大型養路機械搗固作業軌道質量評價指數研究

徐偉昌

(上海鐵路局工務處，上海 200071)

軌道不平順是機車車輛及軌道系統自身振動的激擾源[1]，它是引起輪軌作用力增大的主要因素[2-3]。一方面，超過一定限值的軌道不平順會影響旅客舒適度和行車安全性[4];另一方面，由于軌道不平順的存在，列車輪對沖擊振動引起的動力作用以幾何級數增加，軌道結構自身產生激振，軌道持續惡化，從而形成惡性循環[5]。由此可見軌道不平順管理的重要性。目前鐵路工務部門主要根據線路動靜態檢測數據，對每個區段、每1 km的線路狀態采用峰值管理法(如偏差扣分法等)、均值管理法(如TQI法等)[6]進行評價。

隨著鐵路養路機械化程度的不斷提高，有砟軌道上常采用大型養路機械(以下簡稱大機)進行以搗固為主的綜合維修作業[7-8]。采用大機搗固作業起道量控制準確，搗固受力均勻，搗后軌面平順，是控制軌道狀態質量的有效手段[9]。如何把平順性管理和以大機為主維修作業結合起來共同指導維修決策，是需要研究的課題。

本文在全面分析滬昆線浙贛段綜合檢測車軌道質量指數TQI數據的基礎上，提出適用于大機維修管理決策的軌道質量評價指數的概念，并利用統計學方法對其分布規律進行分析，為鐵路工務部門進行有砟軌道大機維修管理決策提供評價指標和理論依據。

1 軌道質量指數及數據來源

軌道質量指數是指200 m線路基本單元區段內左高低、右高低、左軌向、右軌向、水平、軌距以及三角坑7項軌道幾何尺寸不平順偏差的標準差之和[10]。單項指標計算公式為

式中:σi為各項幾何不平順偏差的標準差;X—i為基本單元區段內各項幾何不平順連續采樣點偏差值的算術平均值;n為采樣點個數，一般取800。

在鐵路線路養護維修中，通常是根據線路速度等級、養修作業方式采取不同的養護維修管理值。200～250 km/h速度等級線路的 TQI管理值[11]見表1。

表1 200～250 km/h速度等級線路的TQI管理值mm

本文所分析的TQI數據來源于鐵科院0號綜合檢測車2009年10月—2011年4月對滬昆線浙贛段的綜合檢測結果。經篩選，最后確定分析所用的檢測數據上行線有23次，下行線有21次。

2 大型養路機械搗固作業軌道質量評價指數

2.1 TQI的時間趨勢

以滬昆線浙贛段上行線(圖1)為例分析軌道質量指數隨時間的變化趨勢。

圖1 滬昆上行線TQI均值隨時間變化曲線

由圖1可知，在2010年3—5月，上行線TQI從3月19日的5.57下降到5月15日的5.13，下降幅度達到7.90%。在該時段內下行線TQI也同樣在下降。2010年3—4月滬昆線浙贛段上下行線路安排了一次大機維修作業，線路質量改善明顯，TQI出現了較為明顯的下降。維修作業對軌道質量改善的作用如圖2所示。

2.2 TQI各子項隨時間變化規律

滬昆上行線TQI指數各子項隨時間變化的趨勢如圖3所示。

從圖3可以看出，在一個維修周期內，左高低、右高低、水平、三角坑標準差均隨時間的增加而增加。而左軌向、右軌向、軌距標準差則增加有限，基本保持不變。上述規律表明，用左高低、右高低、水平、三角坑4項標準差代替傳統的TQI分析軌道質量隨時間的變化規律更合理。

2.3 大機作業對TQI各子項的影響規律

大機作業對線路總體質量改善明顯，但在基本作業條件及作業模式下，大機作業對TQI各子項有無改善作用，改善量值是多少，則需要進一步分析。為此選取幾段線路作業前后檢測數據進行具體分析，以滬昆上行線K434.400—K442.400為例，其作業前后檢測數據見表 2。從表 2中可以看出:滬昆上行線K434.400—K442.400大機作業后線路質量總體改善，區段TQI均值從作業前的6.002下降到作業后的5.354，下降0.648，下降幅度為10.796%;大機作業對高低、水平、三角坑有明顯改善作用;對軌距有輕微惡化作用，但幅值不大;對軌向的影響則存在離散性。

表2 滬昆上行線K434+400—K442+400大機作業前后檢測數據對比 mm

其它大機作業地段檢測數據也表現出相同的特點。因此，在大機作業維修管理中不應納入軌向和軌距兩項指標。

2.4 大機搗固作業軌道質量評價指數的提出

基于上述對TQI各子項隨時間變化規律以及大機作業對TQI各子項影響規律的分析可知，在以大機作業為主的綜合維修策略研究中，軌道幾何狀態偏差應重點分析左高低、右高低、水平、三角坑4項偏差。由此引入大型養路機械搗固作業軌道質量評價指數(Track Quality Index to Large Machinery Tamping Work，TQITW)的概念。它由左高低、右高低、水平、三角坑4項軌道幾何狀態指標組成，其表達式為

式中:σi分別為左高低、右高低、水平、三角坑4項軌道幾何狀態偏差的標準差。

3 大機搗固作業軌道質量評價指數分布

3.1 大機搗固作業軌道質量評價指數分布分析

根據2010—2011年上海局管內滬昆線浙贛段上下行線路TQITW數據，作直方圖及累計分布圖。2011年4月20日上下行線TQITW分布如圖4所示。

圖4 2011年4月20日滬昆線浙贛段TQITW值分布

由圖4可以看出，TQITW的分布與正態分布和α值較大的γ分布較為接近。為進一步確定其分布規律，需對數據作擬合檢驗。

3.2 大機搗固作業軌道質量評價指數分布檢驗

γ分布概率密度函數為

式中:x∈(0，+∞);α為形狀參數;β為尺度參數，其數學期望為αβ，方差為αβ2。

利用Matlab中kstest函數計算數據檢驗參數，部分計算結果如表3所示。其中，H=0表示數據服從γ分布。

表3 滬昆上行線TQITW數據γ分布參數計算

由表3可知，上行線的TQITW數據均服從γ分布。

為進一步檢驗TQITW數據服從γ分布的程度，對上述數據進行χ2擬合優度檢驗。在顯著性水平5%的情況下，對分布適應性計算結果進行評價，評價結果見表4。

表4 分布適應性評價結果(χ2值)

從表4可以看出，在置信度為95%的情況下，上述數據均服從γ分布。利用上述同樣的方法，對其它數據進行統計和χ2擬合優度檢驗，也均滿足χ2檢驗的要求，因此可以認為大機搗固作業軌道質量評價指數數據服從γ分布。

4 結論

本文通過對滬昆線浙贛段綜合檢測車檢測得到的軌道質量指數數據進行分析，得到以下結論:

1)在一個維修周期內，軌道質量指數各子項中左高低、右高低、水平、三角坑標準差均隨時間的增加而增加，而左軌向、右軌向、軌距標準差則基本保持不變。

2)大機作業對高低、水平、三角坑有明顯的改善作用，對軌距有輕微惡化作用，對軌向的影響則存在一定離散性。

3)在上述兩點的基礎上，提出大型養路機械搗固作業軌道質量評價指數(TQITW)的概念，用于以大機搗固作業為主要內容的綜合維修策略研究。該指數實現了設備狀態變化規律與作業手段之間的結合，有利于設備的科學管理。

4)對大型養路機械搗固作業軌道質量評價指數數據進行檢驗分析，發現其服從γ分布。為鐵路工務部門制定有砟軌道大機維修管理決策提供了理論依據。

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