轨检车检测技术及其应用

现代轨道检测技术及其应用 局轨道检查车 局工务检测所 轨道检查车 联系电话 061 33975 3 主要内容 一 国内轨道检测技术二 国内轨检车技术应用三 严重威胁行车安全的轨道检测数据四 在判读超限表中遇到的几个问题五 轨道几何尺寸超限与病害对应关系六 怎样判读轨检图纸 几种典型的轨道检测图纸 一 我国轨道检查车发展 第一代轨检车1953年 铁科院研制开发的机械式轨检车第二代轨检车1962年 简易电气式轨检车第三代轨检车1986年 铁科院铁建所研制开发的GJ 3型轨检车第四代轨检车1987 1995年 通过引进美国ENSCO公司研制开发的XGJ 型轨检车 铁科院铁建所研制开发出了GJ 4型轨检车 5 我国轨道检查车发展 第五代轨检车1999年 通过引进美国ImageMap公司研制开发的激光摄像技术轨检车20世纪50年代末期 铁科院技术人员采用弦测法原理 通过机械传动方式检测轨道几何尺寸 将轨距 水平 三角坑 摇晃 用单摆测量 项目的幅值绘制在图纸上 经过人工判读超限大小 计算每公里扣分 评价轨道质量 在保留1型车测量方法 弦测法 的前提下 60年代后期研制出2型轨检车 将机械传动改为电传动方式 检测项目较1型车增加了高低不平顺检测 超限判读和扣分计算方式与1型车相同 6 我国轨道检查车发展 80年代初期自主研制成功了GJ 3型轨检车 采用惯性基准检测原理 使用先进的电传感器 计算机技术 完成高低 水平 三角坑 车体垂直和水平振动加速度的检测 传感器信号经过相关处理 直接以电压大小作为不平顺超限判据 计算机采集后 计算超限等级和数量 并计算扣分 以扣分的多少来衡量线路质量的优劣 通过笔式绘图仪记录并显示轨道不平顺检测波形 7 我国轨道检查车发展 GJ 3型轨检车检测设备大多是采用70年代末80年代初的分离元件 稳定性差 由于安装时间跨度大 同一种仪器使用的元器件也不尽相同 接口不一致 造成了备件选择和维修上极大的困难 近年来该车型正逐步被新型检测设备所取代 1985年我国成功引进美国ENSC0公司T 10轨检车技术 研制成功XGJ 1型新型轨检车 该车采用惯性基准检测原理 使用陀螺 光电 伺服马达传感器 采用信号模拟处理和数字滤波混合技术 经过计算机采集和信号合成处理 以报告和波形方式输出轨道几何不平顺超限结果 经过轨道不平顺管理标准的评判 得出轨道质量评价报告 指导现场掩护维修 8 我国轨道检查车发展 XGJ 1型轨检车采用 捷联式 系统结构 对各种误差信号进行补偿修正 并使用小型计算机集中处理全部检测项目数据 检测信号利用率高 传感器安装方便 对车辆无特殊要求 检测项目包括轨距 轨向 高低 水平 曲率 三角坑等轨道几何不平顺 同时 增加了车体 水平和垂直 轴箱振动加速度 道岔 道口及桥梁等地面具有显著特征的标志物检测设备 用来综合评价线路质量和旅客乘坐舒适性 指导维修 方便工务人员查找病害 9 我国轨道检查车发展 1995年以XGJ 1型新型轨检车为基础 铁科院经过技术引进和消化吸收 成功研制出4型车 该车设备国产化程度达到95 以上 目前已在全国铁路和地铁系统广泛推广应用 这标志着我国轨检技术和轨检车实现了质的飞跃 20世纪末期 国外轨检车技术已向着无移动部件 检测项目齐全 故障判断高智能化 检测系统网络化 检测数据处理科学化的方向发展 1999年通过国际招投标方式 积极引进国际先进轨检车检测技术设备 于2003年完成5型轨检车的验收 已投入到我国既有干线检测生产和科研试验过程中 该检测设备已达到世界同类检测水平 二 我国轨检车检测技术 2 1检测项目和意义2 2检测原理 略 2 3轨检车技术应用 2 1检测项目和意义 主要包括 轨道几何参数 车体加速度参数 钢轨断面参数等 12 轨道几何参数 轨距偏差 在轨道同一横截面 钢轨顶面以下16mm处 左右两根钢轨之间的最小内侧距离相对于标准轨距值1435mm的偏差 高低 指轨道沿钢轨长度方向 