轨道检查列车的现状及发展趋势

轨道检查列车的现状 及发展趋势 张育飞 2007 11 5 目目 录录 第一章 绪论 3 第二章 国外轨道检查车技术 4 2 1 日本 East i 综合检测列车 4 2 2 美国 Ensco 和 ImageMap 公司轨检车 5 2 3 奥地利 Plasser 公司 EM 250 型轨检车 5 2 4 德国 OMWE 和 RAILAB 轨检车 5 2 5 意大利 阿基米德号 综合检测列车 6 2 6 法国 MGV 综合检测列车 7 第三章 我国的轨道检测车 8 3 1 GJ 3 型轨检车 8 3 2 GJ 4 型轨检车 8 3 2 1 GJ 5 的原理及应用 18 3 2 2 GJ 5 型软件的自主研发 19 3 3 轨检车的应用情况及优缺点 22 3 3 1 上海局的管理 22 3 3 2 济南局的管理 23 3 3 3 TQI 指数的优缺点 25 3 4 我国轨检车技术发展方向 27 3 5 轨检车发展趋势 29 第四章 结论与建议 31 4 1 运用综合检测列车是必然选择 31 4 2 提高检测可靠性是轨道动态检测技术的发展方向 32 4 3 建立科学合理的轨道动态检测评价体系 34 致 谢 36 参考文献 37 第一章第一章 绪论绪论 轨道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 包括 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 轨检车由检测装置和数据处理系统两大部分组成 检测装置包括 惯性基 准轨道不平顺测量装置 光点轨距测量装置和多功能振动测量装置等 数据处 理系统包括 模数转换器 计算机 打印机等组成 轨距检测采用光电式轨距测量装置 应用光学 磁学和电学原理 通过不 同的传感器把轨距几何量值的变化转换成电容 电感和电流或电压等电气参数 的变化 实现动态条件下轨距的无接触测量 这种测量方法不仅适用于常速轨 检车 在高速轨检车上也普遍适用 测量前后高低和左右水平时 采用惯性基 准轨道不平顺测量装置 该装置应用质量 弹簧 阻尼系统构成惯性基准 对轨 道不平顺和水平进行测量 车体和轴箱振动加速度检测采用多功能振动测量装 置 轨检车载数据处理系统能对测试结果进行实时处理 由各检测装置测得的 模拟信号通过模数转换器转化为数字信号 输入计算机进行分析和处理 处理 结果打印成图表 给出某段线路上各检测项目的平均值 标准值 各级超限峰 值几最大超限值 累计超限罚分值等 同时 模拟信号还被记录在波形记录仪 或模拟磁带机上 供进一步分析和处理用 发达国家大多数拥有自己研制生产的中高速或高速轨检车 在高速轨检车 上 激光 数字滤波及图象处理技术得到广泛应用 以计算机为数据处理主体 对轨检信号进行模拟与数字混合处理 确保检测结果不受轨检车运行速度和运 行方向的影响 与发达国家相比 我国轨检车的性能和应用标准还存在一定差 距 主要表现在 尚没有高速轨检车 现有的准高速轨检车也主要靠引进国外 技术制造 部分关键传感器未能国产化 对轨检车的检测数据还不能充分利用 这些都是急待研究和改进的地方 第二章第二章 国外轨道检查车技术国外轨道检查车技术 2 12 1 日本日本 EastEast i i 综合检测列车综合检测列车 East i 是日本完全利用其国内技术开发的综合检测列车 由 6 辆检测车 组成 可以检测轨道几何参数 接触网 通信信号 轮轨作用力 环境噪声等 最高检测速度可达 275km h 该轨道检测系统安装在列车的第 3 号车辆上 这 个车辆采用了与实际运行车辆相同的两个二轴拖动转向架结构 East i 综合检测列车可在一次运行过程中实现对线路的综合检测功能 但各检测项目之间的检测数据并不综合到一个统一的中心 各检测单元有各自 独立的数据显示 记录 转储和地面分析 处理 维护管理决策等系统 全系 统仅有位置 时间和速度是统一的 图 2 1 日本 East i 综合检测列车 East i 综合检测列车是相对成熟的产品 在保障日本高速铁路的运行安 全中发挥了重要的作用 其轨道检测方法为弦测法 而目前国内轨检车和世界 绝大多数国家轨检车普遍采用惯性基准法 在测量原理上采用两种不同的技术 路线 一般认为 弦测法传递函数收敛性差 East i 采用了相应的修正方法 由于弦测法不能全部真实反映轨道状况 在复原及逆滤波处理时仅能换算到 40 m 波长的测值 因此该方法存在一定的缺陷 惯性基准法受速度影响较大 不 适宜低速检测 在高速时更具优势 另外 East i 整套设备及软件均为日本 的品牌和自主开发的产品 与我国设备和软件的兼容性差 不利于系统的后续 使用和二次开发 2 22 2 美国美国 EnscoEnsco 和和 ImageMapImageMap 公司轨检车公司轨检车 美国各铁路公司均拥有自主研发的轨检车 美国联邦铁路署还委托 Ensco 公司研制了技术先进的 T10 型轨检车 用于抽查各铁路公司的线路质量 T10 型轨检车采用惯性基准测量原理和非接触式测量方法 应用光电 伺服 数字 滤波 局域网技术 最近还增加了钢轨断面测量系统 使轨检车的功能更加齐 