高速铁路轨道维修理论.ppt

1、a,1,高速铁路轨道维修理论,主讲人：王 平教授,a,2,高速铁路运营条件的变化需要新的维修理论作指导：,高速铁路轨道动力学维修理论：轨道不平顺维修理论、轮轨关系维修理论、轨道刚度维修理论、无缝线路维修理论、轨道减振降噪维护等 高速铁路轨道安全管理理论：高速脱轨理论、系统安全工程、安全评价理论、事故分析与再现理论、安全风险管理理论等 高速铁路轨道可靠性维修理论：RAMS维修理论（可靠性、可用性、可维修性、安全性统一）、可信性工程、全寿命周期维修理论等 高速铁路轨道现代维修管理理论：高速轨道维修成本与安全控制理论、从故障修、计划修、状态修到可靠修的维修体制及机制等 高速铁路轨道信息化管理理论：数

2、字工务、基于物联网的监控平台等,3,a,一、轨道不平顺控制理论,1、1HZ现象,列车一阶竖向自振频率在1HZ左右 共振频率范围为,对应于350km/h的不平顺共振波长为68.7137.5m 采用70120m弦长 对应于250km/h的不平顺共振波长为49.198.2m 采用5080m弦长 对应于200km/h的不平顺共振波长为39.378.6m 采用4060m弦长 对应于160km/h的不平顺共振波长为31.462.8m 采用3050m弦长 对应于120km/h的不平顺共振波长为23.647.1m 采用2030m弦长 对应于80km/h的不平顺共振波长为15.731.4m 采用1020m弦长,

3、高速铁路首先要控制长波长不平顺！,法国、日本高速铁路经历了近十年的不明原因晃车困扰！,4,a,5,a,一、轨道不平顺控制理论,1、1HZ现象,钢轨为100m定尺 区域沉降或软基沉降 18号道岔69m 连续刚构32+64+32、48+80+48 路桥过渡段60m左右 均是引起高速列车振动的根源！ 160200km/h铁路上32m简支梁也是引起振动的根源！,a,6,某车站6#道岔各项几何尺寸采用常规方法检测均在维修标准内，但是直向过岔时仍有晃车现象，采用轨检小车对道岔前后线路及岔区直股高低和方向结果如下：,高低不平顺,方向不平顺,a,7,不平顺进行检测后发现，该道岔正好位于波长为80米的高低不平顺

4、中，不平顺幅度约为4mm，同时还位于波长为82米的方向不平顺中，不平顺幅度约为5.5mm，这就是引起该道岔晃车的主要原因。,a,8,因此，在高速道岔维护中，首先必须重视长波不平顺的检测。 长波不平顺的检测，需将道岔及其前后各200米以上的区间线路视为一个独立检测单元； 其次，应采用轨检小车、激光测试系统等先进的检测手段，获取长波不平顺的正确量值，有针对性地对道岔几何状态进行养护控制。,a,9,轨道不平顺,弦测法动态测量，波长30m,高速铁路轨道不平顺虚拟弦线法空间曲线检测方法,a,10,惯性基准法动态测量，波长70m,基于CP网静态绝对测量轨道空间线型，速度慢,a,11,部分路局采用的具有静态

5、绝对及相对测量功能的轨检仪，误差较大,激光准直仪，精度低,a,12,双天线GPS定向原理,北,天线1,天线2,方向角,倾斜角,利用GPS载波差分技术精密测量两天线在三维空间中的相对位置，并以此推算出基线的方向角和倾斜角。优点是，角度测量值十分准确，没有漂移。缺点是，噪声误差较大，卫星信号接收易受外界的干扰和遮挡，有效率不能得到保证。,a,13,精密GPS惯导轨道检测小车,双轨测量小车,单轨测量小车,短基线单轨小车,a,14,主要技术指标：最高检测速度20km/h；测量精度0.1mm；波长0.6300m。,a,15,检测原理：动静拟合、动态跟踪实现快速测量；建立基于弦线倾角的曲线递推算法得到轨道

6、空间曲线 分析理论：虚拟弦长得到长波不平顺,评估理论：研究考虑波长影响的轨道质量指数分析法 控制理论：研究长、中、短波不平顺的最佳控制方法 现场试验：优化检测系统并在现场测试验证,a,16,2、短波不平顺控制,高速行车条件下，幅值微小的轨面不平顺也可能引起轮轨强烈的冲击振动，产生很大的轮轨作用力。 以0.1mm低凹焊缝为例： 如160km/h的轮轨作用力约为206kN，则300km/h时的轮轨作用力就已达到了490kN。 由此可见： 列车速度越高，各项动力学指数大致呈单调上升趋势，且增大速度较快。,a,17,轨面短波不平顺不仅会引发强烈的轮轨冲击，还可导致轮重减载率下降、钢轨断裂，乃至恶性脱轨

