軌道幾何狀態檢測基本原理和檢測技術研究

李 丹

（晉能控股山西煤業股份有限公司塔山鐵路分公司，山西 大同 037000）

引言

我國的貨運鐵路運輸正在不斷向高速化和重載化的方向發展，在行車密度越來越大的同時，線路的荷載也越來越重，出現軌道幾何形變的速度不斷加快，而鐵路維護部門面臨的現狀是維修工作量不斷增加，但是可開展維修作業的時間卻越來越緊迫，導致運輸和線路維護之間的矛盾越發突出。現代軌檢車的研制和計算機技術的大力推廣，給軌道幾何狀態檢測工作的開展提供了物質保障。如何基于大量離散型軌道幾何數據來對軌道區段的質量狀態進行評價，就成為養護計劃開展的重要依據。

1 軌道幾何狀態檢測基本原理

1.1 軌道幾何狀態概述

軌道幾何狀態就是指軌道各個部分的幾何形狀、尺寸情況和相對位置，具體指標包括軌道間距、水平和高低位置、三角坑等等。由于軌道會受到列車的反復荷載作用，因而軌道的幾何形狀、位置都難免會和建設初期有一定的變化，甚至出現軌道幾何不平順的問題。軌道的幾何不平順程度和荷載的作用之間有非常密切的關系。

軌道幾何狀態判斷中最為重要的標準就是軌道幾何形位的數值，幾何狀態的質量可以直接決定機車車輛運行的安全性，并且對設備的使用壽命、養護費用也有較大的影響，因而軌道幾何狀態管理成為鐵路工務部門工作的重要組成部分[1]。

軌道幾何不平順的情況是無法采用一項或幾項簡諧函數或者其他確定性描述來進行表述的。無論是有縫鐵路還是無縫鐵路，軌道當中存在的不平順都是鐵路里程的隨機函數，無論是波長還是波幅，都屬于隨機變量。而了解和運用這些隨機變量的變化規律，就可以對輪軌之間相互作用的問題進行研究，并對于機車車輛和軌道系統各種動力響應情況進行預測和分析，這也是現代機車車輛的設計、軌道的建設和養護、軌道和機車的質量評估中的重要分析手段。

與此同時，軌道隨機幾何不平順也有一定的波狀特性，其波長和波幅的變化范圍都較廣。這些數值和軌道結構以及類型之間的關系都較為密切，在一般情況下，長波幅值較大，而短波的幅值則較小，不平順情況也可以分為單波的不平順，也可能在幾個波長之間存在不平順。

上述特征也在現場調查和數據分析中得到了證實，軌道不平順波形沒有規則性，同時波長和幅值的變化幅度也較大。

1.2 軌道幾何狀態的評價與管理

相關研究證實，軌道不平順對于車輛運行的影響并不僅僅由于波幅，同時波長造成的影響作用也是較為明顯的。無論是長波長還是短波長，其不平順都會在很大程度上影響行車穩定性。具體來說，長波長軌道不平順會對列車的穩定性造成影響，而短波長和中波長的不平順則會更為嚴重，直接影響列車運行的安全性，因而國外對各種波長的不平順檢測都較為重視。當前法國鐵路對軌道不平順分為兩個等級進行管理，分別是傳統基長和擴展基長這兩個類型。而日本則分為10 m 中波和40 m 長波來檢測和管理軌道不平順問題。

判斷軌道不平順，并采取技術手段進行控制，在國外已經有了一定的研究成果，并且在實際應用中取得了成效。如法國、日本和德國等國的鐵路運輸都較為發達，這些國家基于本國鐵路運輸特點和軌道結構、鐵路平斷面和縱斷面的實際情況，制定了一系列鐵路軌道不平順的管理標準和控制措施，針對各級鐵路都形成了一套完善的制度體系，例如：軌道作業驗收、軌道日常養護、緊急不休和限速管理等等，這些都充分保證了軌道質量。

相較之下，我國對于軌道不平順控制的起步則較晚，上世紀八十年代才開始在該領域進行系統研究，但也已經有了一定的研究成果。例如：在“六五”——“八五”期間，對軌道不平順控制領域項目進行立項，對我國鐵路運行情況進行分析，并以此為基礎，出臺了比較完善的干線鐵路軌道不平順管理方法，包括有日常維護、施工驗收、緊急搶修和限速管理等等，并且在軌道和路基以及橋梁設計方面提出了較為詳細的標準。目前國內外研究成果和實踐成果都證實，線路平縱斷面和軌道平順性都會對列車的行車速度造成影響。如果軌道不夠平順，就會導致列車行駛過程中出現振動，并且隨著車速的提高，輪軌作用力也相應增加，嚴重時甚至會導致列車脫軌事故的發生。

