龔國甦 上海鐵路局上海工務(wù)段

徐濟(jì)松 中國鐵道科學(xué)研究院

近幾年，我國鐵路建設(shè)步入了快速發(fā)展階段，其建設(shè)規(guī)模、速度和效率，是世界鐵路建設(shè)史上罕見的。隨著武廣、鄭西、京滬等高等級線路陸續(xù)開通運(yùn)營，標(biāo)志著我國鐵路已經(jīng)步入高鐵時(shí)代，同時(shí)也對線路養(yǎng)護(hù)維修工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，隨著高速鐵路的開通運(yùn)行，由于客觀因素，基于線路兩側(cè)的CPIII精密控制網(wǎng)陸續(xù)出現(xiàn)了滑移、沉降，甚至遭到破壞等問題，嚴(yán)重影響了進(jìn)口設(shè)備的正常使用。中國鐵道科學(xué)研究院研制的激光長弦軌道檢查儀具有高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)，能直接檢測線路的長短波不平順，為線路養(yǎng)護(hù)維修提供了科學(xué)依據(jù)。

1 激光準(zhǔn)直技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢

自上世紀(jì)60年代激光問世以來，由于其強(qiáng)度大、方向性好，很快被用作準(zhǔn)直光源。激光束的橫斷面能量分布呈高斯曲線型，其能量中心是一條極為理想的直線，且該光束具有亮度高、方向性好、能量集中等其它光束無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因而是準(zhǔn)直測量的理想光束。多年研究表明激光仍不失其在準(zhǔn)直領(lǐng)域中最突出的地位。

激光準(zhǔn)直技術(shù)在軌道線路檢測中具有距離遠(yuǎn)、精度高等優(yōu)點(diǎn)。在天氣條件良好的條件下，激光準(zhǔn)直距離可達(dá)200 m甚至更遠(yuǎn)，即可以檢測軌道線路200 m波長的不平順性。從而為檢測長波不平順提供很好的檢測手段，這也是其優(yōu)于手工弦線檢測和其它短弦檢測的根本特性。

2 激光長弦軌道檢查儀簡介

激光長弦軌道檢查儀由鐵科院鐵建所自主研制，主要由兩部分組成：激光發(fā)射小車與激光接收小車。在激光發(fā)發(fā)射小車上安裝一臺激光發(fā)射器，能發(fā)射出一束直徑10 mm的激光束；在激光接收小車上安裝一臺兩維CCD激光接收器。如圖1所示。

圖1 激光長弦軌道檢查儀實(shí)物圖

2.1 測量原理

將激光長弦軌道檢查儀的發(fā)射小車和接收小車分別固定在軌道上的指定位置，由激光發(fā)射小車與激光接收小車之間的激光束建立“理論弦線”。在接收小車向發(fā)射小車推進(jìn)的過程中，由安裝在激光接收小車上的接收器檢測出其相對于光束基準(zhǔn)在橫向和縱向上的偏差。結(jié)合里程測量、軌距測量和超高測量的數(shù)值便可以檢測出軌道的幾何狀態(tài)參數(shù)。測量系統(tǒng)原理示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理示意圖

其中，1—激光發(fā)射器；3—線路；4—理論曲線；Fr—激光束；R—曲線半徑；G—最大測量間距；A0，A1，A2，A3，A4—兩維CCD 接收器的測量點(diǎn)；S1，S2，S3，S4—測量間距。

式中：f0，f1，f2，f3，f4為理論曲線上的點(diǎn)到激光束Fr的距離，由計(jì)算機(jī)依據(jù)曲線方程及相關(guān)參數(shù)計(jì)算出。

fm0，fm1，fm2，fm3，fm4為實(shí)際曲線上的點(diǎn)到激光束Fr的距離，由兩維CCD接收器測得。

y0，y1，y2，y3，y4為理論曲線上的點(diǎn)的偏差值。

2.2 主要技術(shù)特點(diǎn)

（1）直接檢測軌道線路長短波不平順。

采用激光準(zhǔn)直技術(shù)，通過激光束直接測量軌道的軌向與高低，沒有原理性誤差，并具有較高的測量精度。激光長弦的使用，有效擴(kuò)大測量基準(zhǔn)弦的長度，可以直接測量軌道的長波不平順，真實(shí)反映軌道狀態(tài)，這是優(yōu)越于手工弦線和其它短弦檢測設(shè)備的最根本的特點(diǎn)。在天氣條件良好時(shí)一次測量距離可達(dá)200m。特別是在隧道內(nèi)，其一次測量距離可達(dá)300m。