7、事故，在高速条件下，它还将引起很大的轮轨噪声。同时，波长短于2米的焊缝不平、轨面剥离、擦伤、波形磨耗等各种微小的轨面短波不平顺均是发展形成更大的严重不平顺、恶化轨道几何状态的重要根源。,a,18,当动车组以250km/h的速度直向过岔时： 尖轨跟端焊接不平顺在0.2mm/m范围内，减载率不超过0.3； 尖轨跟端焊接不平顺达到0.7mm/m时，减载率已超过了0.6的安全限度。,焊缝不平顺为0.7mm/m时的减载率,焊缝不平顺为0.2mm/m时的减载率,a,19,3、轨道不平顺评估方法,幅值法 TQI法：需要深化考虑波长 轨道谱法；科学的方法,不平顺幅值、波长的关系 单个、区段、整条线路的关系,京

8、津高铁轨道谱,a,20,a,21,常规方法已很难使TQI值进一步降低,a,22,在轨道不平顺谱估计中应用,1 数据来源 合武线麻城工务段管辖内，里程为712729的动检数据。 合武线，设计时速为250km/h，东起安徽合肥，西至湖北武汉，是我国“四纵四横”快速客运网的重要组成部分。 15.3km的数据，采样间隔为0.25m，总共65300个数据点，每小段取4096，重叠2048，3031次平均 包括左右轨高低、方向、轨距、水平、车体横向加速度、垂向加速度七项,a,23,在轨道不平顺谱估计中应用,合武线轨道谱特性 高低不平顺功率谱,a,24,在轨道不平顺谱估计中应用,方向不平顺功率谱,a,25,

9、在轨道不平顺谱估计中应用,水平、轨距不平顺功率谱,a,26,在轨道不平顺谱估计中应用,加速度功率谱,两个峰值，竖向3.5m、32m；横向2.9m，26m,a,27,波长1-3.5m范围内高低功率谱密度较去年大，说明此波长范围内线路高低有恶化趋势，且高于德国低干扰谱，需加强整治； 波长3.5m以上区段较稳定，且低于德国低干扰谱，说明轨道整体平顺性较好。,合武轨道谱,a,28,波长1-7m范围内功率谱密度较去年小，说明此波长范围内线路轨向得到明显改善，且低于德国低干扰谱； 波长7m以上区段较稳定，且低于德国低干扰谱，说明轨道整体平顺性较好。,合武轨道谱,a,29,波长1-4m范围内高低功率谱密度较

10、去年大，说明此波长范围内线路高低有恶化趋势，且高于德国低干扰谱，需加强整治； 波长4m以上区段较稳定，且低于德国低干扰谱，说明轨道整体平顺性较好。,武广轨道谱,a,30,波长1-2m范围内功率谱密度较去年小，说明此波长范围内线路轨向得到明显改善，且低于德国低干扰谱； 波长2m以上区段较稳定，且低于德国低干扰谱，说明轨道整体平顺性较好。,武广轨道谱,a,31,孟宝线于今年11月对K0K60范围内对钢轨进行打磨，从功率谱密度图上可以看出在波长13m范围内打磨对高低有明显改善效果。,孟宝线打磨前后轨道谱,a,32,动态分析系统,a,33,4、轨道不平顺控制方法,长、短、中波均要控制 我国高速铁路设计

11、规范（试行）中对轨道高低和方向的控制指标有三个：10m弦的正矢差、30m弦5m校核值、300m弦150m校核值。 建议相隔1枕校核值1mm、相隔8枕校核值2mm、相隔240枕校核值10mm。分别用于控制轨道短波、中波、长波不平顺。,图1 人体器官固有频率,a,34,武广线水平调整实例,短波不平顺靠磨，影响行车安全性 中波不平顺靠调，影响乘坐舒适性 长波不平顺靠修，影响行车平稳性,使用调整软件，可同时控制各种波长的不平顺！,a,35,二、轮轨关系控制理论,1、轮轨关系的重要性 影响行车安全性 影响行车平稳性 表现形式 光带不良：轨底坡、踏面轮廓 道岔降低值不良 基本理论： 竖向为赫兹接触 蠕滑理