全 检测速度可达 192km h ImageMap 公司研制的 Laserail 轨道测量系统采用激光摄像 高速图像处 理技术取代了光电伺服技术 体现了轨道检测技术的发展方向 它采用惯性基 准原理 非接触式测量方法 系统包括两个光纤陀螺和两个加速度计及其模拟 处理板 4 个激光器 10 台摄像机等 可测量轨距 左右轨向 左右高低 超 高 水平 三角坑 曲率 钢轨顶磨和侧磨等 检测速度可达 300km h 2 32 3 奥地利奥地利 PlasserPlasser 公司公司 EMEM 250250 型轨检车型轨检车 为适应奥地利高速铁路的检测需要 奥地利 EM250 型轨检车检测速度为 250km h 其主要技术特点是采用惯性基准原理 光电转换技术和多处理技术等 除了测量轨道几何参数和车辆振动参数外 还能测量钢轨断面 轮轨作用力并 记录环境图像 EM250 型轨检车有两种途径评定轨道质量 1 采用 ADA 程序来获得轨道质量系数 评定轨道区段的整体不平顺状态 2 采用 ADA 程序来判断超过规定限界值的幅值大小 并对不同等级轨道病 害进行分类和统计并能及时发现危及行车安全的轨道病害 又能评定单元区段 的线路质量 2 42 4 德国德国 OMWEOMWE 和和 RAILABRAILAB 轨检车轨检车 德国 OMWE 轨检车和 RAILAB 轨检车的技术特点是在车下建立测量框架 在 车内安装与框架相连的三轴稳定性平台 采用 3 个陀螺和 3 个伺服加速度计组 成了惯性导航系统 为轨道几何参数的测量构建了惯性平台 结合安装在测量 框架上的光电传感器 测量相对平台的位移量 经计算机处理合成即可得出轨 道的高低 水平 轨向值 检测速度可达 300km h 轨道质量状态的评定方法 包括 摘取超限峰值 判断和统计超过 A B C 三个等级的个数和长度 以及 计算 500m 区段的轨道质量指数 TQI 起拨道指数和捣固指数 2 52 5 意大利意大利 阿基米德号阿基米德号 综合检测列车综合检测列车 阿基米德号 综合检测列车又称 Roger2000 是 MER MEC 公司和 TECNOGAMMA 公司为意大利铁路设计制造的 检测速度可达 220km h 检测项目 包括轨道几何参数 钢轨断面 钢轨波浪磨耗 接触网及受流状态 通信和信 号 车体和轴箱加速度 轮轨作用力等 车上有 57 台计算机 每秒钟可处理 30G 数据 有 24 个激光器 43 个光学摄像传感器 47 个加速度计以及大量的 强度速度 定位以及温度传感器 以及用于航空电子领域的惯性平台 图 2 2 意大利 阿基米德号 综合检测列车 意大利高速铁路使用 阿基米德号 综合检测列车已经形成了一整套检测 和维修养护体制 综合检测列车各子系统有独立的存储数据库 在速度 时间 空间上保持同步 所有子系统的检测数据集成到车载中央数据库 由中央数据 库将数据通过无线网络传输到地面的 RFI 数据处理中心进行综合分析 比较 从而制定科学的维修保养计划 指导养护维修 其轨道检测在较低速度时采用 弦测法 在较高速度时采用惯性基准法 较好地发挥了两种测量原理的优势 2 62 6 法国法国 MGVMGV 综合检测列车综合检测列车 目前在法铁的线路上主要应用着三种检查车 分别为 Mauzin Helene 和 Melusine Mauzin 主要用于轨道几何参数的检测 可以检测轨面高低 断面 方向 扭曲 轨距等项目 采用 13m 和 65m 弦 检测速度可以达到 200km h 目前在 法铁的高速线上有 5 辆 Mauzin 每年对线路检测 2 3 次 Helene 主要用于信号的检测 可以测量轨道电路中电流的强度 纵横向交 叉对话 轨道的横向阻抗等 检测速度 200km h 每两个星期对线路检测一次 Melusine 主要用于检测列车的舒适度以及钢轨断面的绘制 可以测量列车 的位置和速度 转向架和车体的加速度 受电弓 钢轨表面 接触网电流等到 项目 检测速度 300km h 每 15 到 30 天对线路进行一次检测 MGV 是专为法国高速铁路研制的综合检测列车 该列车的主要特点是集成 以上各系统 并实现检测速度达到 320km h 这样在正常运营 发车间隔 3 4 分 的情况下就可以对线路设备进行检测 轨道几何的检测实现无接触化 在 MGV 检测列车中采用采用法国既有成熟的动力集中式 TGV 动车组 8 节车辆的编 组 Coach 1 用于测量车体 轴箱等加速度 测量钢轨断面并进一步计算轨道 的几何形位 Coach 2 用于接触网检测 受电弓接收到的电流 弓网的动力学参数以及 磨耗情况 Coach 3 用于信号检测 信号的传播 信号传播的速度 同轨道的固定接 触 Coach 4 其它杂项 如列车与轨道的通话 GSM 列车定位 列车速度 风力等 其它车辆分别由餐车 卧铺车等组成 该车检测项目比较齐全 几乎包括了从接触网及受流状态 通信信号 轨 道几何 钢轨断面 钢轨表面 线路环境数字图像 扣件 轨枕 道碴等各项 基础设施和运行状态 第三章第三章 我国的轨道检测车我国的轨道检测车 随着我国铁路提速战略的实施 对列车的安全 舒适性提出了更高的要求 同时运行速度的提高和重载列车的开行 