金花

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載車軌道剛度檢測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用

金花

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

介紹移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載車軌道剛度檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理和實(shí)施方案，分析該系統(tǒng)在既有重載、普速線路及新建重載線路上的檢測(cè)數(shù)據(jù)。分析結(jié)果表明:軌道剛度檢測(cè)系統(tǒng)能應(yīng)用于不同鐵路線路，并可在恒定荷載下對(duì)軌道剛度進(jìn)行非接觸式、快速、高精度的靜態(tài)和移動(dòng)檢測(cè);重載鐵路和普速鐵路試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)，橋梁、隧道地段的軌道垂向剛度大于路基地段;重載鐵路的軌道垂向剛度大于普速鐵路;鋪設(shè)新型軌道結(jié)構(gòu)地段的軌道剛度振幅小于臨近地段，軌道彈性明顯改善。

移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載車;剛度檢測(cè);弦測(cè)法;軌道變形;激光傳感器

移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載車(TLV)主要用于在線路上進(jìn)行靜態(tài)加載和移動(dòng)加載試驗(yàn)，以檢驗(yàn)高速鐵路軌道、橋梁和路基結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下的動(dòng)力性能，評(píng)估結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，為高速鐵路線路工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成和養(yǎng)護(hù)維修提供更為合理的科學(xué)依據(jù)［1］。TLV是連續(xù)檢測(cè)軌道剛度的設(shè)備，其軌道剛度檢測(cè)系統(tǒng)是在恒定荷載下測(cè)量鋼軌垂向的變形值，以計(jì)算軌道結(jié)構(gòu)的整體剛度［2］。2011年中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研制成功的移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載車(見(jiàn)圖1)由動(dòng)力加載車(以下簡(jiǎn)稱加載車)和儀器試驗(yàn)車(以下簡(jiǎn)稱儀器車)2輛車組成。主要參數(shù)如下:垂向最大加載力(單軸)為350 kN;橫向最大加載力(單軸)為100 kN;軌道變形測(cè)試精度為0.2 mm;加載控制精度優(yōu)于5%;加載時(shí)最大運(yùn)行速度60 km/h，最大聯(lián)掛運(yùn)行速度160 km/h。

圖1 移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)車

到目前為止，移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載車上的軌道剛度檢測(cè)系統(tǒng)已在既有重載、普速和高速鐵路線路以及新建重載鐵路線路上進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)里程達(dá)上萬(wàn)公里。其檢測(cè)的軌道剛度直接反映了軌道的承載能力。檢測(cè)軌道剛度可以識(shí)別軌道狀態(tài)不良區(qū)段，對(duì)于線路工程質(zhì)量檢測(cè)、既有線路病害檢測(cè)及處理具有重要意義。

1 軌道剛度檢測(cè)原理

軌道剛度［3-4］定義為當(dāng)一個(gè)集中荷載作用在鋼軌上，鋼軌產(chǎn)生單位下沉所對(duì)應(yīng)的集中荷載大小。即當(dāng)軌道承受的垂直力為P時(shí)，軌道彈性下沉量為y，軌道剛度K=P/y。

圖2 雙弦測(cè)法測(cè)量示意

由于車輛運(yùn)行過(guò)程中存在各種運(yùn)動(dòng)，軌道剛度檢測(cè)中合理確定檢測(cè)基線是首要難題。另外，軌道本身的不均勻下沉、軌道表面不均勻磨耗、焊縫區(qū)不平順、軌道殘余變形不均勻等因素都會(huì)直接影響檢測(cè)精度。為此采用雙弦測(cè)法來(lái)消除上述問(wèn)題，見(jiàn)圖2。通過(guò)軌道加載前后的位移差值，即可得到軌道彈性下沉量式中:yH為重輪載作用時(shí)弦測(cè)值;yL為輕輪載作用時(shí)弦測(cè)值;y2為基線誤差、軌面靜態(tài)不平順和暗坑吊板引起的不平順之和;yKH為重輪載作用時(shí)軌道彈性下沉量;ykL為輕輪載作用時(shí)軌道彈性下沉量。

