现代铁路轨道不平顺与病害动态检测

第1章 绪论 作为*具可持续性的交通运输模式，轨道交通是国民经济大动脉、大众化交通工具和现代城市运行的骨架，是国家的关键基础设施和重要基础产业，对我国经济社会发展、民生改善和国家安全起着不可替代的全局性支撑作用。轨道交通科技持续自主创新更是国家通过实施“创新驱动发展”战略全面支撑“新型城镇化”“区域经济一体化”“一带一路”“制造强国”和“走出去”战略的全局性重要基础保障；对建设创新型国家，构建现代综合交通运输体系，实现全面建成小康社会目标，具有重大意义。 2014年，我国城市轨道交通建设和投资继续保持高增长，建设规模持续扩大。特别是国家发展和改革委员会连续出台了多个政策性文件，为城市轨道交通发展创造了更加有利的政策环境。新线投产规模创历史*高纪录，铁路营业里程突破11.2万公里。高速铁路营业里程超过1.6万公里，稳居世界**。中西部铁路建设掀起高潮，营业里程达到8万公里，占全国铁路营业总里程的62.3%。目前，以“四纵四横”为主骨架的高速铁路网已初具规模，并全部开工建设，其中京沪、京广深、哈大、沪杭深“四纵”高铁已建成通车；石家庄至太原、济南至青岛、郑州至西安至宝鸡、南京至武汉至重庆、杭州至南昌等“四横”部分段落已建成通车，未建成路段大部分在“十三五”期间全部建成。 截至2014年12月31日，全国开通运营城市快速轨道交通线路的城市共计22座，运营线路共计83条，运营线路总长为2699.6km，运营车站共计1770座；全国开通运营现代有轨电车线路的城市共计8座，运营线路共计13条，运营线路总长为180.3km，运营车站共计202座。2014年全国新增开通运营城市快速轨道交通线路的城市3座（无锡、宁波、长沙），新增运营线路9条，新增运营线路长度373.6km，新增运营车站251座；全国新增开通运营现代有轨电车线路的城市共3座（南京、苏州、广州），新增运营线路5条，新增运营线路长度83.7km，新增运营车站58座。 2014年4月3日，完全自主化的中国北车股份有限公司（简称中国北车）CRH5型动车组牵引电传动系统通过了中国铁路总公司组织的行业专家评审；10月22日，完全自主化的中国北车CRH5型动车组列车网络控制系统（“高铁之脑”）通过中国铁路总公司组织的技术评审，获准批量装车，成为国内首个获准批量装车运行的动车组列车网络控制系统。随后，装载中国北车自主化牵引系统的CRH5A型动车组在哈尔滨铁路局开展正线试验；11月25日，装载“中国创造”牵引电传动系统和网络控制系统的中国北车CRH5A型动车组进入“5000公里正线试验”的*后阶段。这是国内首列实现牵引电传动系统和网络控制系统完全自主创新的高速动车组，标志着中国高铁列车核心技术正实现由“国产化”向“自主化”的转变，中国高铁列车实现由“中国制造”向“中国创造”的跨越，将大力提升中国高铁列车的核心创造能力，夯实中国高铁“走出去”的底气。 我国超过14万公里（其中高速铁路、城际快速2万多公里）的铁路总运营里程、超过6000多公里的城市轨道交通、不断加速的新型城镇化进程和众多经济圈、“走出去”和“一带一路”战略的实施，均使我国轨道交通国内外市场需求迅速扩大。 钢轨作为轨道的主要组成部件，与运营列车的车轮直接接触，为列车车轮的滚动提供连续平顺且阻力*小的环境，故钢轨工作状态的好坏对于城市轨道交通车辆的安全运营及乘坐舒适性至关重要。然而随着城市轨道交通运营年限及客运量的增加，钢轨必然会出现各式各样的伤损。目前，城市轨道交通检测主要通过人工检测或轨检车检测来完成。人工检测是通过弦线、轨道检查仪等对轨道几何形位进行的检测，因此工务人员的劳动强度极大，且效率极低；轨检车检测大多使用一些光学元件、位移传感器、伺服系统等组成轨道几何形位检测系统，自动化程度相对较高，但系统的复杂性使得其易受外界环境干扰且易失效，从而维修量大，同时轨检车的检测周期也较长，不能够实时地发现一些严重的轨道不平顺［1-4］。因此在城市轨道交通高速发展的现状下，传统的人工检测及轨道检测车按固定周期检测线路的措施已远远无法满足未来轨道运营对安全状态检测的要求。 本书提出的基于运营车辆的轨道病害检测方法，可通过普通列车车载测量实现，大幅降低了检测成本。由于其同时具有相比于轨检车的成本优势及相比于轻型轨道检测小车的高速性，所以能够实现高密度线路上轨道平顺状态的高频率检测，从而能够更及时地为工务部门提供线路状态，了解轨道线路的平顺状态和变化规律及变化程度，为合理安排线路的养护和维修工作，及时做出维修决策具有重大意义，并具有十分可观的经济和社会效益。 