对轨道的破坏作用加大 导致轨道状 态的恶化加剧 因此 加强轨道动态检测力度 及时掌握轨道质量状态 正确 指导线路养护维修 确保铁路运输安全 已成为铁路工作中的一项重要基础工 作 截至 2004 年底 中国铁路现役轨检车按检测系统类型划分为四类共计 26 辆 GJ 3 型 7 辆 GJ 4 型 12 辆 GJ 4G 型 1 辆 GJ 5 型 6 辆 按车辆速度等级划分为 120km h 等级 11 辆 140km h 等级 12 辆 160km h 等级 3 辆 3 1 GJ 3GJ 3 型轨检车型轨检车 GJ 3 型轨检车的技术特点是采用惯性基准原理 运用传感器技术和计算机 技术 直接以传感器电压信号作为不平顺超限根据 计算机直接采集超限等级 和数量计算扣分 笔式绘图仪记录不平顺波形 可以检测高低 水平 三角坑 车体垂直和水平振动加速度 但轨距 轨向尚无法检测 GJ 3 轨检车的电路 大多采用 20 世纪 70 年代末至 80 年代初的分离式元件 稳定性差 加之安装时 间跨度大 即使同一种仪器使用的元器件也不尽相同 接口也不完全一样 造 成了备件选择和备用上的极大困难 养护维修难度很大 3 2 GJ 4GJ 4 型轨检车型轨检车 GJ 4 型轨检车在美国 T10 型轨检车的基础上 采用惯性基准原理 应用 传感器 模拟信号处理 数字信号处理 组成的综合补偿系统对各种误差信 号进行补偿修正 检测项目比较齐全 除评价线路质量状态的轨距 轨向 高 低 水平 三角坑以及车体水平和垂直振动加速度等指标外 还可识别道岔 道口 桥梁等地面具有显著特征的标志物 方便工务人员查找轨道病害处所 图 3 1 GJ 4 轨道检测车 GJ 4 在测量轨距 轨向的光电伺服机构存在以下 3 个方面的问题 轨距吊梁对行车安全构成威胁 随着轨检车运行速度的提高 轨距吊梁 所受的振动和冲击力大大增加 严重恶化了工作环境 加速了轨距吊梁的疲劳 断裂 目前繁忙干线行车间隔只有几分钟 一旦出现轨距吊梁断裂 脱落 将 对后续列车的行车安全构成重大威胁 装在轨距吊梁上的检测设备故障率较高 随着列车运行速度的提高 安 装在轨距吊梁上的光电伺服机构的故障率呈现增长态势 另外 北方寒冷地区 一年有 3 6 个月光电伺服机构由于结冰而无法正常工作 部分地区由于风沙也 经常导致光电伺服机构移动失常 轨距吊梁在特定检测速度下产生共振 导致检测数据失真 运用中发现 检测速度达 115km h 甚至 140km h 时 由于轨距吊梁产生共振 导致轨距轨向 波形出现典型的谐波波形 检测数据严重失真 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 传感器 信号首先进入信号转接及监视装置后 送入信号模拟预处理装置进行预处理 预处理后的信号再通过信号转接及监视装置后进入计算机数据处理系统 根据 数学模型进行信号解偏 修正 补偿 滤波 合成计算出轨道几何参数 同时 进行检测数据统计分析 摘取超限值 打印报表 存贮显示 几何参数经 DA 变 换 再经信号转接及监视装置后送到绘图仪记录波形 系统框图如图 3 2 所示 图 3 2 GJ 4 型轨检车检测系统框图 图注 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 LMOTO 左轨距驱动马达 RMOTO 右轨距驱动马达 PATCH PANEL 信号转接及监视装置 OSC DEM 轨距调制解调装置 SCU 模拟信号处理装置 SP 轨距功放装置 MFI 多功能接口板 POWER SUPPLY 电源装置 1 轨距 如图 3 3 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 它们各自测量左轨及右轨的轨距变化分量 两个轨距分量之和可得到轨距 值 左右轨距测量子装置均包括五个部分 光电传感器 调制解调器 信号处 理器 功放 伺服机械 光电传感器和伺服机械安装在车体下面的测量梁上 调制解调器 信号处理器及功放安装在车内 光电传感器位于轨顶面斜上方 与钢轨内侧面轨距点之水平距离为 与测量梁上伺服马达水平距离 gsL D SbL D 为 左右马达间距为 光电传感器发出的光束以 角投射到左 sbR D gsR DD 右 轨面下 16mm 处 漫反射光被光电接收器接收 当钢轨产生位移使轨距变化时 光电传感器感受其变化并输出相关电信号 经调制解调器处理后 成为与轨距变化成线性比例的电压信号 再经信号处理 器 功放 驱动马达 使光电传感器在伺服机械的推动下 跟踪钢轨位移 轨 距计算如下 gsRsbRSbLgsL DDDDDS RL SDSS 式中 为左轨距分量 为右轨距分量 L S R S 图 3 3 轨距测量装置 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 度数 大 曲率大 半径小 反之 度数小 曲率小 半径大 轨检车通过曲线时 直 线亦如此 测量车辆每通过 30m 后车体方向角的变化值 同时测量车体相对两 转向架中心连线转角的变化值 即可计算出轨检车通过 30m 曲线后的相应圆心 角 的变化值 