如今隨著軌檢車等檢測設備的投入使用和計算機設備的推廣，我們可以獲得更加詳細而真實的軌道狀態數據信息。但是目前仍然需要分析大量的數據，客觀地評價軌道運行幾何形位狀態，這也是當前鐵路工務管理部門面臨的問題，關系到軌道幾何形位狀態、軌道使用壽命和維修費用等一系列問題，更直接影響到列車運行的安全穩定性[2-3]。

2 軌道幾何狀態檢測技術

2.1 軌檢小車測站間搭接

目前我國對運用軌檢小車來開展幾何狀態測量工作的規范要求較為籠統，且僅僅對于測量距離和步長以及換站搭接長度進行了一定的要求，對搭接輸出處理方式則沒有作出明確規定，因而不同的廠家在軌檢小車測站間的搭接方式上存在一定的差別。

部分全站儀設備換站采集過程中使用的是現場搭接，在這種搭接方式之下，使用一個里程會有一個對應數據，然而在搭接之后沒有進行相應的處理。現場搭接僅僅會帶著搭接區數據來進行搭接，但是并沒有考慮不同搭接區段之間的前后延續性，因而會導致波形圖失真，無法體現平順性指標，尤其是在部分換站偏差較大的數據分析，失誤的可能性較大。

2.2 后處理搭接方式

全站儀的換站過程中，不進行現場搭接的方式，而是將同一里程前后兩站的數據都進行記錄，因而搭接區同一個里程點當中就有兩組數據，在后處理的過程中重新進行搭接處理。其處理方式有兩種，分開處理和綜合處理。

分開處理是將搭接區的數據分別和前段、后段組成波形圖，從而讓搭接區分別與前段和后段構成平順性對比曲線，這樣可以在一定程度上保證平順性數據的統一性。綜合處理則是將搭接前后的曲線都體現在波形圖上，在搭接完成之后，再采集平順性指標。在個別情況下，由于搭接偏差較大，所以導致平順性指標的偏差也較大，因而可以在波形圖上進行驗證，并且結合搭接前的數據波形圖來評估軌道平順性情況。對比來看，筆者認為綜合處理是最優的搭接處理方法，可以有效提高搭接區段平順性，確保數據真實。

上述分析證實，搭接區數據處理方式的不同會直接影響軌道平順性評估的結果。當前我國對測站間的搭接處理方式并沒有出臺明確規定，經過大量的實踐和數據分析，筆者認為，將波形圖和平順性指標結合起來，同時采用綜合處理后搭接方式具有較好的使用效果。在測站間搭接技術使用的過程中，應當對該方法進行分析和完善，形成規范的處理規程，這樣才能從根本上確保換站搭接區之間軌道平順性數值的相同性。

2.3 軌檢數據的處理

在軌道精調的工作中，需要遵循“先整體、后局部”的原則，但是在實際處理工作當中，該原則的執行并不到位，很多施工單位片面地按照之前的數據來進行分析，而沒有從整體上把握軌道數據。如下頁圖1 所示，該軌道的平順性指標數據是符合鐵路軌道幾何狀態控制指標的，但是如果按照“先整體、后局部”的原則重新進行審視，則發現框內區域應當予以調整，否則該區域當中可能會導致出現列車加速度。所以這樣看來，如果沒有從整體上審校數據，則無法發現該軌道中存在的不平順現象。很多施工單位由于沒有從整體上評估鐵道幾何狀態，所以往往會形成較大的隱患，給后續運營維護管理工作的開展也帶來不便。因此，對軌道幾何狀態進行評估，可以分別審查局部情況和整體情況，從而更全面地監控軌道幾何狀態。

圖1 大區段鋼軌精調整體分析波形

3 結語

隨著我國鐵路貨運的不斷發展，鐵路軌道幾何狀態管理這個傳統領域也面臨著新的挑戰，面對越來越高的要求，我們也應當不斷結合最新的技術，更加科學地開展軌道幾何狀態檢測工作，并實現鐵道管理的科學化和自動化。軌道管理在我國雖然有了較長的歷史，但隨著技術的不斷發展，也出現了更多的研究方向，其中很多領域的研究仍然處于摸索階段。在未來，隨著更多新技術的投入使用，對軌道幾何狀態變化規律的認識和理解也將得到提升。