测试天线 输出设备等 系统组成如下图所示 无线通信测试系统结构图 2020 1 8 83 6线路综合检测列车 通信检测系统检测项目包括 1 GSM R移动通信系统无线场强覆盖测试和450MHz列车调度无线场强覆盖测试 同时测量GSM R系统服务小区和列车运行方向相关相邻小区的场强覆盖 2 GSM R移动通信系统通信质量QoS测试 包括话音通信和分组数据通信 列车调度应用数据传输质量 3 为GSM R网络优化所需的各项参数测试 4 GSM R移动通信系统电路域数据通信质量QoS测试 其特点是在采用国际上先进的仪器仪表基础上 由国内开发相关软件 结合我国GSM R的发展 更好地适应我国铁路无线通信测试的需要 系统配置原因分析如下 2020 1 8 84 6线路综合检测列车 6 6 2设备安装 通信检测系统的检测天线安装在1号车和2号车的车顶导流罩上 导流罩上预埋了安装有丝套的铝板 天线安装时通过螺栓与丝套连接 实现天线的固定 天线安装完成后 需要用密封胶密封天线底座与铝板的间隙 铝板上有接地线连接到铝结构表面 天线底座与铝板导电连接 实现天线的接地 1 2号车车顶检测设备的馈线由粘接在车顶铝结构表面上的线卡固定 所有线束汇聚在车顶的下线孔处进入车内 数据处理子系统安装在车内 2020 1 8 85 6线路综合检测列车 6 7接触网检测系统 根据我国电气化铁道弓网受流性能试验方法和评定标准 对于客运专线综合检测列车所必须的检测项目包括接触网几何参数 弓网相互作用 接触线磨耗和受流参数等 其中 动态检测接触网几何和磨耗变化过大会对受电弓的受流质量和接触网的安全运行造成破坏性的影响 弓网动态相互作用是评价动车组动态运行的弓网动态响应指标 其结果对于接触网 受电弓和车内电气设备的安全运营和受流状态都有重要影响 直接影响行车安全 同时必须实时检测接触网的受流性能情况 为接触网和牵引供电设备的及时维护和维修提供依据和参考 保障我国客运专线的运行安全 2020 1 8 86 6线路综合检测列车 6 7 2接触网检测系统组成 系统用于检测运行线路上接触网以及受电弓与接触网的各项参数 包括接触检测部分和非接触检测部分 系统包括接触线几何状态检测设备 接触网受流性能测试设备 接触网和受电弓运行状态图象监测系统 数据处理和分析系统 测试受电弓与取流受电弓为同一受电弓 安装传感器后 不能影响其受流性能 一 接触检测部分 接触检测系统用于测量受电弓与接触导线之间的垂直接触力 受电弓弓头的加速度 接触片上接触导线的位置 根据力传感器信号计算 受电弓和受电弓弓头弹簧的竖直位移以及基架处的加速度 除了检测设备以外 车顶还有一些为检测设备服务的辅助设备 如为弓上传感器供电的变压器 为探照灯供电的变压器 由于接触网检测系统采用光纤传输数据 故还需一个将电信号转化为光信号的数据传输单元 3号车车下5位轴头安装有轴头编码器 该编码器可将列车的运行情况传给接触网检测系统 2020 1 8 87 6线路综合检测列车 二 非接触检测部分 非接触检测部分主要检测接触网的几何参数 其主要部件是安装在车顶一位端的光学检测梁 将摄像机安装在可固定与任何车辆上的抗扭曲光学轨道上 可通过分析来自摄像机的信号进行计算接触线与四个摄像机位置之间的角度 如果已知这些角度及测量系统的基线长度 就可利用标准的三角关系计算坐标内的接触线位置 6 7 3接触网检测系统检测项目 接触线高度 接触线底面距钢轨水平面或轨面连线的垂直距离 接触线高度变化率 指接触线沿线路方向的高度变化率 拉出值 为了延长受电弓滑板的使用寿命 使滑板磨耗均匀 接触线在线路的直线区段布置成之子形 在曲线区段布置成折线的形式 这种之字线或折线在接触线定位点距受电弓中心线行迹的距离定义为拉出值 硬点和冲击 受电弓滑板沿接触导线滑行时受到的垂直方向和沿线路方向上加速度的最大值 离线 指受电弓滑板机械脱离接触线的时间 2020 1 8 88 6线路综合检测列车 弓网间动态接触力 指动车组在运行中受电弓滑板与接触线间的垂直方向动态接触力 在受电弓的弓头上安装接触力传感器和加速度传感器 压力传感器的形状和安装个数应根据受电弓弓头的具体情况确定 每个滑板条下安装的加速度传感器为2个 离线 指受电弓滑板机械脱离接触线的时间 接触线间水平距离 指接触网的线岔或锚段关节处 两支接触线的水平距离 接触线间垂直距离 指接触网的线岔或锚段关节处 两支接触线的垂直距离 接触网电压 接触网对地电位值 定位器坡度 定位器相对于受电弓滑板的斜度 跨距 接触网两相邻支柱间的距离 隧道内两悬挂点之间的距离 2020 1 8 89 6线路综合检测列车 各检测项目的检测量程与精度要求如下表所列 表接触网检测系统检测项目及检测精度要求 2020 1 8 90 