测量曲率的传感器分布如图 3 4 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 图 3 4 测量曲率的传感器分布 由于一阶模拟滤波器在处理模拟时间域信号时 其频率特性是固定不变的 但在处理 YAW 所表示的空间域频率信号时 其频率特性就是变化的了 因此 一阶模拟滤波器输出信号经采样 进入计算机还需进行数字滤波处理 数字滤 波的作用 是对一阶模拟滤波器引起的频率特性变化进行校正 使得模拟滤波 和数字滤波混合处理后 在设计的通带范围内 空间域幅值特性不受列车运行 速度的影响 曲率测量的信号流程如图 3 5 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 用安装于一位转向架构架与车x c 体间的位移计 DT1测量一位转向架构架与车体间的位移 用安装于二位转向 1 d 架构架和车体间的位移计 DT2和 DT3 测量二位转向架构架与车体间的位移 2 d 由和计算出单位采样距离相应的车体与两转向架中心连线间相对夹角 1 d 2 d 通过和的结合计算出两转向架中心连线对应于单位x t c x c x t c 采样距离的方向角 对信号进行低通滤波 滤除不必要的波长x t x t 成分 最终获得轨道曲率 图 3 5 曲率测量的信号流程 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 平的传感器分布如图 3 6 图中倾角计 INCL 和滚动陀螺 ROLL 用于测量车体的 滚动角 ROLL 测量中的高频成分 INCL 测量中的低频成分 包括车 c c Hc c 体静止时的倾角 与之和为 由于车体摇头会对 INCL 输出产生 l c Hc l c c 附加影响 YAW 为 INCL 提供补偿信号 图 3 6 测量水平的传感器分布 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 tc 和车体与轮轴夹角相结合 计算出轨道倾角 由和两轨中心线间距 c tc t t 离 1500mm 计算出水平值 首先 INCL 输出的电压信号经过频率响应为 F s 的二阶模拟抗混迭滤波 器处理 然后采样进入计算机进行数字滤波处理 由于二阶模拟滤波器处理模 拟时间域信号时 其频率特性固定不变 但在处理 INCL 所表示的空间域频率信 号时 其频率特性有变化 因此二阶数字滤波器的作用在于校正模拟滤波器引 起的空间域特性变化 从而使信号在设计的通带内具有不变的空间域幅值特性 水平测量信号流程如图 3 7 图 3 7 轨道水平测量信号流程 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 测量高低用的传感器分布如图 2 7 除 了曲率和水平测量用到的传感器外 又增加了两个安装于车体底板上的垂直伺 服加速度计 LACC 和 RACC LACC 和 RACC 分别安装于位移计 LPDT 和 RPDT 顶部的 车体底板上 LACC 和 RACC 用于测量安装位的车体惯性位移 LPDT 和 RPDT 分别 检测 LACC 和 RACC 安装位车体与左右轴箱的相对位移 根据它们的测值进行必 要处理 得到高低值 惯性基准原理如图 3 9 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 RWZY 因轮子半径 R 为常量 上式为 WadtdtWZY 图 3 8 测量高低所用的传感器分布 图 3 9 惯性基准原理 高低的测量结果输出为空间曲线 由空间曲线向 20m 弦测值的变换 是通 过两个低通滤波器 U z 与 V z 相减来实现的 等价于一个合成滤波器的处理 合成滤波器 W z 的系统函数为 zVzUzW 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 方向测量包括两个部分 一部分是安装于轨距测量梁中央位置的伺服 加速度计 ALGN 用于测量轨距测量梁中央位置的横向惯性位移 另一部分是 左右轨距测量装置所测得的左右轨距分量 SL和 SR 由惯性位移和左右轨距分量 计算得到左右轨的轨向 方向测量传感器安装与原理如图 3 3 和图 3 10 方向 测量的算式如下 左方向 LLX S D xYY 2 右方向 RRX S D xYY 2 图 3 10 方向的测量原理 伺服加速度计输出信号先经过频率响应为 F s 二阶模拟滤波器进行预处理 处理后的信号被采样进入计算机解偏后 再由与水平测量子系统中相类同的数 字滤波器 G z 来处理 得到加速度信号的短弦中支距 SMCO 由于加速度输出 信号 包含着重力加速度 离心加速度以及振动等影响 因此还必须对其进行 补偿或滤除 方向测量信号流程如图 3 11 图 3 11 方向测量信号流程 6 扭曲 三角坑 扭曲反映了轨顶的平面性 如图 3 12 若轨顶 abcd 4 点不在一个平面上 c 点到 abd 3 点组成平面的垂直距离 h 为扭曲 扭曲会使车辆产生 3 点支持 1 