曲率变化率的动态检测结果与现场线路状态对应关系的研究

张 磊,张玉明

(郑州铁路局南阳工务段,河南南阳 473000)

1 概述

经六次铁路大提速后,为使轨检车检测资料能更好地指导线路维修,提高养护维修质量,结合国外相关经验和我国现场实际,经研究和试验,自 2008年 2月1日起,将轨道动态管理标准进行了调整,在对线路质量的动态检查指标中,增加了对曲率变化率、轨距变化率、横向加速度变化率三项指标,这样,对线路质量的评价指标达到 10个,其中曲率变化率的基长采用 18 m,单位是(1/m2×10-6)。 v≤120 km/h时 ,曲率变化率Ⅰ级病害管理值 5.0,Ⅱ级病害管理值 6.5;120 km/h＜v≤160 km/h时,曲率变化率Ⅰ级病害管理值 3.0,Ⅱ级病害管理值 4.0;160 km/h＜v≤200 km/h时,曲率变化率Ⅰ级病害管理值 2.0,Ⅱ级病害管理值 2.5;200km/h＜v≤250km/h时,曲率变化率Ⅰ级病害管理值 1.2,Ⅱ级病害管理值 2.0。

因长期以来形成的线路维修保养习惯不能适应新的线路质量要求,加之这些新增加的检测指标在线路几何状态上表现的并不直接,基层生产人员对这些指标的认识还存在一定的差距,在每次动态检查的 10个线路质量评价指标中,曲率变化率的出分都占了不良出分的绝大多数,制约了线路质量的提高,就南阳工务段自 2008年底至 2009年 2月份共 4个月的出分情况看,郑州铁路局南阳工务段共管辖正线设备 1 022km,其中宁西线为单线,管辖 315 km,焦柳线为复线,管辖里程 346 km。2008年 10月份动态检查,宁西线共出分 2290分,其中曲率变化率 1 423分,占 62.14%;焦柳上行共出分 3 337分,曲率变化率出 2 502分,占74.98%;焦柳下行共出分 3 705分,曲率变化率出分 2 136分,占 56.95%;

2008年 11月,宁西线共出分 2 158分,其中曲率变化率 1 183分,占 54.82%;焦柳上行共出分2 800分,曲率变化率出分 2 522分,占 90.07%;焦柳下行共出分 3 387分,曲率变化率出分 2 182分,占64.42%;

2008年 12月,宁西线共出分 2 050分,其中曲率变化率出分 1 409分,占 68.73%;焦柳上行共出分 2 831分,曲率变化率出分 2 532分,占 89.44%;焦柳下行共出分 3 176分,曲率变化率出分 2 112分,占66.5%;

2009年 2月,宁西线共出分 2422分,其中曲率变化率出分 1 307分,占 53.96%;焦柳上行共出分2 759分,曲率变化率出分 2 468分,占 89.45%;焦柳下行共出分2 842分,曲率变化率出分 2 260分,占 79.52%;

在以上出分统计中,总出分因行车及维修保养的原因,呈现一定的波动,但曲率变化率却呈现出相对的稳定,并在部分区段呈现出增加的趋势,如焦柳下行,自 2008年 10月至 2009年 2月,总出分分别为 3 705、3 387、3 176、2 842分 ,曲率变化率出分分别为 2 136、2 182、2 112、2 260分,所占比例分别为 56.95%、64.42%、66.5%、79.52%。可以看出,总的出分趋向于下降,但曲率变化率出分却存在上升趋势,所占总分比例则更是明显上升。

2 曲率变化率的现场处理

2.1 曲率变化率不良的原因分析

对于曲率变化率超管理值的原因分析时,因该指标是上级有关部门为提高养护维修质量,结合国外相关经验和我国现场实际,经研究和试验,才确定加入动态评定指标对线路质量进行考核的,所以基层设备管理部门对其存在的合理性便未产生任何怀疑,首先从自身找原因,可能是自己管理的线路确实存在问题。为此,专门对曲率变化率不良地段进行了比较分析,发现大多出现在曲线头尾附近,而且在为变更线间距而设置的反向曲线(图1)中出现的曲率变化率超限数量、位置及幅值都相当接近,与行车方向密切相关。鉴于此,我们便选择了一对反向曲线进行整正,使曲线及两端直线方向消除可能存在的方向偏差,为避免整正时出现的测量误差,在曲线测量时放弃使用经纬仪直接测量偏角的方法(根据实践,利用经纬仪直接对一对反向曲线进行放线,需要在其交点处进行两次置镜,并且角度上的少许偏差将会导致对点时横向位置出现较大的偏移),而是利用经纬仪对其临线的直线方向进行订正,保证其任意点的直线方向误差不大于±1mm,然后以临线为测量基准,利用曲线的转角 α、两侧平行段的线间距 H1、H2计算出曲线上各点到临线的距离,然后再在现场确定出曲线两端 30m范围内直线、两曲线及其中间夹直线的平面坐标准确位置,按计算及现场确定的线路平面位置对该两条曲线及夹直线进行了细致的拨正,此做法足以保证线路可以恢复到准确的设计位置。