12、论 曲线通过理论；2000m以下轮缘导向、5000m以下蠕滑导向、5000m以上轮径差导向,a,36,高速铁路工务安全新理论,脱轨理论 古典脱轨理论：NADAL准则，脱轨系数与减载率,适用于低速爬轨情况,a,37,高速脱轨：多为跳轨脱轨,车轮脱轨系数与横向力作用时间t有关 ，当t0.05s时，其限度值为0.8； 当t0.05s时，脱轨系数限界值应满足以下条件 (Q/P)max0.04/t 式中，t为横向力作用时间,维修中应特别注意引起车轮跳动的凸型不平顺，如接头台阶，应严格控制和监测断轨发生。,a,38,2、道岔轮轨关系不良是引起晃车的主要原因,转辙器部分等效锥度分布,尖轨顶宽20mm处轮轨接

13、触,a,39,道岔动力学研究表明：尖轨与基本轨的顶面高差决定着轮载在两钢轨间过渡的范围大小和轮载转换的快慢程度，尖轨顶面纵坡越小，轮载过渡的范围就越长，尖轨完全承受列车荷载的断面就越大，但是因轮载转换的速度较慢，左右侧轮轨间的横向蠕滑力不均作用时间长，列车直向过岔时的平稳性就越低。,a,40,a,41,机理：横向接触点变化引起横向蠕滑力，导致车轮趋向尖轨移动 表现形式：尖轨侧磨、列车横向移动而晃车 规律：横蠕滑力越大，晃车越严重,a,42,转辙器部分竖向不平顺 转辙器部分横向不平顺,a,43,经过上述研究，我国高速道岔采用了特有的缩短轮载过渡范围设计，轮轨过渡范围由过去常规的顶宽2050mm缩

14、短至顶宽1540mm。这种创新设计与德国道岔FAKOP轨距加宽设计具有相同的行车舒适性。 由此，在高速道岔制造、铺设技术条件中对尖轨及心轨顶宽20、35mm等控制断面与基本轨、翼轨的相对高差做了严格规定，其偏差不得超过1mm。,a,44,当尖轨与基本轨顶面高差远低于设计值时，轮载过渡范围为尖轨顶宽4065mm，因此直尖轨侧面有较明显的轮缘贴靠痕迹，说明轮对横移量较大，范围较广，从而导致行车平稳性较差。更换合格的新尖轨后，晃车现象立即消除了。,铁路道岔尖轨顶面超差,京沪线黄渡车站道岔例子,a,45,3、以芜湖东编组场驼峰下6号对称道岔脱轨事故分析为例,a,46,a,47,13号车钩平面变位示意图

15、,不考虑道岔时的列车动力仿真分析,13号车钩立面变位示意图,a,48,第二辆车各轮位受力（kN）,考虑,a,49,考虑道岔轮轨关系，因车轮贴靠尖轨运行，若尖轨顶面与基本轨顶面高差不合适，将形成较大的三角坑，后轮悬浮运行，悬浮量达10mm以上。,a,50,a,51,原因分析： （1）为减缓道岔尖轨侧磨，导曲线外轨设置了6mm超高，从尖轨尖端开始顺坡至跟端结束，顶面高差设计不合理，超成严重三角坑。 （2）线路条件恶劣，空重车编组不合理时，易造成车轮悬浮，重空重、空空重编组时空车所有车轮悬浮，脱轨机率大增。与道岔结构不平顺叠加时，脱轨机率再上升。 （3）缓行器的制动力作用将使悬浮车轮进一步抬升，通过

16、车钩作用使道岔区内的车轮也会抬升，脱轨可能性进一步增加。 （4）道岔采用混凝土岔枕，虽然轨道结构强化了，轨道病害减少了，但轨道的变形量也减小了。轨道框架刚度减小，可减小重车作用下的三角坑幅值，对脱轨是有利的。 （5）脱轨车辆多为栅车、敞车、罐车，车辆框架刚度大，对线路不平顺的适应能力差。 整治方法： （1）优化尖轨顶面纵坡设计，采用木岔枕道岔，脱轨机率大为降低； （2）改善线路平纵断面条件，方可完全避免脱轨事故发生。,a,52,4、轮轨关系控制 一方面可以采取润滑技术减缓轮轨磨耗；另一方面需定期镟轮和打磨钢轨。,车轮修复,钢轨打磨,a,53,成昆线试验表明，采取科学的打磨策略，可以延长钢轨使用