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 h 计算公式为 21 hhdcbah 为轨道断面 I I 的水平值 为轨道断面 II II 的水平值 h 即为基 1 hA 2 hA 长 L 断面 I I 与断面 II II 之间距 时两轨道断面的水平差 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 图 3 12 扭曲的测量原理 7 车体振动加速度和轴箱振动加速度 车体垂直和水平振动加速度及轴箱振动加速度测量是发现轨道病害 评价 轨道平顺性 监测轮轨作用的重要手段 对 200km h 线路而言 车体垂直及水 平振动加速度是评价长波长轨道不平顺和旅客舒适度的重要指标轴箱振动加速 度是评价轮轨作用和噪声的重要指标 通过振动测量 改进轨道不平顺管理 提高乘车舒适性 减轻轮轨作用力 增大了列车运行安全性 车体振动加速度 测量用石英挠性伺服加速度计 而轴箱振动加速度测量采用变电容式加速度计 8 地面标志自动测量 ALD 轨道上的道口 道岔 桥梁 轨距拉杆等通常含有金属部件 所以可用安 装于轨距吊梁中部的电涡流传感器来检测 把它标志在自动里程图上 这样可 以方便准确地找出病害的位置 9 速度及里程 轨检车轮对的转动驱动光电编码器同步转动 光电编码器每转一周 A 相及 B 相分别输出 1000 个脉冲 A 相输出与 B 相输出相位差 根据轮周和每周 90 1000 个脉冲可计算出脉冲间距 通过计算机计算可得距离 而通过 lD n l 和时基计算可得到速度 l 3 2 13 2 1 GJ 5GJ 5 的原理及应用的原理及应用 为克服 GJ 4 型轨检车轨距吊梁存在的上述问题 本世纪初我国铁路从美 国 ImageMap 公司引进了装备 Laserail 轨道测量系统的 GJ 5 型轨检车 GJ 5 型轨检车采用惯性基准法 非接触式测量方式 由基于摄像原理的轨距 轨向测量系统取代光电伺服机构 所有传感器均安装在悬挂于转向架构架上的 检测梁内 取消了轨距吊梁 由于经过一系列减震 检测梁工作时所受的振动 和冲击大大降低 安全性显著提高 同时也消除了检测设备在特定检测速度下 产生共振的可能性 由于不存在伺服机构的往复运动 检测设备的故障率也大 大降低 其基本检测原理是 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 型轨检车的检测项目更加齐全 图 3 13 GJ 5 型轨检车 GJ 5 新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 其计算机系统由一台 VME 计算机和数台 Windows 平台计算机组成 采用 TCP IP 协议组成车上局域网 VME 计算机负责数据采集和轨道几何数据的合成 由一台运行 Windows2000 系 统的计算机作为服务器 负责与 VME 计算机的通讯 获取检测数据 同时进行 数据存储以及超限判别等工作 其余 Windows 平台计算机可以运行相应的软件 通过网络与服务器通讯 完成几何数据显示 超限编辑 报表打印和里程校核 等任务 ImageMap 公司提供了 WinDBC DefectEditor DefectMonitor OnDemandReport 和 TermiFlex 软件 实现相应的操作 3 2 23 2 2 GJ 5GJ 5 型软件的自主研发型软件的自主研发 2004 年 铁道部已经引进了 5 辆 GJ 5 型轨检车 分别配属给铁道部基础 设施检测中心 兰州铁路局和乌鲁木齐铁路局使用 在应用 GJ 5 型轨检车进行 轨道检测工作的过程中发现外方提供的部分软件不能满足实际工作需求 存在 超限编辑软件功能单一 报表生成软件效率低等问题 严重影响了正常检测工 作 针对这些问题研发了超限编辑器 报表生成 超限数据分发和几何波形数 据分发等车上数据处理软件 1 超限编辑器 GJ 5 型轨检车超限数据存储在服务器计算机的 Access 数据库中 超限编 辑器采用 ADO 数据访问引擎 通过网络访问数据库 目前可以完成超限数据的 检索 过滤 删除和恢复 公里超限扣分的计算 超限数据的导出和打印功能 配合车载 GSM 短信模块还可以实现严重超限信息的即时发送 见图 3 14 图 3 14 超限编辑器 软件的使用界面充分考虑了轨检工作的实际需求 各项主要操作采用按钮 与快捷键结合的方式 显示的颜色和字体都可以方便定制 以便满足不同操作 人员的需要 通过定制可以使得各级超限以不同的颜色和字体显示 不仅可以 使严重超限更加醒目而且可以缓解视觉疲劳 软件可以对特定的超限类型 超 限等级和里程范围等进行组合条件的过滤 数据表格中的超限数据不仅能够单 选 而且支持 Windows 风格的多选 shift 或 Ctrl 这样在超限的确认和删除 操作上给与操作人员最大的方便 公里输入框可以迅速定位到需要的公里处 并计算该公里扣分 也可以通 过双击表格内的超限来计算当前公里的扣分 自动刷新功能可以按照设定的时 间间隔自动从服务器端获取最新的超限数据 减少了操作人员的操作 在确认线路中的严重超限后 可以通过车载 GSM 