便捷式軌道動態幾何狀態測試裝置

范 信

(徐州地鐵運營有限公司，徐州 221000)

從2016年開始，我國城市軌道迎來了如火如荼的發展。現階段和未來一段時間內，隨著運營里程的增加，城市軌道領域逐漸凸顯出以下問題：軌道不平順導致車輛安全性受到影響，嚴重時可能還會出現脫軌、顛覆、傾倒等嚴重事件；人工檢軌、修軌和維護的成本都很大，而且人工存在目視誤差，不同人檢查結果存在差異性，會有漏檢、錯檢等情況；運營壓力增加，夜間天窗點時間日益縮短，提供給人工或者軌檢車檢修的時間也越來越少。

中華人民共和國交通運輸部于2019年2月發布了《交通運輸部辦公廳關于印發〈城市軌道交通初期運營前安全評估技術規范 第一部分：地鐵和輕軌〉的通知》(交辦運〔2019〕17號)(該規范后文簡稱“評估技術規范”),明確要求地鐵在城市軌道交通初期項目運營前首先需要經過系統全面的安全檢測和評估,包括對輕軌、柴電客車進行輪軌關系檢測、狀態安全檢測和動態幾何檢測，而其中地鐵軌道的動態幾何和狀態安全檢測是重點基礎性項目。

此外，軌道幾何參數檢測是線路維修和保養的依據，通過對軌道幾何參數檢測，判斷軌道幾何尺寸超限情況和變化規律，得以及時、合理地安排線路維修和保養計劃，消滅幾何尺寸超限情況，防止行車事故，確保行車安全暢通。[1-3]

便捷式軌道動態幾何狀態測試裝置安裝在電客車上，可靈活安裝、靈活拆卸，線路檢測可不占用天窗點的時間，安全性高，一方面可以作為線路開通前安全評估的依據，另一方面可為以后的檢修維護提供支撐。

1 整體設計

便捷式軌道動態幾何狀態測試裝置如圖1所示。

圖1 便捷式軌道動態幾何狀態測試裝置

整個系統架構可以分為以下3個單元：① 慣性測量與數字激光測量單元：傾角儀、加速度器、陀螺儀、電子標簽掃描儀、左右2個2D傳感器[1-2]；② 數據采集單元：數據采集箱、速度編碼器；③ 數據處理單元：工控機、打印機。數據處理單元和數據采集單元之間用交換器連接。這3個單元各自的功能具體如下：

(1) 慣性測量與數字激光測量單元。將二維的數字慣性測量激光軌道位移的傳感器和數字的慣性測量激光傳感器測量單元(陀螺儀、加速度計、傾角儀)直接安裝在物體和軌道的激光位移檢測梁中,利用二維的數字慣性測量激光位移傳感器測量單元的連接來測量一個物體平行運動過程中軌道的位移加速度和軌道輪廓的位移加速度等信息,利用二維的數字慣性數字單元與慣性激光傳感器測量單元的連接來測量軌道檢測梁[2]。

(2) 數據采集單元。其主要是調整理正傳感器信號、完成空間的采樣、數據的采集3個項目，這3項都在數據采集箱內完成，完成后通過以太網或類似性質的方式傳輸給工控機，以便進行下一步的處理工作。

(3) 數據處理單元。數據采集單元通過連接交換機的方式運輸數據，工控機接收到從數據采集單元上所采集到的數據后，在算法軟件內完成數據處理，與此同時在算法軟件中得到相應的軌道幾何參數，從而實現數據的波形圖顯示和存儲等其他功能。

2 安裝方案

將軌檢梁安裝在構架或者車體上，采集傳感器信號至車內數據存儲終端進行數據處理，得到軌道幾何參數，同時通過光電編碼器(速度傳感器)實現電客車數據的精確定位。

軌檢梁是軌道幾何參數檢測中最重要的設備，由2D激光位移傳感器和慣性包組成，采用便攜安裝方式，可快速安裝快速拆除，不會對列車造成任何影響。為保證檢測準確性，建議將軌檢梁安裝在轉向架構架上。為便于設備安裝，需要車輛廠在構架或車體上預留與軌檢梁相匹配的安裝接口。

軌檢梁轉向架安裝方式左視圖如圖2所示，軌檢梁轉向架安裝方式俯視圖如圖3所示，為軌檢梁安裝在轉向架構架上的總成情況；其中軌檢梁安裝在轉向架端部，采用螺栓連接方式固定，便于拆卸。軌檢梁轉向架安裝主視圖如圖4所示。

圖2 軌檢梁轉向架安裝方式左視圖

圖3 軌檢梁轉向架安裝方式俯視圖

圖4 軌檢梁轉向架安裝主視圖

光電編碼傳感器安裝在輪軸端上或由車輛提供速度信號，主要功能是計算車輛運行速度，實現數據準確定位，保證250 mm的采樣間隔；為了能夠更好地測量車體橫向和垂向的加速度，傳感器需安裝在軌檢梁正上方；數據存儲的終端主要為工控機，可就近放置在客室中。