17、寿命及打磨周期1/3以上。,前提：掌握钢轨轮廓状况及磨耗规律,关键：根据运营条件确定科学的打磨方案,钢轨廓形,打磨方案,打磨实施,a,54,技术难题：不能快速测定钢轨轮廓；不易测定特殊地段钢轨轮廓。,钢轨廓形测试,道岔区钢轨廓形,a,55,MINIProf 接触式检测系统,MERMEC非接触式检测系统,光学非接触式检测系统,国外钢轨轮廓地面定点检测仪,a,56,钢轨断面针式测磨仪,我国钢轨断面地面检测,游标式钢轨磨耗测量仪,a,57,技术难题之二：不能根据钢轨轮廓的实际情况实时制订钢轨的最优打磨策略，未充分发挥出96个磨头的优势。,区间及道岔打磨列车,a,58,研制手推移动式、 快速、连续测量

18、钢轨轮廓测试仪 实现道岔区特殊钢轨轮廓测试 作为打磨列车的指导小车，为打磨列车提供最优的打磨策略,a,59,a,60,三、轨道刚度控制理论,1、轨道刚度的影响,轨道刚度过大：钢轨损伤快、舒适性降低、隔振效果差、轮轨噪声大； 轨道刚度过低：轨道动态不平顺大，轨道部件也会伤损。,a,61,2、轨道刚度重点控制 路桥过渡段 岔区轨道刚度均匀化,之一：轨道刚度的合理匹配 之二：轨道刚度的均匀分布,有砟轨道： 扣件刚度过大，道床变形快！ 道床刚度过大，钢轨损伤快！ 扣件刚度过小，钢轨外翻严重！ 道床刚度过小，轨道不平顺变化快！,a,62,影响高速列车舒适性的轨道动刚度检测日显重要 轨道刚度影响着高速列车

19、的运行舒适性甚至安全性，武广线联调联试已表明 高速铁路以无砟轨道为主，其弹性主要来源于扣件系统，而橡胶垫层的老化及低温硬化问题已渐突出 在短波不平顺情况下甚至会引起跳轨脱轨 目前国内外均缺乏轨道刚度的在线检测技术,无砟轨道： 扣件刚度过大，道床及钢轨损伤快、甚至影响安全！ 扣件刚度过小，钢轨外翻严重、甚至出现波磨！,a,63,荷兰弹性检测车激光测位移法,我国弹性检测试验样车 偏载加载法,a,64,频响函数法应用的可行性试验：,加速度频域积分得到位移,宽频动刚度,a,65,四、关于轨道安全的几点思考,1、铁路安全理论,铁路里程长、区域广、系统复杂、生产环节多、人员素质与铁路技术不相适应等，导致铁

20、路安全事故时有发生，发生事故的概率P较大 列车运行速度高，运载旅客及作业人员多、运载货物及固定资产大、经常运输危险货物等，一旦发生事故，人员伤亡、财产损失、环境破坏所造成的损失L较大 铁路为公共交通，代表着政府行为，人们对安全事故的可接受程度低，即容忍度T低,铁路安全风险：R=PL/T,a,66,西南交大已向铁道部提出完善高速铁路运营安全保障体系建设设想，在此基础上准备就铁路基础设施安全保障开展以下方面的研究：,高速铁路运营安全文化 高速铁路运营安全系统工程学 高速铁路运营安全管理学 高速铁路运营安全人机学 高速铁路运营安全经济学,a,67,从物的不安全状态方面 基础设施危险源及事故隐患辨识理

21、论 基础设施安全评估理论，包括事故树、事件树理论 基础设施风险分级理论及可接受准则 基础设施全寿命周期安全理论,从人的不安全行为方面 作业人员人因可靠性理论 路外及作业人员安全行为研究 作业危险性评估理论 作业人员素质评估理论 从管理不善方面 安全管理体系健全研究：责任制、应急救援、培训等 安全管理过程控制体系研究 安全管理效果评估理论,a,68,从环境不良方面 自然灾害预防、防治、预测、评估理论 路外安全距离、安全范围研究 安全系统工程理论 基础设施与列车系统的安全关联性理论 基础设施系统安全性分析理论,事故调查分析理论 基础设施事故库 事故致因理论 事故再现理论 安全评价理论 安全预评价理论 安全验收评价理论 安全现状评价理论,a,69,本质安全技术对策 防脱、防撞、防倾、防溜、防掉等基础设施装备 联锁、隔离、消除、减弱等安全技术措施 间接安全技术对策 基础设施状态巡查、检测、监测与报警 自然灾害监测与报警 维修及保养技术对策 减少损失及次生灾害的安全技术对策与设施 路外安全技术对策 提示性安全技术对策 列车接近监测与提示技术对策 道口、封闭栅