设备即时将超限信息以短 信的形式发送到预设的路局工务维修管理人员的手机上 以便维修部门迅速进 行处理 对于保障安全运营具有非常重要的作用 软件还具有数据导出功能 可以将表格内显示的超限数据以 Excel 的格式 导出 便于其他应用 过滤显示后的数据也可以通过打印功能以所见即所得的 方式打印出来 本软件还可以多实例运行 即同时运行多个超限编辑器 分别 打开不同的检测数据 这样可以在检测过程中查看历史数据 以便更好地进行 超限的确认工作 2 报表生成软件 报表生成软件可以完成报表的生成 预览 打印 区段数据的导出等功能 见图 2 14 可以对于数据库中任何的历史数据进行汇总 生成相应的严重超限 报表 曲线数据报表 超限公里小结报表 轨道质量指数报表 波浪磨耗报表 和区段汇总报表 图 3 15 报表生成软件 为了给工务维修部门提供更加详实的检测资料 报表生成软件可以将数据 库内的特定区段的检测数据导出 结合超限数据查看软件 工务维修部门就能 够获得更加完整的轨检车检测数据 在目前点对点检测的工作中 这样的功能 保证了工务段可以更加有效快捷地得到管内的检测数据 与外方提供的报表软件相比 新的报表生成软件不仅运行速度快 而且功 能更加丰富 使用更加灵活 3 轨道几何波形查看软件 ImageMap 公司提供给轨检车上使用的 WinDBC 软 可以在计算机屏幕上显 示波形数据 并提供数据测量 打印输出等功能 而且可以进行历史数据的比 较 功能十分强大 但是 由于我们不具有相应的知识产权 不能够将该软件 分发给工务段等部门使用 而且 ImageMap 公司特有的 GEO 文件形式比较复杂 不仅包括波形数据还包括其他的一些数据 导致文件较大 平均检测 100km 对 应 60MB 的波形数据 不利于数据的分发 自主开发的 GJ 5 轨检车波形查看软件 不仅实现了 WinDBC 的主要功能 而且经过数据转换 压缩了文件 平均 100km 数据仅要 10MB 左右的空间 更方 便波形数据的分发和存储 见图 3 16 图 3 16 轨道几何波形数据查看软件 软件能够实现波形随意缩放显示 而且可以进行超限幅值的测量 并进行 历史数据对比 可以将需要作业的地段打印出来 分发给作业单位 符合现场 的应用习惯 方便了工务段维修作业管理 目前 自主开发的软件都已投入实际应用 运行稳定可靠 不仅保证了检 测任务的执行 而且为现场工务维修部门提供了更加丰富翔实的资料 GJ 5 新 型轨检车应用的自主开发软件的完成 为研发基础设施动态检测数据网络化应 用 建立网络化的动态检测数据中心奠定了基础 3 33 3 轨检车的应用情况及优缺点轨检车的应用情况及优缺点 3 3 13 3 1 上海局的管理上海局的管理 上海局是我国采用 TQI 指导维修较早的铁路局 几年前 借上海局工务一 体化改革之机 上海局在沪宁线各工务段先后安装了 TQI 管理系统软件 并在 沪宁线进行了 TQI 数据采集 利用 TQI 图表指导养护的系列试验 在试验的过 程中 他们应用每月两次检查所得的 TQI 数据 与现场静态检查结果进行对照 试验 对 TQI 指导线路养护维修的应用技术进行摸索 使 TQI 数据和图表在计 划编制 作业指导及轨道状态管理方面发挥了更大作用 1 在 TQI 的应用 要求在分析动态波形图的同时 结合单元轨道区段的 TQI 值 根据 TQI 值的不同来编制轨道养护维修计划 指导养护维修作业 逐 步从经验性的维修制式真正过渡到针对轨道实际状态以数据为依据的科学维修 制式 在应用 TQI 来指导养护维修之前 首先要有一个科学的 TQI 管理限界值 超过 TQI 限界值的轨道区段应编入养护维修计划 我国目前全路统一的 15 管理 值 是在统计了全路 13000 多公里的基础上制定的 因此 上海局根据自身情 况 制定了自己的 TQI 管理值 2 注重动静结合 以动为主 每次检查后 由计算机打印出各工区的 TQI 直方图 结合 TQI 管理限界值 从图表中可以一目了然地发现 TQI 为 15 的 区段及较差线路的 TQI 情况 各工务段在了解图表情况后 参照轨检车波形图 对 TQI 较大的区段进行静态核查和记录 对线路变化情况进行原因分析 对多 次的核查进行总结 然后有针对性地安排养护计划 必要时还可进行养护作业 重心的调整 以强化薄弱环节和和轨道结构为重点 加强轨距 轨向和水平项 目的养护 对检查 计划 作业 验收进行全过程的质量控制 以保证线路质 量的稳步均衡提高 3 通过对 TQI 技术的试验与应用 上海局正逐步形成一套行之有效的 TQI 管理体系 使 TQI 技术在养护维修工作中发挥更大作用 多年以来 TQI 技 术在全局的应用得到不断推广 应用的效果也很明显 引用当年试验时的数据 97年 98 年相比 TQI 的平均值由 97 年 4 月的 12 77 下降到 98 年 6 月的 11 59 TQI 大于 15 的单元区段数量由 97 年 4 月的 143 处下降到 98 年 6 月的 94 处 数据表明上海局线路在应用 TQI 技术后 轨道质量得到大幅提高 3 3 23 3 2 济南局的管理济南局的管理 济南局也是我国探索 TQI 较早 