6线路综合检测列车 6 7 4设备安装 接触网检测系统安装结构图 2020 1 8 91 7道岔监测系统 7 1道岔监测系统的组成 道岔监测的主要内容有 道岔关键部件的应力状态 尖轨与基本轨的密贴状态 心轨与翼轨的密贴状态 尖轨或心轨的扳动力 转辙机械的锁闭力等 7 1 1系统组成 一般道岔监测系统TMS组成如下页图所示 包括硬件和软件两个部分 硬件是构成监测系统的基础 软件管理和控制硬件运行 实现各项监测任务 是整个监测系统的大脑 道岔监测系统 TMS TurnoutMonitoringSystem 由各种传感器 道岔轨旁现场监测分机 数据传输网络 车站处理计算机 中央处理服务器等组成 可对道岔的应力状态 密贴状态 表示杆缺口 转换力等进行实时监测与预警 2020 1 8 92 7道岔监测系统 道岔监测系统中的硬件设备主要有 1 各种传感器 2 位于道岔轨旁的现场监测分机 FMU FieldMonitoringUnit 3 数据传输网络 4 位于车站控制室的车站处理计算机 SPC StationProcessingComputer 5 位于线路控制中心的中央处理服务器 CPS CentreProcessingServer 7 1 2传感器 传感器是道岔监测系统TMS的重点硬件设备之一 在TMS中 采用了多种类型的传感器 从监测对象而言 传感器包括 测力传感器 位移传感器 振动传感器 电流传感器 电压传感器 温度传感器 湿度传感器等 从输出方式而言 传感器包括 输出信号为电流的传感器 4 20mA 0 20mA 输出信号为电压的传感器 0 5V 直接输出监测数据的智能传感器 2020 1 8 93 7道岔监测系统 上图为道岔监测系统TMS常用的测力传感器 该传感器为英国一家专门生产传感器的公司生产 它提供的载荷销替换原安装上的连接销 监测道岔的拉力 其机械强度与连接销相当 该测力销可以长期在设备上使用 在英国铁路线上应用后得到英国铁路部门的认可 2020 1 8 94 7道岔监测系统 上图为密贴传感器 该传感器设计为连杆接触式位移传感器 连杆的一端与尖轨相连 尖轨的位移带动连杆位移 连杆的另一端与传感器的中心轴杆相连 连杆的位移带动传感器的中心轴杆转动 从而进行密贴测量 2020 1 8 95 7道岔监测系统 7 1 3现场FMU FMU安装机箱 FMU内容结构组成 每个现场监测分机FMU由下列硬件组成 带电源的金属屏蔽机箱 带主处理芯片 专用总线通信芯片的主处理板 MPB MainProcessBoard 模拟输入接口模块 AIB AnalogInputBoard 开关量输入接口模块 SIB Switchon offInputBoard 2020 1 8 96 7道岔监测系统 7 1 4道岔监测系统的特点 一个完整的道岔监测系统应具有如下特点 1 安全性 系统硬件元器件 开发工具和平台的选择 充分考虑了TMS系统 特别是现场监测分机FMU 所处的恶劣环境 强电磁 灰尘 振动 高温等 严格选择工业级器件 同时在FMU结构设计时充分考虑环境的影响 确保了FMU的高适应性和安全性 另外 在TMS轨旁设备的设计和选型时 如FMU设计 FMU走线 传感器选型 传感器安装方式等 充分考虑了对道岔及其转换设备的影响 确保监测系统轨旁设备不影响道岔及其转换设备的正常工作以及不影响列车的正常运行 2 在线性 TMS系统在道岔设备运用状态下对状态参数进行在线监测 所谓的 在线监测 是指在列车正常运行 线路道岔正常运转时 完成道岔状态实时监测 2020 1 8 97 7道岔监测系统 3 实时性 TMS系统采用以下手段完成道岔状态监测的实时性 轨旁现场处理单元FMU 硬件芯片采用高性能微控制器 传感器采样为实时的模拟量采样 现场监测分机FMU与车站处理计算机之间通过现场总线网络完成数据交换 车站处理计算机采用高性能的工业控制计算机 4 可扩展性 TMS系统是基于模块化的开发和集成在一起的 系统对接口进行了一致性定义 确保了TMS系统具有优越的软件可扩展性 TMS系统的软 硬件设计 特别是现场监测分机FMU的软 硬件设计以及与传感器接口的设计 充分考虑了其他道岔状态参数的监测扩充及多种类型传感器的采用 确保了道岔状态参数和传感器的扩展 TMS系统综合了传统电务道岔设备状态参数和工务相关参数等多种道岔状态的监测 并且可以方便的扩充其他相关参数的监测 2020 1 8 98 7道岔监测系统 7 2 2道岔状态实测数据处理 道岔状态参数实时采样和传输位于道岔轨旁的现场监测分机FMU实时采集安装在道岔相关位置的传感器的数据 采样周期为毫秒级 采样数据经过FMU本地处理后 通过现场总线网络 实时传送回位于车站机械室的车站处理计算机 道岔状态参数实时处