图1 变更线间距反向曲线示意

但在以上作业对曲线进行了彻底的整治之后,当月动态检查仍然出现了 4处曲率变化率超限记录,与改造前比较并无明显改观,该 4处曲率变化率不良地点分别出现在进入曲线 20m左右,长度为 32m,间隔约 10m又出现另一处曲率变化率超限,长度也是 32 m。另一条曲线的曲率变化率也出现在进入曲线约 20 m的位置,间隔是 9m,后又出现一处曲率变化率不良记录,长度也是 32m。对以上试验观察进行了 3组,结果都相似,通过向动态检查车技术人员请教后发现,关于曲率变化率参数的设置完全是按规定进行的,其值是后期通过计算机处理得到的,而计算机处理所用的数据在评价曲线状态时所得到的指标也与现场吻合。在这种情况下,决定对曲率变化率这个评价参数的设置初衷和理论依据进行了仔细的研究,以期找到问题的症结所在。

2.2 曲率变化率的模拟分析

为找到轨道线路中曲率变化率不良地点对应的现场线路几何状态,按《GJ-4型轨道检查车的原理与应用》中所介绍的轨道检查车对曲率变化率的检测原理,对焦柳线下行 K332+009曲线进行了曲率变化率的模拟分析,该曲线的半径为 4 000 m,转向角为0°29′00″,曲线长为 33.743m。

轨道动态检查车在对曲线曲率检测时,采用的是一定弦长曲线所对应的圆心角,轨检车通过曲线时,测量其通过 30m后车体方向角的变化值,即曲率,测量范围 ±23°/30m,测量精度 ≤0.05°/30m,度数小,曲率小,半径大;度数大,曲率大,半径小。在不良地点的曲率变化率记录单位是(1/m2×10-6)。

轨道检查车在线路上行驶时,其车体转向角的变化是由前后两转向架上的盘心决定的,两盘心的连线转向角便为车体的转向角,GJ-4型轨检车其盘心距为18m。轨检车通过曲线时每 2 m的曲率、曲率变化率数据如表1所示。

表1 静态曲率变化率计算

第一项为前盘心进入曲线的长度,在直线地段,车辆不存在偏角的变化,故曲率变化率为 0,自进入曲线后曲率开始变化,曲率变化率也随之开始改变,如图2所示。

图2 轨道检查车通过曲线时转向示意

第二项为外矢距,计算的是前盘心进入曲线后对应曲线长度的外矢距,分以下几种情况。

在缓和曲线地段,外矢距其值为:(前盘心进入缓和曲线长度)3/(6×R×缓和曲线长);

缓圆点至圆缓点间外矢距值为:(前盘心进入曲线长度)2/2R+(缓和曲线长度)2/24R;

自圆缓点至缓直点间外矢距值为:(前盘心进入曲线长度)2/2R+(缓和曲线长度)2/24R-(前盘心进入缓和曲线长度)3/(6×R×缓和曲线长)。

第三项 18m盘心距对应外矢距,为计算某一时刻盘心连线的偏角,需要计算出前后盘心对应曲线长度的外矢距,在后盘心进入曲线前,18m盘心距对应的外矢距就是前盘心进入曲线所对应的外矢距,当后盘心也进入曲线后,其对应的外矢距 h=前盘心经过曲线长对应的外矢距 -后盘心经过曲线长对应的外矢距。也就是表中前 18m外矢距与第二项相等,以后外矢距应为对应处外矢距与 18m前的外矢距之差。

第四项为车长对应偏角,以度的形式表示,其值为第三栏数据除盘心距(18m)的反正弦值。

第五项为 30m距离对应的曲率值,按轨检车检查原理,曲率是以车辆经过 30m长度偏角的变化量确定的,其值在进入曲线 30m之前与第四项,车长对应偏角相等,当进入 30m后,其对应的曲率值应等于该处曲率与 30m前的曲率之差。

第六项为车辆经过 30m距离偏角变化的弧度值,单位是 rad×10-4。

第七项为 18m曲率变化值,曲率变化率选定的计算基长为 18m,其值在车辆进入曲线 18m以前,其曲率变化值为第六项,30m对应的曲率值,当进入 18m以后,其值为对应曲率值与 18m以前的曲率之差。

第八项为每 18m的曲率变化率,其值为对应第九项值除以 18。

第九项为每 18m的曲率变化率,单位为 1/m2×10-6。以盘心距所对应的曲线弧长除以其对应的曲率变化率的弧度值,即第六项弧度值除以盘心距 18m,它所表示的是盘心距对应曲线平均半径的倒数变化情况。