应用较好的一个单位 1991 年开始 济南 局就与铁科院合作 开展了采用 TQI 指导线路维修的探索性实验 多年来 济 南局已在全局推广 初步探索了一些规律和实施方法 1 首先 根据自身特点 确定 TQI 管理值 TQI 管理值 就是把不同轨道结构类型 运量 速度的线路分为不同的 管理等级 与这些不同管理等级相适应的轨道质量指数的管理限界 上限 值称 之为 TQI 管理值 在确定 TQI 管理值 时 首先根据轨道结构类型 年通过总重 允许速 度等条件 把线路划分为若干个区段 然后进行轨道实际质量状态的全面调查 人工 和轨检车的 TQI 检测 把人工调查确定的必须维修的区段列出 并查出 其相应的 TQI 值 通过统计分析 求出各区段线路应修的管理值 用 TQI 表示 需要说明一点 济南局在制定 TQI 管理值时 并没有完全按照以上方法进 行 由于受投资 施工能力 管理体制等条件限制 目前尚无法做到该修的就 有钱修 就有能力修 因此管理值定的太小 标准太高 应修的数量就会过大 超 过投资能力和施工能力等 则无法完成 所以 在当前投资 能力 体制等条件 还不能完全满足线路应修的数量时 根据济南局实际情况 济南局制定了自己 的 TQI 管理值 见表 3 1 表3 1 济南局TQI管理值 序号线路类型TQI 管理值备注 1 无缝 13 5 2 无缝 14 5 3 普通 14 5 4 普通 15 5 5 普通 16 5再用枕 木枕地段 2 建立 三级管理 体系 实行养修分开 采用轨道质量指数指导维修 必须有一个科学合理的管理方式和体制与之 相适应 通过多年的探索实践 济南局建立了 TQI 三级管理体系 实行了养修 分开 三级管理体系就是 由路局负责掌握轨道质量指数的运用 制定 TQI 管 理值 编制维修计划的原则 并通过 TQI 数据库的应用达到宏观管理 控制质 量的目的 工务段根据路局发布的 TQI 管理值 结合轨道实际状态由技术室 编制年度综合维修计划报局核查 指导工区编制月度保养计划并负责审批 工区根据检测资料及时绘制 线路质量管理控制图 结合现场调查编制月度保 养计划 报段审批后执行 并严格控制轨检车的三级超限 一但发现立即组织 消灭 实行养修分开 1989 年始济南局便开始了养修分开的试点 现已全面推开 大致做法是 以小机群 开窗修 为前提 由工务段成立机械化维修工队 段 线路室根据 TQI 管理值安排全段范围内的年度维修计划 由机工队负责实施全 段的综合维修作业 工区只负责保养和临时补修 3 对 TQI 指导线路维修的认识 用 TQI 指导线路维修 毕竟是个全新事物 在执行中仍有许多问题需要修 正 解决和进一步完善 但它的检测手段先进 管理科学 计划安排重点突出 针对性强 投资效益高 线路质量均衡等优点却表现得十分突出 在探索阶段 济南局曾对 1993 年 9 月和 1993 年 12 月两次部轨检车的检查进行对比 表 2 2 从 TQI 对比看 线路质量有了明显的提高 他们认为 轨道质量指数能够 真实地 准确地反映出轨道不平顺的质量状态 能够为各级工务管理部门对轨 道不平顺状态进行宏观管理和质量控制提供依据 能够用于指导编制维修计划 和指导养护维修作业 采用 TQI 指导维修是工务工作深化改革迈出的重要一步 方向对头 路子正确 是我们应坚定不移走下去的一条路 表3 2 济南局两次部轨检车TQI资料比较 检查日期 检查长度 公里 TQI 平均值 93 年 9 月474 415 93 93 年 12 月460 815 44 3 3 33 3 3 TQITQI 指数的优缺点指数的优缺点 在计算中 它仅考虑了超限峰值的大小和多少 没有反映超限长度的影响 没有反映轨道不平顺变化率和周期性连续不平顺所产生的谐波的影响 不能全 面评价轨道区段的平均质量状态 因此存在明显的缺陷 例如 图 3 17 A B 分别表示同一检测项目两段相同长度的轨道几何状态波形图 如果利用第一 种方法评价轨道质量 因为图 A 有一处三级超限 图 B 无三级超限 故 A 图 的扣分数比 B 图高 表示 A 图的轨道质量比 B 图差 但是从相对零线的离散 性来看 A 图显然比 B 图小 采用第二种方法使所有测点的幅值参与运算 其标准差计算结果是 A 图比 B 图小 说明轨道区段 A 的平均质量状态比 B 区段好 符合轨道的实际情况 由此可见用轨道整体不平顺的方法评价单元轨 道区段的平均质量更加准确 合理 同时 评分法计算方法本身的特点决定了 动态检测的结果不可能具有良好的重复性 不是一个准确的数量指标 数值范 围从零至几千 与轨道状态的对应关系不明确 因此评分法远不及 TQI 具有科 学性 图 A 图 B 图 3 17 评分法比较图 采用 TQI 评价体系 用 TQI 指导线路维修 将较评分法有如下优势 1 检测方法科学 手段先进 利用新型轨检车 七项指标从检测 处理 分析到最终评价轨道不平顺状态 全部数字化 由计算机完成 而且检测是在 动态下进行 与静态检查相比 更符合实际 更能反映列车通过时轨道的实际 状态 因此 TQI 的使用 使我们的轨道管理工作开始由静态为主向动态为主 过渡 由定性管理向定量管理过渡 由经验管理向科学管理过渡 2 