（2）測量結(jié)果不僅能指導(dǎo)無砟軌的調(diào)整，還能直接指導(dǎo)搗固車作業(yè)。

數(shù)據(jù)報(bào)表結(jié)果可以作為線路竣工驗(yàn)收的設(shè)備，指導(dǎo)無砟軌道的調(diào)整。同時(shí)其檢測結(jié)果也可以直接用來指導(dǎo)有砟線路維護(hù)作業(yè)，消除軌道線路的長波不平順。

（3）具有較高的測量精度和較好的測量重復(fù)性，測量速度快。

通過大量的檢測試驗(yàn)表明，該檢查儀測量速度快，數(shù)據(jù)重復(fù)性好。

（4）既可以相對測量，也可以絕對測量。

配合鋼卷尺、水準(zhǔn)儀等輔助設(shè)備，檢測出激光發(fā)射點(diǎn)和接收器起點(diǎn)的絕對位置偏差。利用這兩個(gè)絕對偏差數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)激光基準(zhǔn)弦的絕對定位，從而將相對測量數(shù)值轉(zhuǎn)換為絕對偏差數(shù)值。

利用測量數(shù)據(jù)結(jié)果，既可以實(shí)現(xiàn)軌道線路位置的絕對控制，又可以得出內(nèi)部的相對平順性的參數(shù)。這也能滿足德國標(biāo)準(zhǔn)中的對內(nèi)部幾何精度和外度幾何精度的控制，內(nèi)部檢測具有較高的幾何精度，外部控制能滿足絕對位置等要求。

2.3 主要檢測項(xiàng)目

在良好天氣條件下，直線段最大測量距離為200 m；曲線段測量距離則與曲線半徑有關(guān)。

軌道線路的高低與軌向是用激光長弦來直接檢測，可以將長弦測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成短弦數(shù)據(jù)，弦長可靈活設(shè)定，而且短弦數(shù)據(jù)的測量精度和重復(fù)性都較好，完全能滿足客運(yùn)專線的精調(diào)與維護(hù)需要。

主要檢測項(xiàng)目有：高低、軌向、軌距、水平、扭曲、軌距變化率與里程。

主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 性能指標(biāo)表

3 激光長弦軌道檢查儀在京滬高鐵病害整治中的應(yīng)用

3.1 直接檢測線路長波不平順

2011年10月13日，上海鐵路局蚌埠工務(wù)段測量班組于天窗作業(yè)時(shí)間利用激光長弦軌道檢查儀對京滬高鐵蚌埠南站站內(nèi)27519#板1#枕~27563#板10#枕約300 m區(qū)段進(jìn)行了平順性檢測。測量任務(wù)由三次搭接測量完成，單次測量距離控制在120 m，搭接長度約20 m，由系統(tǒng)軟件將三次測量結(jié)果進(jìn)行連接，并輸出最終報(bào)表，如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

圖3 27519#板1#枕~27563#板10#枕長弦軌向圖

圖4 27519#板1#枕~27563#板10#枕長弦高低圖

圖5 27519#板1#枕~27563#板10#枕水平偏差圖

圖6 27519#板1#枕~27563#板10#枕軌距偏差圖

另據(jù)現(xiàn)場反映，該區(qū)段已進(jìn)行多次精調(diào)作業(yè)，線路狀況與檢測結(jié)果基本一致，進(jìn)一步說明了激光長弦軌道檢查儀具有高效率、高精度等特點(diǎn)，能方便快捷查找病害點(diǎn)，為工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修提供了科學(xué)的解決辦法。

3.2 精確指導(dǎo)現(xiàn)場精調(diào)

2011年10月10日，利用激光長弦軌道檢查儀對京滬高鐵黃渡2#道岔進(jìn)行了病害整治工作。按照激光長弦軌道檢查儀測量結(jié)果，對局部線路進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整前后如圖7所示。

圖7 京滬高鐵黃渡2#道岔作業(yè)前后軌向?qū)Ρ葓D

由圖3~圖5可見，該測量段存在的軌向不平順被準(zhǔn)確測量出，并被有效的消除。因此，激光長弦軌道檢查儀在病害整治中具有高效率、高精度等優(yōu)點(diǎn)，能準(zhǔn)確反映病害位置并可實(shí)時(shí)指導(dǎo)施工。

4 結(jié)束語

隨著鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，軌道精調(diào)與維護(hù)工具也急需要進(jìn)一步改善，僅靠人工肉眼和手工弦線的檢測辦法已無法滿足當(dāng)前線路維護(hù)的需求。

激光長弦軌道檢查儀采用了激光準(zhǔn)直技術(shù)，不但可以直接檢測軌道線路的長波不平順，還可以檢測短波不平順。既可以在直線區(qū)域進(jìn)行檢測作業(yè)，又可以在曲線段進(jìn)行。在靈活性、精度、效率上都能很好的滿足當(dāng)前軌道線路的精調(diào)和維護(hù)需求。