轨道几何动态测量性能参数分析

吴兴华 上海铁路局工务处

1 轨道几何测量系统基本原理

GJ-5 型轨检车的轨道几何测量系统采用" 轨道几何惯性测量包" 进行测量，系统从每个测量所得钢轨图像获得基本钢轨轮廓位置信息。在获得轨头部分的轮廓的坐标位置后，几何系统可以自行判断钢轨断面最高点的位置（用于超高/高低测量）及轨距点的位置（用于轨距/轨向测量）。

"轨道几何惯性测量包"（简称"惯性包"）由下列功能模块组成：水平加速度计、垂直加速度计、滚动陀螺仪、摇动陀螺仪、接口电路板和金属框架。

加速度计是用来测量车辆运行过程中转向架的机械运动加速度。加速度为水平、高低及轨向测量计算提供原始数据。

轨道几何测量系统采用光纤激光陀螺测量转向架的旋转角速度。旋转角速度是计算曲率所需要的，用来修正加速度计的测量结果。

2 轨道几何测量性能参数分析

轨道几何测量系统主要的测量结果显示是有软件WinDBC（Windows Digital Brush Chart）提供。该软件可以实时地以波形曲线的形式显示检测结果（俗称"波形图"）。波形图可以最多显示99 个不同的检测项目；可以自定义显示比例系数和显示颜色；之前的检测结果可以作为历史数据重叠在实时检测数据上显示，因此可以对同一条线路的不同次的检测结果进行直观的对比。可以通过键盘操作任意浏览不同检测位置上的数据；可以在任意里程位置放大显示数据波形；可以直接点击鼠标进行测量；可以直接输出打印任何当前显示的画面；可以用于显示、分析和打印任何已经保存的轨道几何检测结果等。

2.1 几何测量性能参数

实际的轨道几何检测项目由轨距、轨向（左/右）、高低（左/右）、水平（超高）和三角坑组成。同时系统还可以记录行驶速度、里程位置及地面标识等信息。

在实时动态检测过程中，轨道几何测量系统对轨道几何检测结果进行分析，然后根据"轨道动态管理标准"判断出轨道几何检测项目的超限值，即"线路病害"。

2.2 线路病害位置的查找

准确查找到线路病害位置，及时消除线路病害，既能有效维护好线路设备，又能提高线路养护工作的效率。下面介绍几种查找病害位置的方法：

2.2.1 根据里程位置查找线路的病害位置

在超限报告上病害的位置是检测系统给出的对应里程位置，从波形图上也能找到超限报告上的所有病害的一一对应里程位置。使用这种方法查找病害的里程位置是很直观、简便的，线路维修人员一般都采用此方法来查找病害的里程位置。如图1 所示的波形图上显示的里程位置是检测系统通过轴箱编码器纪录的里程位置，里程位置还可以依据GPS预置的点位利用GPS 加以修正，也可以采用人工设置（打点）的方法来修正里程位置。里程位置设置的越准确，病害位置的查找就越方便。然而，GPS 的预置点位和GPS 定位都存在误差，尤其是线路变化和长短链的出现，如没有及时更正GPS 预置点，则使线路的实际里程位置和波形图上的里程位置偏差就较大。

2.2.2 根据地面标志查找线路的病害位置

检测系统的地面标志装置是安装在轨距吊梁中部的电磁感应装置（ALD）。ALD 的工作原理是接近金属物体而发生电磁感应，从而引起电压值的变化，在波形图中形成脉冲曲线。波形图上的地面标志主要有道岔、道口、桥梁护轨和轨距拉杆等标志。