在垂向上的凸凹不平顺 轨向 指轨顶内侧面沿长度方向的横向凸凹不平顺 水平 即轨道同一横截面上左右两轨顶面的相对高差 曲线上是指扣除正常超高值的偏差部分 直线上是指扣除一侧钢轨均匀抬高值后的偏差值 三角坑 左右两轨顶面相对于轨道平面的扭曲 用相隔一定距离的两个横截面水平幅值的代数差度量 一定距离 指 车辆的轴距或心盘距 13 水平 超高 测量示意图 14 水平 GJ 5 15 轨距 高低 方向示意图 16 超高示意图 17 曲率示意图 18 曲率 曲率测量定义为一定弦长的曲线轨道 如30M 对应之园心角 度 30米 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30米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30米曲线后的相应圆心角 变化值 19 三角坑 左右两轨顶面相对于轨道平面的扭曲 用相隔一定距离的两个横截面水平幅值的代数差度量 三角坑反映了轨顶的平面性 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 三角坑使车辆产生三点支撑一点悬空 特别是当列车从圆曲线向缓和曲线运行时 由于超高顺坡不良引起的三角坑 易造成轮重减载 发生脱轨掉道事故 应引起高度重视和重点监控 三角坑计算公式为 h a b c d h1 h2其中 h1为轨道断面 的水平值 h2为轨道断面 的水平值 h即为基长L 断面 与断面 之间距 时两轨道断面的水平差 三角坑 20 三角坑示意图 21 车体加速度 车体加速度检测的重要性 众所周知 轨道不平顺引起车辆振动 车辆振动又与轨道不平顺的幅值 波长 不平顺种类 不平顺的分布有关 因而车辆振动是对轨道综合质量状态的反映 车辆振动对行车安全具有直接影响 车体垂直振动所产生的附加力时上时下 附加力向下加重轨道负荷 易加剧轨道状态恶化和部件损坏 附加力向上引起车轮减载 易产生脱轨事故 车辆振动对旅客乘座舒适也具有较大影响 车体横向振动会加剧轮轨横向作用力 同时会造成车体蛇行运动 易造成旅客乘车疲劳 眩晕等生理不适症状 22 车体加速度 影响车体加速度测量的因素轨道不平顺引起车体的不良反映 滚动 摇摆 振动等 车体垂向 横向加速度 是对高低 水平 轨向 三角坑等不平顺项目的综合反映轴箱加速度 是对轨道短波 波磨 表面擦伤 接头 钢轨剥离等 不平顺项目的综合反映车体加速度传感器的安装位置 决定了其测量原理受车辆本身特性的影响车体加速度测量还与列车运行速度有着必然的联系 23 车体加速度与轨向不平顺关系 24 车体加速度与轨向不平顺关系 25 不平顺与加速度 速度的关系 26 三个新增检测项目 三率 曲率变化率 是以18米曲率测量值的差值与基长的比值 轨距变化率 是以2 5米基长轨距测量值的差值与基长的比值 也就是说 我们应特别注意2 5米以内的轨距变化率 横加变化率 是以18米基长车体横向加速度测量值的差值与车体通过基长所用时间的比值 三个新增检测项目评价的实际几何不平顺都是轨向 只是其中关注的波长和侧重点不同 27 三个新增检测项目 三率 轨距变化率重点评价较短范围内的轨向不平顺 其影响轮对的滚动半径差和轮轨力 但是对车体的横向振动影响较弱 横加变化率所关注的轨向属于中波范围内 横加变化率引入了车速变量 因此受车速影响较大 而且计算量有车体横加参与 各车的运行速度和振动特性的差异也使其重复性较差 曲率变化率可以捕获较长波长范围内的轨向不平顺 其与长波长轨向对应较吻合 28 2 2检测原理 略 原理 略 29 2 3轨检车技术应用 1轨道不平顺状态监控方面轨道的平顺性控制是轨道管理的核心问题和技术关键问题 也是铁路快捷 高速 安全 平稳 舒适的基础问题 国内外大量铁路建设和工程管理方面的经验和教训 究其原因很多是因为对高平顺性要求的认识不够 对平顺度的控制不严 采取措施不当造成的 