3 檢測原理

3.1 軌距檢測原理

軌距傳感器原理是激光控制的數字軌距傳感器對左右兩鋼軌的內側斷面輪廓數據進行高精度的采集(如圖5中G),利用傳感器得到的二維橫坐標對數據進行高精度的采集和計算測到的數據即為軌距[3]。軌距檢測原理如圖5所示。

圖5 軌距檢測原理

3.2 高低檢測原理

軌道高低不平順的計算運用慣性基準法原理，平衡質量塊為軌檢車上面的軌檢梁，基準為左、右兩邊的高低加速度傳感器，輔以兩個激光傳感器所得到的坐標數據進行補償和修正，從而得到軌道的左、右高低[4]。高低檢測原理如圖6所示。

圖6 高低檢測原理

3.3 軌向檢測原理

現階段，關于軌向的計算和測量方法主要有兩種。第一種是通過軌檢車采用二維慣性測量基準法的流體動力學的原理,以裝在軌檢車上面的傳感器和軌檢車縱向橫梁傳感器作為軌向的質量塊；第二種慣性加速度的測量，則是以軌檢車橫向的慣性加速度測量傳感器的質量塊為基準，輔以二維激光對軌向坐標傳感器的數據加以誤差補償與修正后得到數據，即為軌道的左軌向和繞軸線的右軌向數據[5]。

軌向的計算是采用慣性基準法的原理，以軌檢車上面的軌檢梁作為質量塊，以橫向加速度傳感器作為慣性測量基準，結合二維激光傳感器的坐標數據進行補償修正，可得到軌道的左軌向和右軌向。

3.4 水平(超高)檢測原理

超高指曲線段軌道上同一個橫截面的左軌頂面與其右軌頂面相對高度差與水平面的相對高度差,水平的超高定義雖然是與超高類似，但實際上不含曲線段線路自身原本就需要設置的超高順坡量。可以利用曲線段的軌距和軌檢梁傾斜角的三角關系直接求得曲線段的水平(超高)[2]。水平(超高)檢測原理如圖7所示。

圖7 水平(超高)檢測原理

3.5 三角坑檢測原理

三角坑軌道相對扭曲的基本定義是左右兩軌頂面相對高度的水平高于左右兩個軌道中心點的基長相對平面,用兩軌之間相隔一定的空間和距離的2個三角坑軌道中心基長相對高度水平的代數差來進行計算。三角坑軌道扭曲的基本數值一般按照軌道學規定的公式計算。列車鋼軌頂面的平面性可以通過扭曲值直接體現，即如果扭曲值超出合理范圍，則存在扭曲的情況，會出現列車的車輪太高面懸空，導致車輪在行進時出現三點支撐一點的懸空，極易直接造成列車脫軌掉道。故脫軌列車需盡可能地保持自身的相對平面性,防止車輪的扭曲[6]。三角坑檢測原理如8所示。

圖8 三角坑檢測原理

3.6 曲線半徑和曲線變化率檢測原理

曲線半徑和曲線變化率檢測原理如圖9所示。曲線檢測軌道半徑的大小曲率檢測通過對基長為30 m弦長的曲率值進行檢測計算而來,L一般可以直接取值為30 m。只要利用它與速度、搖頭陀螺的角度等關系,即可直接求得相應的曲率。通過利用所需要測得的圓心角與檢測曲率值的關系，結合圖中曲線與幾何的關系，便可直接求得相應的曲線半徑大小[7]。

圖9 曲線半徑和曲線變化率檢測原理

曲線變化率以2.5 m 基長的兩個曲率值之差除以基長所得。

3.7 鋼軌垂直以及側面磨耗測量原理

激光器向一個新的鋼軌內側軸的縱和橫軸方向投射，構造出可以垂直于這個鋼軌內側軸的縱和橫軸相反方向的可見光平面,在這個過程中鋼軌內側的縱和橫軸線在鋼軌表面的縱和橫軸上的投射形成兩條光線，可以同時用于直接觀察和測量鋼軌運動和位移的光條。通過使用激光器和運動位移坐標檢測儀的位移傳感器，可以快速獲得和精確測量到激光條在這個物體光運動平面的軸坐標系下的位移坐標。

提取標準鋼軌模板輪廓和線中軌頭上端點腰圓弧段圓心和輪廓線中軌頭下端點2個圓心特征實測點的空間幾何坐標值;由2個圓心的特征點以及對比生成標準的鋼軌模板橫截面輪廓的空間和幾何坐標關系動態計算生成的標準輪廓線模板;將標準鋼軌的實測模板橫截輪廓和對比關系動態計算生成的輪廓線和標準鋼軌模板橫截輪廓的空間幾何坐標關系映射到鋼軌實測量的坐標系下,對比關系動態計算生成所獲得的鋼軌模板垂直以及側面的磨耗值[8]。