道岔标志反映的是道岔的导曲轨的位置，其中间的峰值位置是电磁感应强度最大的位置，即对应的是导曲轨的中部位置，如图1 所示。

平面道口两侧往往有金属边框，在波形图上形成矩形标志，尤其是大道口更为明显，矩形的中部即为道口的中心位置。

图1 里程位置、道岔、道口标记设别图

桥梁护轨标志反映的是整个护轨的位置，两端峰值较高而中间值较低。图2为两座桥梁的护轨标志。

ALD 脉冲值是受温度变化而影响。轨距拉杆标志在ALD 的放大值较大时能显示出为一条竖直的直线，当天气温差变化较大或雨天使放大值变小时就不容易出现。

2.2.3 根据曲线特定点位查找线路病害位置

依据曲线的直缓点、缓圆点、圆缓点和缓直点等特定点位的相对位置可以有效查找到线路的病害位置。

图2 桥梁护轨标记设别图

利用地面标志和曲线特定点位的相对位置查找临近的病害位置的准确度较高，是查找线路病害位置的极有效的方法。

2.3 线路病害的分析

2.3.1 轨距病害

轨距的静态测量比较直观，利用轨距尺就能逐点测量，测量效率低，且是轨道在空载状况下的测量结果。GJ-5 型系统的轨距动态测量数据是在两侧钢轨的两个同步摄像机所拍摄到的两侧钢轨轨距点间的距离，是轨道重载下的动态测量结果。其数据的准确性与轨距标定的准确度和检测系统的精确度有关。图3 为道岔转折部位出现的小轨距病害。

图3 道岔区小轨距病害数据图

轨距病害主要出现在曲线区段钢轨侧磨后的大轨距（尤其是小半径曲线区段）和道岔区转折部位的小轨距。曲线的钢轨侧磨可以通过调整合理的曲线超高、钢轨侧面涂油来减少。道岔区转折部位的小轨距主要是转折部位的拉杆距离偏小造成的。拉杆受气温变化而热胀冷缩，造成拉杆长短变化。所以，冬季道岔区转折部位的小轨距病害较多，调整拉杆距离就能调整轨距大小。

2.3.2 轨向（左/右）病害

轨向病害的形成因素很多，尤其在线路曲线区段的直缓点、缓圆点、圆缓的和缓直点等点位较易形成轨向病害，在道岔区段也较易出现轨向病害。在曲线区段，由于轮轨作用力变化较大，易使曲线产生横向滑移和钢轨侧磨，从而形成轨向病害。在道岔区段，特别是普通道岔的岔心部位和转折部位，因轨距的变化形成轨向病害。

图1 中的大轨距病害是由于轨道右股轨向的突然变化形成的。这是测量系统在轨道右股测得的岔心有害空间部位而造成的，是非有效病害。但此点位可作为查找其他病害的基准点。

2.3.3 高低（左/右）、水平和三角坑病害

高低病害主要出现在线桥结合部、曲线、道岔的岔心位置和道口位置。线桥结合部由于路基的结构不同，造成地面的沉降不同，从而形成高低病害。曲线区段由于轨道的承载力不均匀，容易形成高低病害。道岔区段的岔心部位由于承载力集中，磨耗大，并形成冲击载荷，容易形成岔心处的钢轨空吊，造成单股钢轨高低病害，并伴随着出现水平、三角坑病害。

水平、三角坑病害和高低病害相关联的病害，病害数值较大时往往同时出现。道岔、道口、曲线和路桥结合部等是水平、三角坑病害较易产生的地方。

图4 岔心磨耗形成的病害波形图

图4 为2011 年01 月19 日动态测量陇海线上行K151 km 道岔区段高低、水平和三角坑病害情况，具体数据如表1。

表1 道岔区段动静态测量数据对照表

A、B、C 三处均为道岔岔心部位，都是垂磨加空吊而造成单股钢轨高低病害，伴随形成水平和三角坑病害。消除了这三处的高低病害，同时也消除了水平和三角坑病害。轨枕空吊一般采取道渣捣固来消除，必要时进行道渣清筛处理。岔心垂磨较大的可进行焊补处理，磨耗严重的须更新。

普通道岔岔心部位存在有害空间，轮轨作用时为非连续性的滚动，车辆通过时车轮对岔心部位产生冲击作用，加大了岔心磨耗（尤其是垂磨），加上岔心部位的共用性承载频率高，因此容易造成岔心部位的空吊现象，形成单股轨道的高低病害。病害如不及时消除，它将加剧岔心磨耗和空吊程度。

3 结束语

轨道几何动态测量性能参数是既有线路养护维修的重要依据，是新线调试、验收的主要工具，是高速铁路管理的重要组成部分。做好轨道几何动态测量结果数据和波形图分析，能及时消除线路病害，有效地提高铁路线路设备质量，切实保障铁路运输的安全、高速、平稳和舒适性。