因此 应丛设计 施工 维修管理的源头抓起 严格控制和规范轨道平顺性状态的管理 30 2轨道初始不平顺状态监控 轨道初始不平顺是运营后各种不平顺发生 发展 平顺性恶化的根源 如不严格控制 必将造成运营过程中难以处置的后患 初始不平顺好的轨道 维修周期长 养护维修工作量小 能长期保持良好的平顺状态 初始不平顺差的轨道 不仅维修周期缩短 既使增加维修作业次数也难以改变轨道初期 先天 不良水平 31 初始不平顺对维修的影响 32 3轨道质量评价方面 评价方法 局部状态 幅值超限扣分 连续单元区段状态 均值 连续区段功率谱密度 幅值和波长 瞬时加速度评价局部不平顺和持续加速度评价连续轨道不平顺 响应 33 轨道不平顺管理示意图 34 4轨道质量评价方面 轨道质量评价方面评价标准 内容 幅值 区段 加速度 评价标准 静态 动态 验收 日常保养 综合维修 临时补修 限速 安全 35 人体等感觉舒适曲线 左右方向频率 0 5 2Hz 上下方向频率 4 8Hz 36 5促进运营成产 指导养护维修轨道状态改善维修手段改善 37 状态改善 历年轨道状态监测数据分析 38 维修质量 维修前后质量对比 39 维修作业前后的状态比较 40 维修作业前后质量改进比较 41 谐振波长与机车车辆自振频率 速度的关系 42 不平顺对垂向加速度和减载率的影响 43 2 4轨检车检测项目波形定义 轨检车正向 检测梁位于轨检车二位端 定义二位端至一位端方向为轨检车正向 轨检车行使方向与轨检车正向一致时为正向检测 反之为反向检测 轨距 偏差 正负 实际轨距大于标准轨距时轨距偏差为正 反之为负 高低正负 高低向上为正 向下为负 轨向正负 顺轨检车正向 轨向向左为正 向右为负 44 轨检车检测项目波形定义 水平正负 顺轨检车正向 左轨高为正 反之为负 曲率正负 顺轨检车正向 右拐曲线曲率为正 左拐曲线曲率为负 车体水平加速度 平行车体地板 垂直于轨道方向 顺轨检车正向 向左为正 车体垂向加速度 垂直于车体地板 向上为正 三角坑正负 第一点的水平减第二点水平 所得差值的符号 即为三角坑的符号 45 三 严重威胁行车安全的轨道检测数据 1 运用轨检车资料对轨道不平顺进行判断并及时处理 周期性连续三波及多波的轨道不平顺中 幅值为10mm的轨向不平顺 12mm的水平不平顺 14mm的高低不平顺 50米范围内有3处大于以下幅值的轨道不平顺 12mm的轨向不平顺 12mm的水平不平顺 16mm的高低不平顺 轨向 水平逆向复合不平顺 46 1 运用轨检车资料对轨道不平顺进行判断并及时处理 以上三类轨道不平顺的共同特点是 从幅值来看均未达到III级超限 似无行车安全之虑 但从不平顺的连续性来看均具有潜在的危机 连续性的多波不平顺容易引发激振 有导致脱轨系数增大 行车严重不稳甚至脱线的危险 周期性的连续不平顺引发的共振的危险更大 轨向 水平逆向复合不平顺 有反超高的特征 这类不平顺可能是脱轨事故的主要诱因 47 2 主要轨道不平顺对行车安全的影响 严重的高低不平顺将引起车辆剧烈地点头和沉浮振动 会使车轮大幅度减载 甚至悬浮 在曲线上或方向不良区段运行时 高低不平顺引起的车轮悬浮可能导致脱轨 如果严重减载的车轮 同时又有很大的侧向力作用 也很可能脱轨 此外 高低不平顺的幅值过大 约超过25mm时 会使道床阻力显著降低 轮载引起的钢轨垂向负挠度亦将增大 造成更多的轨枕悬空 高低不平顺引起的振动又使道床阻力进一步减小 因此易引起无缝线路发生动态胀轨跑道 48 主要轨道不平顺对行车安全的影响 方向不平顺会引起车辆的侧摆 摇头振动 连续的方向不平顺将引起车辆蛇行或滚摆 严重的方向不平顺将引起很大的侧向力 可能使轨枕 扣件不良地段的钢轨倾翻或轨排横移 造成列车脱轨倾覆 过大的侧向力也往往使脱轨系数增大 引起车轮爬轨掉道 幅值很大 波长较短的方向不平顺 本身就会使无缝线路稳定性降低 加上这种方向不平顺还必然引起轮轨间产生很大的侧向力 