曲率變化率的動態檢測結果與現場線路狀態對應關系的研究

張 磊,張玉明

(鄭州鐵路局南陽工務段,河南南陽 473000)

1 概述

經六次鐵路大提速后,為使軌檢車檢測資料能更好地指導線路維修,提高養護維修質量,結合國外相關經驗和我國現場實際,經研究和試驗,自 2008年 2月1日起,將軌道動態管理標準進行了調整,在對線路質量的動態檢查指標中,增加了對曲率變化率、軌距變化率、橫向加速度變化率三項指標,這樣,對線路質量的評價指標達到 10個,其中曲率變化率的基長采用 18 m,單位是(1/m2×10-6)。 v≤120 km/h時 ,曲率變化率Ⅰ級病害管理值 5.0,Ⅱ級病害管理值 6.5;120 km/h＜v≤160 km/h時,曲率變化率Ⅰ級病害管理值 3.0,Ⅱ級病害管理值 4.0;160 km/h＜v≤200 km/h時,曲率變化率Ⅰ級病害管理值 2.0,Ⅱ級病害管理值 2.5;200km/h＜v≤250km/h時,曲率變化率Ⅰ級病害管理值 1.2,Ⅱ級病害管理值 2.0。

因長期以來形成的線路維修保養習慣不能適應新的線路質量要求,加之這些新增加的檢測指標在線路幾何狀態上表現的并不直接,基層生產人員對這些指標的認識還存在一定的差距,在每次動態檢查的 10個線路質量評價指標中,曲率變化率的出分都占了不良出分的絕大多數,制約了線路質量的提高,就南陽工務段自 2008年底至 2009年 2月份共 4個月的出分情況看,鄭州鐵路局南陽工務段共管轄正線設備 1 022km,其中寧西線為單線,管轄 315 km,焦柳線為復線,管轄里程 346 km。2008年 10月份動態檢查,寧西線共出分 2290分,其中曲率變化率 1 423分,占 62.14%;焦柳上行共出分 3 337分,曲率變化率出 2 502分,占74.98%;焦柳下行共出分 3 705分,曲率變化率出分 2 136分,占 56.95%;

2008年 11月,寧西線共出分 2 158分,其中曲率變化率 1 183分,占 54.82%;焦柳上行共出分2 800分,曲率變化率出分 2 522分,占 90.07%;焦柳下行共出分 3 387分,曲率變化率出分 2 182分,占64.42%;

2008年 12月,寧西線共出分 2 050分,其中曲率變化率出分 1 409分,占 68.73%;焦柳上行共出分 2 831分,曲率變化率出分 2 532分,占 89.44%;焦柳下行共出分 3 176分,曲率變化率出分 2 112分,占66.5%;

2009年 2月,寧西線共出分 2422分,其中曲率變化率出分 1 307分,占 53.96%;焦柳上行共出分2 759分,曲率變化率出分 2 468分,占 89.45%;焦柳下行共出分2 842分,曲率變化率出分 2 260分,占 79.52%;

在以上出分統計中,總出分因行車及維修保養的原因,呈現一定的波動,但曲率變化率卻呈現出相對的穩定,并在部分區段呈現出增加的趨勢,如焦柳下行,自 2008年 10月至 2009年 2月,總出分分別為 3 705、3 387、3 176、2 842分 ,曲率變化率出分分別為 2 136、2 182、2 112、2 260分,所占比例分別為 56.95%、64.42%、66.5%、79.52%。可以看出,總的出分趨向于下降,但曲率變化率出分卻存在上升趨勢,所占總分比例則更是明顯上升。

2 曲率變化率的現場處理

2.1 曲率變化率不良的原因分析

對于曲率變化率超管理值的原因分析時,因該指標是上級有關部門為提高養護維修質量,結合國外相關經驗和我國現場實際,經研究和試驗,才確定加入動態評定指標對線路質量進行考核的,所以基層設備管理部門對其存在的合理性便未產生任何懷疑,首先從自身找原因,可能是自己管理的線路確實存在問題。為此,專門對曲率變化率不良地段進行了比較分析,發現大多出現在曲線頭尾附近,而且在為變更線間距而設置的反向曲線(圖1)中出現的曲率變化率超限數量、位置及幅值都相當接近,與行車方向密切相關。鑒于此,我們便選擇了一對反向曲線進行整正,使曲線及兩端直線方向消除可能存在的方向偏差,為避免整正時出現的測量誤差,在曲線測量時放棄使用經緯儀直接測量偏角的方法(根據實踐,利用經緯儀直接對一對反向曲線進行放線,需要在其交點處進行兩次置鏡,并且角度上的少許偏差將會導致對點時橫向位置出現較大的偏移),而是利用經緯儀對其臨線的直線方向進行訂正,保證其任意點的直線方向誤差不大于±1mm,然后以臨線為測量基準,利用曲線的轉角 α、兩側平行段的線間距 H1、H2計算出曲線上各點到臨線的距離,然后再在現場確定出曲線兩端 30m范圍內直線、兩曲線及其中間夾直線的平面坐標準確位置,按計算及現場確定的線路平面位置對該兩條曲線及夾直線進行了細致的撥正,此做法足以保證線路可以恢復到準確的設計位置。

