钢轨平顺性检测技术的分析与对比

黄欣荣 王文宁 王森

【摘要】轨道平顺性是影响列车运行安全的关键因素之一。目前，常见的轨道平顺性检测方法大致可以分为静态直接测量、动态直接测量等2类。文章对上述方法的检测原理进行了阐述，分析了其优缺点和适用性。

【关键词】轨道平顺性 检测技术 分析对比

轨道平顺性是影响列车运行安全性的关键因素之一，高速铁路的轨道必须具有高平顺性。为此，铁路行业投入了大量的人力、物力，研究开发轨道平顺性检测技术。目前，常用的轨道平顺性检测技术主要有2类：静态直接测量、动态直接测量。静态直接测量以人工作业为主，目前仍是一种不可替代的测量手段，线路开通前的精调、施工作业后的复核等都离不开静态直接测量。为降低工人的劳动强度、提高检测效率，世界各国相继开发出了多种静态或准静态的线路检查装置，如轨检小车等。动态直接测量方法近些年获得了长足进步，英国、美国、法国、日本、意大利、中国等相继开发出了轨道检查车或综合检测列车等特种车辆，可以对线路进行快速、准确、全面的检测，其测量结果更加接近线路动态荷载下的真实状态。本文将对上述方法逐一进行阐述和分析。

一、静态直接测量

静态直接测量主要包括道尺、弦绳和轨检小车等。其中，轨检小车作为一种准静态轨道不平顺测量装置，在新线施工、整道、检查铺设精度、验收作业质量等方面发挥了重要作用。轨检小车生产厂家众多，国外有德国GEDOCE、瑞士Amberg等，国内有南昌日月明、四川什郁瑞邦、资阳立信、长沙悦诚、中铁咨询等。

轨检小车的测量原理基本相似，都是由小车携带测量装置（包含倾角仪、加速度计、陀螺仪、位移传感器、里程计等），由手推或马达驱动小车沿轨道移动时测量轨道不平顺，可以输出轨距、超高（水平）、轨向、高低等轨道不平顺参数。

（1）轨距检测。轨距指两股钢轨头部内侧轨顶面下方16mm处两作用边之间的最小距离。通常根据横梁上的直线位移传感器的输出来计算轨距值，钢轨飞边将对轨距检测产生较大影响。

（2）超高（水平）检测。超高是指同一横截面上左右轨顶面相对所在水平面的高度差。检测时，由轨检小车上搭载的水平传感器（倾角仪、侧滚陀螺等）测量出走行面和水平参考面之间的角度，再结合两股钢轨顶面中心间的距离（直角三角形斜边），通过三角函数关系即可求出线路超高。

（3）高低/轨向检测。高低是指钢轨顶面沿轨道延长方向上的垂向凹凸不平顺，轨向是指钢轨内侧沿轨道延长方向上的横向凹凸不平顺。二者检测原理相同，可以通过弦测正矢或陀螺仪的垂向输出或横向输出测得线路的高低和轨向，再经过相应的数学模型推算即可得到对应弦长的正矢。

（4）里程。里程是指轨检小车测量时走过的距离，通过里程测量轮上的旋转编码器来记录里程值。轨检小车的所有测量结果均包括里程信息，以便快速定位轨道几何偏差对应的线路位置。

轨检小车作业灵活，使用方便，相比于人工使用道尺或拉弦的测量方式，效率得到了大幅提升。但同时，由于测量时线路处于无轮载状态，其测量得到的结果只是静态轨道不平顺，只能部分反映道床路基不均匀残余变形积累形成的不平顺，不能反映暗坑、吊板、弹性不均匀等线路荷载下出现的动态不平顺。 二、动态直接测量 动态直接测量方法是利用安装有检测设备的特种用途车辆对轨道动态不平顺进行直接测量，此类设备主要有轨道检查车和综合检测列车2类。我国轨道检查车或综合检测列车上的轨道不平顺检测装备主要为GJ-6型轨道几何检测系统，该系统采用惯性测量原理、捷联式结构和非接触测量方法，应用了图像处理技术、陀螺平台、数字滤波、以及计算机实时数据处理等高技术，能够选择不同截止波長的空间曲线或不同弦长的弦测结果输出轨道不平顺。GJ-6型轨道几何检测系统主要由激光摄像组件、惯性测量组件、信号处理组件、数据处理组件等组成。

（1）激光摄像组件。主要包含激光器、摄像机、温控系统、光学系统等关键部件。通过对钢轨轮廓进行图像处理，得到钢轨相对于测量坐标系的横向位移，再由2根钢轨的横向位移合成轨距，横向位移也是轨向测量的重要分量。

（2）惯性测量组件。主要由陀螺平台（摇头陀螺YAW、滚动陀螺ROLL和倾角仪INCL）、左右高低加速度计、轨向加速度计等惯性器件组合而成。惯性测量组件主要功能是采集检测梁和车体的滚动和摇头角速度、倾角、垂向和横向加速度，用于建立轨道检测的惯性基准，满足轨向、高低、水平（超高）、三角坑、曲率等参数的测量要求，并通过设计适当的高通滤波器滤除不需要的波长成分，保留所需的波长成分，即可得到一定波长范围内的高低不平顺曲线。

（3）信号处理组件。信号处理组件由信号转接及监视装置（Patch-Panel）、信号调节滤波装置（SCU）、和一台数字滤波计算机组成，能够对惯性测量部件输出的信号进行滤波、补偿、修正、合成计算，输出轨道几何参数包括轨距、左右高低、左右轨向、水平（超高）、三角坑、曲率、曲线半径。同时，可以检测线路标志，包括道口、道岔、桥梁、曲线拉杆等。

（4）数据处理组件。数据处理组件是由数据库服务器、实时处理计算机、数据应用计算机、网络打印机、交换机等设备组成车载局域网系统。其中，实时处理计算机实现了传感器原始信号的采集、处理、修正、滤波和轨道几何参数的合成，并通过网络将检测数据传送给数据库服务器，用户通过数据应用计算机可以进行超限数据及波形的浏览、打印、分析对比等工作。

轨道检查车或综合检测列车使用了大量高精度传感器，且检测速度与线路允许运营速度一致，具备了检测算法先进、检测项目全面、检测精度高、检测效率高的特点，为工务的现场养护维修提供了重要的支持。同时，轨道检查车或综合检测列车缺点也较为明显，如购置及维护成本高、运营费用昂贵、需安排专用的车辆调度计划、不能及时对作业地点进行检查、基于激光摄像原理的检测项目易受雨雪天气影响等，因此，其推广及使用受到了一定的制约。

三、结束语

综上所述，轨检小车作业灵活，使用方便，但只能反映静态轨道不平顺。轨道检查车或综合检测列车提供了高精度、高效率的动态不平顺测量方案，但购置及维护成本高且调度不便。2种方法各具优缺点，但可以互为补充，取长补短，共同保证铁路的安全运营。需指出，虽然轨道平顺性检测技术在近些年获得了极大的发展，但仍存在一些亟待解决的问题，例如，更长波长不平顺的检测及基于绝对坐标体系的空间动态测量基准的获得等。