通过上表中的模拟计算结果可以发现,在车辆前盘心进入曲线第 16m时,其曲率变化率便超过了规定的Ⅱ级病害管理值,为 5.487,其超限长度为 30 m,中间间隔 8m,便进入了另一个超限地段,其最大超限值为 13。这个模拟结果与现场经过准确定位后恢复到设计状态的曲线动态检查结果相吻合,因此,可以理解为目前动态检查中的曲率变化率超限值的确定,已经大于大部分现场曲线自身所固有的结构曲率变化率。

2.3 曲率变化率的现场状态确定

根据以上分析,曲率变化率所表示的位置及对应数据,并不表示一个点的线路状态,而是间隔一定长度的两种线路状态的比较结果,在现场确定时,应根据其检查原理结合检查时的行车方向,在现场复查表示点前方约 20m左右的线路方向,而此时的线路方向也不是该处的现场方向状态,而是指该处前后线路方向所可能导致的车辆方向状态,因在检查时所测定的线路里程存在一定的误差,所以按此检查结果严格查找,难以找到现场与检查相吻合的线路状态。对于此种情况,也并不是说就无法查找到检查结果所表示的线路状况,在直线地段,可以用长弦绳(为使判定结果尽可能客观准确,应使用较长的弦绳,但较长的弦线会出现中部下垂,在下垂量不影响测量结果的情况下,采用如40m长度较妥)沿钢轨外侧拉紧,两头距钢轨距离相等,逐根枕量取线绳到钢轨的距离,便可得到 40m范围内线路方向的准确偏差情况,如此再测量 40m,便可得到 80m范围内线路方向的准确偏差情况,再与检查结果相比较,导致检查结果的线路状态便会明显地显现出来,此时便可制定相应的整改措施。在曲线地段,因传统考察的是 10m范围的连续正矢差,这个控制指标不能准确描述出车辆的即时方向状态,所以即时状态在一定长度内的变化量,也就是曲率变化率也不可能通过传统的曲线方向判断办法来判别,因而在曲线中所发生的曲率变化率在现场找到对应的线路状态时,要分几步走。第一应确定出各种半径的曲线、各种长度的缓和曲线在各点所对应的结构曲率变化率;第二步判断出现场线路状态所对应的曲率变化率数值,将此数值扣除其结构数值后才是线路方向不良所造成的曲率变化率数值。就像在判定线路方向不良时那样,直线按 10m弦量取其全长范围内的最大矢度值,曲线根据不同的半径确定出对应的正矢允许连续差,而不是用一个固定的指标来判定所有线路的方向状态优劣。所以在曲线中判别线路方向状态时,利用测量正矢的办法已经不能适用,应利用一定长度的曲线控制桩,在保证控制桩对应处线路平面状态正确后,利用长弦绳逐点(如间隔 1m)测量曲线、缓和曲线的矢距值[1],用此办法可准确判定出曲线中任一点相对于设计位置的偏差状态,从而找到对应的曲率变化率超限处所。

3 结论

在对线路曲率变化率超限处所进行现场确定时,首先要认识这个指标的形成过程,知道该指标是一个比较数据,在以前常用的线路状态评判指标中,比较接近于三角坑的评判,三角坑是指一定长度内水平的变化值,与行车方向无关。而曲率变化率则是指一定长度内线路方向的变化所造成的车辆转向角的变化值,不同的行车方向将发生不同的曲率变化率记录地点。三角坑中水平的测定可以直观地在现场测量出来,而曲率变化率中线路状态所引起的车辆转向角的变化值则难以在现场测出,所以判断起来比较困难。因此在判断曲率变化率时,最直观简便的办法便是测出线路中任意点与一定线路长度范围内理论位置间的偏差,消除其偏差就会影响到车辆转向角的变化,进而使曲率变化率趋于合理。而对曲率变化率的影响因素除线路几何状态不良会引起曲率变化率超限病害外,在曲线地段,因曲线本身存在曲率,车辆由直线进入曲线及由曲线进入直线都会引起曲率的变化,从而引起曲率变化率超限。这种超限属于设备本身的特性,在统计线路状态不良的记录时应考虑剔除,剔除曲线固有的曲率变化率数据后的值才是因线路状态不良所引起的,而曲线本身的曲率变化率受曲线半径、缓和曲线长度的影响,与曲线的转向角无关,所以在判定线路曲率变化率超限时,应根据现场具体情况,计算出不同半径、不同缓和曲线长本身的曲率变化率。

[1]铁道部运输局基础部组织编写.铁路线路修理规则条文说明[M].北京:中国铁道出版社,2008.

[2]张 未.GJ-4型轨道检查车的原理与应用[M].北京:中国铁道出版社,2001.

[3]易思蓉.铁路选线设计[M].成都:西南交通大学出版社,2005.

[4]王进峰,张玉明.一弦法整正曲线的理论探讨[J].铁道标准设计,2008(11).