圖1 變更線間距反向曲線示意

但在以上作業對曲線進行了徹底的整治之后,當月動態檢查仍然出現了 4處曲率變化率超限記錄,與改造前比較并無明顯改觀,該 4處曲率變化率不良地點分別出現在進入曲線 20m左右,長度為 32m,間隔約 10m又出現另一處曲率變化率超限,長度也是 32 m。另一條曲線的曲率變化率也出現在進入曲線約 20 m的位置,間隔是 9m,后又出現一處曲率變化率不良記錄,長度也是 32m。對以上試驗觀察進行了 3組,結果都相似,通過向動態檢查車技術人員請教后發現,關于曲率變化率參數的設置完全是按規定進行的,其值是后期通過計算機處理得到的,而計算機處理所用的數據在評價曲線狀態時所得到的指標也與現場吻合。在這種情況下,決定對曲率變化率這個評價參數的設置初衷和理論依據進行了仔細的研究,以期找到問題的癥結所在。

2.2 曲率變化率的模擬分析

為找到軌道線路中曲率變化率不良地點對應的現場線路幾何狀態,按《GJ-4型軌道檢查車的原理與應用》中所介紹的軌道檢查車對曲率變化率的檢測原理,對焦柳線下行 K332+009曲線進行了曲率變化率的模擬分析,該曲線的半徑為 4 000 m,轉向角為0°29′00″,曲線長為 33.743m。

軌道動態檢查車在對曲線曲率檢測時,采用的是一定弦長曲線所對應的圓心角,軌檢車通過曲線時,測量其通過 30m后車體方向角的變化值,即曲率,測量范圍 ±23°/30m,測量精度 ≤0.05°/30m,度數小,曲率小,半徑大;度數大,曲率大,半徑小。在不良地點的曲率變化率記錄單位是(1/m2×10-6)。

軌道檢查車在線路上行駛時,其車體轉向角的變化是由前后兩轉向架上的盤心決定的,兩盤心的連線轉向角便為車體的轉向角,GJ-4型軌檢車其盤心距為18m。軌檢車通過曲線時每 2 m的曲率、曲率變化率數據如表1所示。

表1 靜態曲率變化率計算

第一項為前盤心進入曲線的長度,在直線地段,車輛不存在偏角的變化,故曲率變化率為 0,自進入曲線后曲率開始變化,曲率變化率也隨之開始改變,如圖2所示。

圖2 軌道檢查車通過曲線時轉向示意

第二項為外矢距,計算的是前盤心進入曲線后對應曲線長度的外矢距,分以下幾種情況。

在緩和曲線地段,外矢距其值為:(前盤心進入緩和曲線長度)3/(6×R×緩和曲線長);

緩圓點至圓緩點間外矢距值為:(前盤心進入曲線長度)2/2R+(緩和曲線長度)2/24R;

自圓緩點至緩直點間外矢距值為:(前盤心進入曲線長度)2/2R+(緩和曲線長度)2/24R-(前盤心進入緩和曲線長度)3/(6×R×緩和曲線長)。

第三項 18m盤心距對應外矢距,為計算某一時刻盤心連線的偏角,需要計算出前后盤心對應曲線長度的外矢距,在后盤心進入曲線前,18m盤心距對應的外矢距就是前盤心進入曲線所對應的外矢距,當后盤心也進入曲線后,其對應的外矢距 h=前盤心經過曲線長對應的外矢距 -后盤心經過曲線長對應的外矢距。也就是表中前 18m外矢距與第二項相等,以后外矢距應為對應處外矢距與 18m前的外矢距之差。

第四項為車長對應偏角,以度的形式表示,其值為第三欄數據除盤心距(18m)的反正弦值。

第五項為 30m距離對應的曲率值,按軌檢車檢查原理,曲率是以車輛經過 30m長度偏角的變化量確定的,其值在進入曲線 30m之前與第四項,車長對應偏角相等,當進入 30m后,其對應的曲率值應等于該處曲率與 30m前的曲率之差。

第六項為車輛經過 30m距離偏角變化的弧度值,單位是 rad×10-4。

第七項為 18m曲率變化值,曲率變化率選定的計算基長為 18m,其值在車輛進入曲線 18m以前,其曲率變化值為第六項,30m對應的曲率值,當進入 18m以后,其值為對應曲率值與 18m以前的曲率之差。

第八項為每 18m的曲率變化率,其值為對應第九項值除以 18。

第九項為每 18m的曲率變化率,單位為 1/m2×10-6。以盤心距所對應的曲線弧長除以其對應的曲率變化率的弧度值,即第六項弧度值除以盤心距 18m,它所表示的是盤心距對應曲線平均半徑的倒數變化情況。