3.8 車體垂直、橫向加速度測量原理

把加速度傳感器安裝在車體上，通常安裝于車體前端，采集傳感器原始數據。

4 里程定位

便捷式的軌道動態傳感器和幾何狀態脈沖信號測試系統裝置結合光電編碼器的脈沖信號,以便捷式的光電編碼器脈沖和狀態信號為測試基準進行測試[9]。光電編碼器不可避免地存在累積的誤差，并且列車行駛距離越長，這種光電編碼器所造成的誤差就會越多。因此，在軌道線路特征點的位置應該加裝電子標簽，通過電子標簽信息對里程進行修正補償的數據會更加準確。

電子標簽是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號來識別目標對象并獲取相關數據，軌道幾何參數檢測系統用電子標簽來修正光電編碼器里程累積的誤差，電子標簽的信息是該電子標簽所在位置的里程信息。

5 應用案例

徐州地鐵1號線運營車輛每趟列車由6輛車組成,最高設計運行速度80 km/h。2019年8月,為了檢測徐州客運地鐵1號線運營軌道的動態幾何狀態系統是否完全符合標準及設計的要求,依據評估技術規范,對運營徐州地鐵1號線的車輛進行了軌道安全檢測系統型式的試驗。

將便捷式軌道幾何狀態檢測裝置(TDJC-X)安裝在電車上，采集傳感器信號至車內數據存儲終端進行數據處理,得到軌道幾何參數,同時通過光電編碼器(速度傳感器)實現電客車數據的精確定位。徐州地鐵1號線電客車安裝便捷式軌道幾何狀態檢測裝置示意如圖10所示。

圖10 徐州地鐵1號線電客車安裝便捷式軌道幾何狀態檢測裝置示意

安裝便捷式試驗軌道的集合運行狀態統計測試裝置的交流電傳動客車在運營線上以60 km/h的速度運行1 h往返。根據本次線路的試驗,對被測車輛軌道的動態和幾何集合狀態統計數據的最大值進行了分類集合狀態統計,區間集合狀態統計的最大值包括各個軌道參數的最大值超出軌道評價允許值的最大值,超出軌道評價允許值的軌道位置以及數量等相關信息。為了準確測量線路試驗軌道的區間幾何狀態,主要以本次線路試驗軌道運行過程中產生的1.5～42 m軌道的波長測量范圍軌向高低不平順、1.5～42 m軌道的波長測量范圍軌向不平順、軌距、軌距的加速度變化率、水平、三角坑、車體軌道橫向的加速度、車體軌道垂向的加速度、軌道不平順質量指數(TQI)等相關指標數據來進行綜合分析評判被測軌道的性能。

軌道幾何狀態局部幅值評價允許值如表1所示。

表1 軌道幾何狀態局部幅值評價允許值

TQI是通過數學統計的方法體現軌道區段的質量狀況，是左右軌向、軌距、左右高低、水平和三角坑七個動態參數的統計結果，計算公式如下：

(1)

式中，σi為各項幾何偏差的標準差(mm), 計算公式如下：

(2)

式中，Xi各項的幅值幾何統計算術函數偏差在一個可以單元化的區域中，連續兩個采樣點的幅值幾何算術偏差大于幅值的幾何算術函數偏差稱為平均值(mm)。該指數與軌道平順性有密切關系，表明區段內軌道狀態離散程度；數值越大，表明軌道平順性越差、波動越大，是一個綜合評價線路質量的指數。

參照評估技術規范，徐州軌道地鐵1號線區段運行質量(均值)的評價結果在允許值的范圍內,軌道的幾何狀態參數和局部峰值檢出值參數均超出評價結果允許值共16處。其中,上行7處，包括右高低超限4處,左高低超限2處,右軌向超限1處；軌道下行9處，包括右高低超限5處,左高低超限3處,右軌向超限1處。軌道幾何狀態檢測為城市軌道交通初期運營前安全評估中包含的測試之一(輪軌關系測試)，測試超限需整改，整改并通過初期運營前安全評估后才能開通運營[10]。

6 結語

便捷式軌道幾何動態檢測裝置將軌檢梁安裝在軌道的構架或者是車體上,采集軌道速度傳感器的信號，將車內數據傳送到存儲處理終端進行數據處理,得到電客車軌道的幾何狀態參數,同時通過二維數字光電編碼器(數字速度位移傳感器)，可以實現拆卸式電客車軌道數據的自動化和精確定位。

除了初期運營前安全評估需要測試軌道幾何參數外，在運營維護階段也需要定期檢測，檢測結果應用于軌道維護保養。將軌檢梁安裝在拆卸式電客車上，可靈活安裝靈活拆卸,線路的檢測可不占用軌道和天窗點的資源和時間,安全性高,一方面軌檢梁可以直接作為電客車線路檢測對開通前安全狀況進行評估的依據，另一方面可為以后的檢修和維護工作提供技術支撐,具有非常高的實用價值。