因?yàn)檩p輪載作用時(shí)軌道承受的垂向力為0，故重輪載作用時(shí)軌道承受的垂向力P即為集中荷載，從而算出軌道垂向剛度K=P/y。

2 實(shí)施方案

根據(jù)軌道剛度檢測(cè)原理，通過(guò)加載車上的液壓加載系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在TLV行駛過(guò)程中對(duì)軌道施加垂向荷載和橫向荷載，模擬列車運(yùn)行時(shí)對(duì)軌道產(chǎn)生的垂向力和橫向力［6］，也可以在TLV靜止時(shí)對(duì)軌道施加靜態(tài)荷載、高頻動(dòng)載和瞬間沖擊荷載。通過(guò)系統(tǒng)布置的12個(gè)二維激光傳感器，可以同時(shí)檢測(cè)左右軌在恒定荷載下的軌道彈性下沉量。傳感器布置示意如圖3。傳感器實(shí)際安裝情況［7］如圖4橢圓內(nèi)所示。

圖3 傳感器布置示意

圖4 傳感器實(shí)際安裝情況

3 動(dòng)態(tài)剛度測(cè)試及結(jié)果分析

3.1 動(dòng)態(tài)剛度測(cè)試

測(cè)試分為垂向和橫向加載2種工況。各工況加載情況及運(yùn)行速度見(jiàn)表1。

表1 各工況加載情況及運(yùn)行速度

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 軌道垂向剛度分布

軌道剛度質(zhì)量指數(shù)是評(píng)價(jià)軌道剛度均勻程度的指標(biāo)。選擇2～50 m波長(zhǎng)濾波后的數(shù)據(jù)，然后計(jì)算200 m區(qū)段軌道剛度標(biāo)準(zhǔn)差，得到軌道剛度質(zhì)量指數(shù)。2 m基本涵蓋我國(guó)大部分車輛轉(zhuǎn)向架的軸距，50 m可以覆蓋中長(zhǎng)波的軌道變化情況，因此選擇2～50 m作為濾波的波長(zhǎng)。

不同線路、不同地段的軌道垂向剛度區(qū)別比較大，下面對(duì)重載和普速鐵路的路基、橋梁、隧道各地段的軌道垂向剛度進(jìn)行分析。

1)重載鐵路

重載鐵路不同區(qū)段軌道垂向剛度分布如圖5所示［8］。由圖5可見(jiàn):路基、橋梁、隧道地段的軌道垂向剛度97%以上分別在110～220，130～430，150～470 kN/mm;橋梁、隧道地段軌道垂向剛度明顯大于路基地段。

圖5 重載鐵路不同區(qū)段軌道垂向剛度分布

2)普速鐵路

普速鐵路不同區(qū)段軌道垂向剛度分布如圖6所示［9］。由圖6可見(jiàn):路基、橋梁、隧道地段的軌道垂向剛度97%以上分別在80～170，120～260，100～260 kN/mm;橋梁、隧道地段的軌道垂向剛度明顯大于路基地段。

圖6 普速鐵路不同區(qū)段軌道垂向剛度分布

對(duì)比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，重載鐵路的軌道垂向剛度明顯大于普速鐵路。

3.2.2 軌道橫向強(qiáng)度分布

目前軌道橫向強(qiáng)度分析主要采用加載車的軌枕橫向位移來(lái)判斷橫向力作用下單側(cè)的軌距保持能力，從而反映扣件系統(tǒng)的狀態(tài)。單側(cè)加載橫向力50 kN，同時(shí)加載側(cè)的垂向力為75 kN、非加載側(cè)的垂向力為25 kN。在整個(gè)測(cè)試區(qū)段內(nèi)軌枕橫向位移的分布情況如圖7所示。可見(jiàn)，軌枕橫向位移基本上都＜1 mm，總體上軌道橫向強(qiáng)度比較一致。

圖7 軌枕橫向位移分布

3.2.3 新型軌道結(jié)構(gòu)地段的軌道剛度分布

鋪設(shè)新型軌道結(jié)構(gòu)地段及其鄰近區(qū)段軌道剛度、軌道變形及加載力分布如圖8所示。由圖8可見(jiàn):復(fù)合軌枕、彈性軌枕和道砟墊可以明顯改善軌道彈性，其鋪設(shè)區(qū)段的軌道剛度振幅小于臨近區(qū)段;與臨近區(qū)段的過(guò)渡段存在軌道剛度突變的情況。

3.2.4 典型薄弱區(qū)段軌道垂向剛度分布

在線路檢測(cè)區(qū)段內(nèi)，進(jìn)行多次往返檢測(cè)，每次都在同一地段，檢測(cè)出軌道薄弱區(qū)，如圖9中虛線波形A段所示，在此地段進(jìn)行了多點(diǎn)靜態(tài)加載，復(fù)核情況如圖9實(shí)線波形所示［10］。移動(dòng)加載與靜態(tài)加載情況基本一致。圖10是同一地段軌檢車測(cè)試的左高低右高低波形，也存在波動(dòng)較大情況。結(jié)合圖9與圖10的波形數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，A處軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，可能存在軌枕空吊，已上報(bào)相關(guān)部門(mén)復(fù)核。