通過上表中的模擬計算結果可以發現,在車輛前盤心進入曲線第 16m時,其曲率變化率便超過了規定的Ⅱ級病害管理值,為 5.487,其超限長度為 30 m,中間間隔 8m,便進入了另一個超限地段,其最大超限值為 13。這個模擬結果與現場經過準確定位后恢復到設計狀態的曲線動態檢查結果相吻合,因此,可以理解為目前動態檢查中的曲率變化率超限值的確定,已經大于大部分現場曲線自身所固有的結構曲率變化率。

2.3 曲率變化率的現場狀態確定

根據以上分析,曲率變化率所表示的位置及對應數據,并不表示一個點的線路狀態,而是間隔一定長度的兩種線路狀態的比較結果,在現場確定時,應根據其檢查原理結合檢查時的行車方向,在現場復查表示點前方約 20m左右的線路方向,而此時的線路方向也不是該處的現場方向狀態,而是指該處前后線路方向所可能導致的車輛方向狀態,因在檢查時所測定的線路里程存在一定的誤差,所以按此檢查結果嚴格查找,難以找到現場與檢查相吻合的線路狀態。對于此種情況,也并不是說就無法查找到檢查結果所表示的線路狀況,在直線地段,可以用長弦繩(為使判定結果盡可能客觀準確,應使用較長的弦繩,但較長的弦線會出現中部下垂,在下垂量不影響測量結果的情況下,采用如40m長度較妥)沿鋼軌外側拉緊,兩頭距鋼軌距離相等,逐根枕量取線繩到鋼軌的距離,便可得到 40m范圍內線路方向的準確偏差情況,如此再測量 40m,便可得到 80m范圍內線路方向的準確偏差情況,再與檢查結果相比較,導致檢查結果的線路狀態便會明顯地顯現出來,此時便可制定相應的整改措施。在曲線地段,因傳統考察的是 10m范圍的連續正矢差,這個控制指標不能準確描述出車輛的即時方向狀態,所以即時狀態在一定長度內的變化量,也就是曲率變化率也不可能通過傳統的曲線方向判斷辦法來判別,因而在曲線中所發生的曲率變化率在現場找到對應的線路狀態時,要分幾步走。第一應確定出各種半徑的曲線、各種長度的緩和曲線在各點所對應的結構曲率變化率;第二步判斷出現場線路狀態所對應的曲率變化率數值,將此數值扣除其結構數值后才是線路方向不良所造成的曲率變化率數值。就像在判定線路方向不良時那樣,直線按 10m弦量取其全長范圍內的最大矢度值,曲線根據不同的半徑確定出對應的正矢允許連續差,而不是用一個固定的指標來判定所有線路的方向狀態優劣。所以在曲線中判別線路方向狀態時,利用測量正矢的辦法已經不能適用,應利用一定長度的曲線控制樁,在保證控制樁對應處線路平面狀態正確后,利用長弦繩逐點(如間隔 1m)測量曲線、緩和曲線的矢距值[1],用此辦法可準確判定出曲線中任一點相對于設計位置的偏差狀態,從而找到對應的曲率變化率超限處所。

3 結論

在對線路曲率變化率超限處所進行現場確定時,首先要認識這個指標的形成過程,知道該指標是一個比較數據,在以前常用的線路狀態評判指標中,比較接近于三角坑的評判,三角坑是指一定長度內水平的變化值,與行車方向無關。而曲率變化率則是指一定長度內線路方向的變化所造成的車輛轉向角的變化值,不同的行車方向將發生不同的曲率變化率記錄地點。三角坑中水平的測定可以直觀地在現場測量出來,而曲率變化率中線路狀態所引起的車輛轉向角的變化值則難以在現場測出,所以判斷起來比較困難。因此在判斷曲率變化率時,最直觀簡便的辦法便是測出線路中任意點與一定線路長度范圍內理論位置間的偏差,消除其偏差就會影響到車輛轉向角的變化,進而使曲率變化率趨于合理。而對曲率變化率的影響因素除線路幾何狀態不良會引起曲率變化率超限病害外,在曲線地段,因曲線本身存在曲率,車輛由直線進入曲線及由曲線進入直線都會引起曲率的變化,從而引起曲率變化率超限。這種超限屬于設備本身的特性,在統計線路狀態不良的記錄時應考慮剔除,剔除曲線固有的曲率變化率數據后的值才是因線路狀態不良所引起的,而曲線本身的曲率變化率受曲線半徑、緩和曲線長度的影響,與曲線的轉向角無關,所以在判定線路曲率變化率超限時,應根據現場具體情況,計算出不同半徑、不同緩和曲線長本身的曲率變化率。

[1]鐵道部運輸局基礎部組織編寫.鐵路線路修理規則條文說明[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

[2]張 未.GJ-4型軌道檢查車的原理與應用[M].北京:中國鐵道出版社,2001.

[3]易思蓉.鐵路選線設計[M].成都:西南交通大學出版社,2005.

[4]王進峰,張玉明.一弦法整正曲線的理論探討[J].鐵道標準設計,2008(11).