1.1 轨道检测概述 1.1.1 轨道不平顺的基本知识 轨道线路的平直区段，钢轨在左右方向和高低方向相对于标准的平直轨道位置产生差异，这种几何参数的差异称为轨道的不平顺。轨道没有车轮载荷作用时的不平顺状态称为静态不平顺；当列车在轨道线路上运行时，列车载荷产生的轮轨作用将会引起轨道不同程度的弹性下沉，此时产生的轨道不平顺称为动态不平顺［5］。由于轨道不平顺的随机性，列车运行过程中产生的不同程度的振动也是随机分布的。轨道不平顺是导致列车振动的主要激扰源，是影响列车安全运行的重要因素，如果任其长期累积恶化，将会对轨道线路的结构强度和稳定性产生重要影响。 就轨道系统而言，在列车运行过程中，随着时间的积累，列车车轮与轨道直接的相互作用必然导致轨道在几何形态上不断发生变化，这种变化即轨道的几何不平顺。通常来说，按照列车运行过程中轨道不平顺对机车车辆的激扰方向不同可将轨道不平顺分为横向不平顺、垂向不平顺和复合不平顺；按照轨道不平顺的波长特征可将轨道不平顺分为短波不平顺、中波不平顺和长波不平顺［6］。每种类型的轨道不平顺都会影响列车在运行过程中的安全运行、乘客的舒适度。长期的累积不平顺将会严重影响轨道设备的使用寿命，对轨道不平顺检测的实时性和准确性显得非常重要。 1.按对机车车辆的激扰方向分类 按对机车车辆的激扰方向，轨道不平顺分为如下几种。 （1）高低不平顺：沿着列车运行方向由路基或道床的不均匀沉降等造成的垂直方向上的凹凸不平，如图1.1所示。由于左右两个钢轨的起伏变化趋势不一定相同，高低不平顺还分为左轨高低不平顺和右轨高低不平顺。 图1.1 轨道高低不平顺 （2）水平不平顺：在轨道的同一个截面上由轨道左、右轨的高低起伏不同造成的左、右两轨轨面的高度差。需要指出的是，在弯道时水平不平顺是指左右两轨轨面的高度差减去正常的超高值，而在直线轨道时是指两轨轨面的高度差（图1.2）。造成水平不平顺的原因主要是左右轨道结构强度不同或左右轨道受力不均匀等。 图1.2 轨道水平不平顺 （3）扭曲不平顺：左右两钢轨顶面相对于轨道平面的扭曲，又称三角坑（图1.3）。可以由选定基长的两个水平截面水平不平顺的差值计算得到，轨检车通常采用2.5m的基长。本书采用的上海地铁0117号列车同一转向架的两轴距也为2.5m。 图1.3扭曲不平顺 （4）轨距不平顺：轨道同一截面中，距离钢轨顶面下内侧16mm处左、右两钢轨间距与标准轨距（1435mm）的偏差，如图1.4所示。 图1.4 轨距不平顺 （5）轨向不平顺：轨头内侧沿轨道长度方向的横向凹凸不平顺，即轨道方向不平顺。形成此类不平顺的原因可能是铺轨施工，整道作业的钢轨中心线存在位置偏差，轨排横向变形积累和轨头侧面的不均匀磨耗、扣件失效、轨道横向弹性不一致等。与高低不平顺一样，轨向不平顺也分为左轨轨向不平顺和右轨轨向不平顺，如图1.5所示。 （6）复合不平顺：在一段轨道的某一位置或在影响列车运行性能的范围内，轨道横向和垂向不平顺同时存在的情况。横向不平顺包括轨向不平顺、轨距不平顺；垂向不平顺包括高低不平顺、水平不平顺、扭曲不平顺。通常来讲，列车运行线路的轨道不平顺都表现为复合不平顺类型。 图1.5 轨向不平顺 2.按波长特征的轨道不平顺分类 轨道上存在着各种不同波长的不平顺，波长从几厘米到几十米都有，按照波长的长度可分为短波不平顺、中波不平顺、长波不平顺。对按轨道不平顺波长分类的详细描述见表1.1［7］。 表1.1 轨道不平顺波长及特征［8］ 3.轨道不平顺造成的影响 轨道不平顺是列车运行过程中主要的激扰源，也是造成轮轨作用力变大以及机车车辆强烈振动的主要原因，会严重影响列车运行的安全性和乘客的舒适性。另外，轨道不平顺也是导致轨道设备使用周期缩短的主要原因。国外的研究显示，各种不同类型的轨道不平顺对轨道设备都有着直接或间接的影响，同时不同类型的轨道不平顺也会导致不同类别和程度的差异，具体描述见表1.2和表1.3。 表1.2 按照车辆激扰作用方向划分的轨道不平顺及影响［7，8］ 表1.3 按波长划分的不平顺及影响［9，10］ 1.1.2 轨道病害的基本知识 钢轨作为城市轨道交通的重要组成部件，其工作形态是一根在点支撑或连续弹性基础上的无限长梁，主要承受机车轮载作用下的弯曲应力、轮轨接触应力，钢轨轨头与轨腰或轨腰与轨底连接处的局部应力，以及由温度变化引起的温度应力，并且起着引导机车车辆沿规定方向运行、将来自车辆的冲击和荷载传至轨枕及扣件上的作用，故钢轨的强度和安全状态直接影响城市轨道交通车辆运行的安全、平稳。钢轨各部位的受力类型如图1.6所示［11］，在承担繁重的运输压力时，钢轨在上述各种应力等作用下会产生各种形式的伤损。钢轨伤损是指钢轨发生裂纹、折