往往导致动态胀轨跑道的重大事故 49 主要轨道不平顺对行车安全的影响 水平不平顺将使车辆产生侧滚振动 导致一侧车轮增载 一侧减载 曲线上严重的水平不平顺往往是引起货车脱轨的重要原因 若方向 水平两种不平顺同时存在且逆向复合时 引起脱轨的危险性更大 扭曲不平顺将使转向架出现支承轮减载甚至悬浮的情况 欧洲和我国刚度较大的货车在曲线圆缓点区域的脱轨事故大多与轨道的扭曲不平顺有关 50 主要轨道不平顺对行车安全的影响 轨距偏差过大会导致车轮掉道或卡轨 我国和其它部分国家的传统观念认为 即使轨距尚未扩大到会使车轮掉道的程度 如果车轮锥形踏面的大坡度段 1 10 已进入轨顶内侧圆弧以内 仍应避免 这是因为斜度较大的车轮踏面将使钢轨遭受额外增加的水平推力 短距离内轨距变化剧烈 表明存在严重的方向不平顺 当然也会影响列车安全 51 主要轨道不平顺对行车安全的影响 曲线头尾的几何偏差往往是列车曲线脱轨的重要原因 这种几何偏差实质上是一种轨道超高和曲率不匹配的严重复合不平顺 将使车辆产生剧烈摇晃 脱轨系数和减载率侧向力均显著增加 52 3 轨道不平顺波形特征对行车安全的影响 实验证明 轨道不平顺的幅值 波长 波数 周期性等波性特征对轮轨相互作用力 机车车辆振动和列车脱轨安全性均有重要影响 当行车速度 不平顺波长一定时 不平顺的幅值越大其影响越大 53 四 在判读超限表中遇到的几个问题 1超限位置及其峰值 长度的识读 超限位置栏目中公里和米 这一点我想不用解释 需要特别指出的是 轨检车对病害的采集方式为 当轨检车采集到的轨道病害超过I级限界以后 到又回到I级限界以内 统计为一次超限 所以这个报告中超限位置所指出的里程实际上是该超限的终点里程 比如一个III级超限的长度 并不是指在这个长度内 超限值都达到III级 而是其最大超限值达到或超过III级 峰值一栏所列为该病害的最大超限数值 54 1超限位置及其峰值 长度的识读 长度一栏所列为该病害的延长里程 即为该病害超过I级限界以后 到又回到I级限界以内所经过的线路长度 病害峰值点的具体位置则需根据波形图和超限位置 长度等数据相结合来确定 还应注意轨检车运行方向 55 2报告表中的英文字符的意义 D 这个一般不出现在报表中而是出现在我们工作人员检测过程的电脑屏幕上 意思是该处超限是已经被工作人员删除 道岔区段的有害空间轨距 轨向 其它不正常的出分 56 2报告表中的英文字符的意义 R 出现在水平超限项目内的原因 有两种情况一是缓和曲线超高顺坡进入直线段 直缓点或缓直点后的直线段内有横向水平偏差 为轨道不良 应予以注意 二是大半径曲线超高被检测系统误判为水平 一般是曲线超高小于15mm 这种曲线在我们局好像还没有 57 2报告表中的英文字符的意义 C 出现在水平超限项目内的原因 一是直线地段存在长段水平 其长度超过24米 二是曲线半径太大 误把曲线当直线 当电脑发现后自动将其删除 SC 出现在轨距超限项目 说明此处短时间内轨距传感器不进行轨距检测 因而此处轨距不进行超限判分 58 五 轨道几何尺寸超限与病害对应关系 1高低超限的波长与病害对应关系波长在2米内的高低偏差 幅值小 波长短 线路长度的变化率大 是产生轴箱垂直振动加速度的主要原因 波长在10米左右的高低偏差 主要是使车体产生较大的垂直振动加速度 59 轨道几何尺寸超限与病害对应关系 波长在20米左右的高低偏差 其幅值大 波长长 主要是使车体产生点头振动当车体振幅和高低偏差幅值方向相同时 会使车体产生较大的振动加速度 2轨向方向不良大多数是由于钢轨存在硬弯 碎弯造成的 轨距连续扩大或缩小 顺坡率大于2 接头支嘴等病害都会造成轨向不良 对于小半径曲线及导曲线 由于弯度大 容易出现接头支嘴 也是出现方向不良的一个原因 60 轨道几何尺寸超限与病害对应关系 长期使用简易拨道法 只将正矢误差均开 容易造成曲线半径变化 形成方向不良 要根据列车速度变化 及时检算曲线超高 超高不合适不仅会造成晃车