圖8 鋪設(shè)新型軌道結(jié)構(gòu)地段及其鄰近區(qū)段軌道剛度、軌道變形及加載力分布

圖9 移動(dòng)加載與靜態(tài)加載測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖10 軌檢車測(cè)試的左高低、右高低波形

4 結(jié)論

移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載車上的軌道剛度檢測(cè)系統(tǒng)已在既有重載、普速和高速鐵路線路以及新建重載鐵路線路上進(jìn)行檢測(cè)。其特點(diǎn)如下:

1)軌道剛度檢測(cè)系統(tǒng)能提供恒定的靜態(tài)荷載和移動(dòng)荷載，并可在恒定荷載下對(duì)軌道剛度進(jìn)行非接觸式、快速、高精度的靜態(tài)和移動(dòng)檢測(cè)，能應(yīng)用于不同鐵路線路，較準(zhǔn)確地得到不同線路、不同軌道狀態(tài)的軌道剛度，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵路線路的薄弱區(qū)段，其移動(dòng)加載與靜態(tài)加載情況下檢測(cè)結(jié)果基本一致。

2)重載鐵路試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)，路基、橋梁、隧道地段的軌道垂向剛度97%以上分別分布在110～220，130～430，150～470 kN/mm;普速鐵路試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)，路基、橋梁、隧道地段的軌道垂向剛度97%以上分別分布在80～170，120～260，100～260 kN/mm。橋梁、隧道地段的軌道垂向剛度和振幅均大于臨近路基地段;重載鐵路的軌道垂向剛度明顯大于普速鐵路。

3)復(fù)合軌枕、彈性軌枕和道砟墊可以明顯改善軌道彈性，其鋪設(shè)區(qū)段的軌道剛度振幅小于臨近區(qū)段。

［1］肖俊恒，王繼軍．移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載車的研制［J］．中國(guó)鐵路，2008(12):16-19．

［2］BERGGREN E．Dynamic Track Stiffness Measurements and Evaluation for Efficient Maintenance［D］．Stockholm:Royal Institute of Technology(KTH)，2009．

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［5］金花，柴雪松，潘振，等．移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載車軌道剛度檢測(cè)系統(tǒng)研究［J］．鐵道建筑，2014(1):99-102．

［6］楊亮，柴雪松，李偉，等．移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載車液壓加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．鐵道建筑，2014(4):110-113．

［7］暴學(xué)志，柴雪松，李家林，等．移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)車加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］．鐵道建筑，2011(12):113-115．

［8］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院．移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載車試驗(yàn)報(bào)告［R］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2013．

［9］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院．武漢局京廣線試驗(yàn)段基于移動(dòng)加載車和探地雷達(dá)的軌道狀態(tài)檢測(cè)［R］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2015．

［10］潘振，金花，柴雪松，等．移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)車軌道剛度檢測(cè)技術(shù)［J］．鐵道建筑，2015(6):143-146．

Research and Application of Track Stiffness Detection System on Track Loading Vehicle

JIN Hua
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T his paper introduced the detection principle and the implementation scheme of the track stiffness detection system on track loading vehicle and analyzed the detection data of this system in the existing heavy haul railway line，the normal speed railway line and the new heavy haul railway line．Analysis results show that track stiffness detection system could be used for different railway lines to make the static and moving detection with noncontact type，fast speed and high precision under the condition of constant load．T he track vertical stiffness of bridge and tunnel is greater than the stiffness of subgrade in the test sections of heavy haul railway line and normal speed railway line．T he track vertical stiffness of heavy haul railway line is greater than stiffness of the normal speed railway line，and the track stiffness amplitude of the new track structure section is smaller than that of the adjacent area，which indicated that the track flexibility has been improved significantly．

T rack loading vehicle;Stiffness detection;M ethod of chord measuring;T rack deformation;Laser sensor

U216.3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．25

1003-1995(2016)12-0094-04

(責(zé)任審編葛全紅)

2016-09-10;

2016-10-10

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金(2014YJ020);鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心科研專項(xiàng)(J2015G001)

金花(1979—)，女，助理研究員，碩士。