能够真实地反映轨道不平顺的实际状态 并且以数值准确地表示轨道区 段的质量好坏和程度 现行的评价线路质量的扣分法是每个一级超限扣一分 二级超限扣 5 分 三级超限则扣 100 分 这种方式评价线路质量带有惩罚性 特别当线路超限情况处在临界点附近时 往往只有一毫米或更小些的差别 质 量评定可相差达 20 倍 而实际上的质量差异却是很小的 而且扣分法仅对超限 峰值进行加权计算 而不是所有轨道测点的采样值都参与运算 同一级扣分中 只统计超限个数不考虑病害幅值的大小及波长等等 这都会导致对某些轨道区 段评价的失真 而采用轨道质量指数评价线路 每 200m 取 800 个测点 测七项 指标 共 5600 个点全部参与运算 用七个单项参数的标准差之和作为 TQI 指数 没有人为的奖惩思想干预 能够反映线路的真实质量 3 采用 TQI 指导编制维修计划 突破了传统的周期性维修的框框 过去由 工区编制计划 不管状态如何 根据每公里平均单价计算维修费用 按周期两 年或三年维修一遍 工区 各自为政 只在各自管辖内的小范围里确定该修或 不该修 往往造成真正状态不好的由于投资或能力不足却无法修 而在轨道状 态普遍较好的工区 由于有投资 有能力 不急需修的也安排了维修 现在计 划编制由段技术室负责 把 TQI 值作为安排计划的依据 不考虑周期 当然 TQI 指数是受累计通过总重影响的 投资不吃 大锅饭 根据 TQI 值情况 打破工区界限 哪里状态不好就修哪里 不怕工区能力不足 施工作业统一由 段机工队负责 这样就把有限的投资真正用在最需要的地方 既有利于设备质 量改善又节约了投资 4 采用 TQI 指导维修 可以使线路在全长范围内保持质量均衡 简单地说 线路质量状态不宜要求过高 过高则不经济 也无必要 更何况投资有限 一 个地方投资大质量过高 就有可能导致其他地方由于投资不足而失修 线路质 量也不能要求太低 太低就会加速病害的发展甚至严重者会危及行车安全 采 用 TQI 指导编制维修计划 由于重点突出 针对性强 计划由段统筹安排 施 工由机工队负责完成 该修的不会漏掉 不该修的也不会盲目安排 因此能够 保证整个线路质量均衡 GJ 4 GJ 5 型轨检车采用模拟 数字混合处理技术 为一个捷联式系统 系统检测不受列车运行速度和方向的影响 精度高 由于采用数字滤波 计算 机运算合成方式来得到轨道不平顺数据 从而仅仅通过修改计算机软件就可以 很容易地改变系统可测波长等检测参数 系统有较大的灵活性 而且该系统以 数字信号处理为基本处理方式 可靠性高 与以模拟处理方式为主的轨检系统 相比维修量少 目前 为确保提速列车的安全 平稳运行 对轨检车的检测精 度提出了更高的要求 检测的周期缩短 因而利用先进轨检车将会更加有效地 科学地指导线路的养护维修 3 43 4 我国轨检车技术发展方向我国轨检车技术发展方向 随着 中长期铁路网规划 的实施和铁路跨越式发展战略的推进 为适应 铁路提速的形势要求 解决 GJ 4 型轨检车轨距吊梁存在的种种问题 进一步 提高检测系统的检测速度和工作的可靠性 进一步丰富检测功能 采用更为先 进的检测技术 正是我国轨检车的技术发展方向 对 GJ 4 型轨检车进行改造 用激光摄像式检测梁取代光电伺服式轨距吊 梁 GJ 4 型轨检车的轨距吊梁在安全性 检测速度 测量精度等方面难以满 足提速的要求 因此取消轨距吊梁的改造工作迫在眉睫 2003 年铁道部基础设 施检测中心对郑州铁路局 DJ 号 GJ 4 型轨检车进行了改造 采用基于激光摄像 技术的轨距轨向测量系统取代了光电伺服机构 所有传感器均安装在悬挂于转 向架构架上的检测梁内 在 35000km 运用考核的基础上 该改造方案于 2004 年 9 月通过了铁道部运输局组织的技术审查 现在部分 GJ 5 型轨检车已投入 使用 分别配属给铁道部基础设施检测中心 兰州铁路局和乌鲁木齐铁路局使 用 表现出良好的检测性能 轨检车是线路动态质量检查的主要手段 也是评定线路线路维修质量的重 要依据 段要求轨检车评分合格率达到 100 消灭失格公里 减少三级病害 控制二级病害 1 段调度或线路科维修主管必须按路局电报的通知 及时将轨检车检查线 别 检查时间 检查车次通知相关车间 2 在轨检车通过时 线路科维修主管要随车检查 必要时主管副段长也要 随车检查 对检查出现的三级病害地点及时通知相关车间 3 车间在接到轨检车检查通知后应积极部署工区做好线路补修 保养工作 在接到轨检车三级超限病害的通知后 车间要第一时间通知所在工区 并组织 所在工区在 24 小时内整修消除 车间主任或副主任要亲自在现场盯控 组织整 修 并及时填写 线路动态监测 级偏差登记本 并于 2 日内通过段局域网将 反馈情况上报线路科 4 工区在接到轨检车三级超限地点的通知后 必须做到 24 小时内整修消 除 及时将现场情况及整修情况反馈车间并填写 线路动态监测 级偏差登记 本 同时要求在整修当日的日计划或班组日记中体现消除 在设备检查记录本 对应位置标注病害并消除 3 53 5 轨检车发展趋势轨检车发展趋势 1 为了检查列车作用下的轨道真实状态 轨检车的检测速度 轴重 车辆 走行部结构都应与列车相接近或一致 如 日本东