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重載鐵路綜合檢測列車和數(shù)據(jù)綜合分析系統(tǒng)

2017-01-09 09:33彭麗宇陶凱黎國清
鐵道建筑 2016年12期
關(guān)鍵詞:傷損接觸網(wǎng)鋼軌

彭麗宇,陶凱,黎國清

(1.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司,河北肅寧062350;2.中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所,北京100081)

重載鐵路綜合檢測列車和數(shù)據(jù)綜合分析系統(tǒng)

彭麗宇1,陶凱2,黎國清2

(1.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司,河北肅寧062350;2.中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所,北京100081)

針對(duì)重載鐵路維護(hù)檢測工作的實(shí)際情況,以朔黃鐵路為例,闡述重載鐵路綜合檢測列車的關(guān)鍵技術(shù)及地面數(shù)據(jù)綜合分析技術(shù)。朔黃鐵路綜合檢測列車采用先進(jìn)、科學(xué)的檢測技術(shù),對(duì)線路軌道、道床、路基、牽引供電、通信、信號(hào)、周邊環(huán)境中影響列車運(yùn)行安全的技術(shù)指標(biāo)和相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測,并具有時(shí)空同步定位、大容量數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)綜合分析功能,對(duì)于綜合評(píng)價(jià)基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài),科學(xué)指導(dǎo)重載鐵路基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修發(fā)揮了重要作用。

重載鐵路;檢測列車;綜合檢測;數(shù)據(jù)分析

重載鐵路由于荷載大和列車密度大,對(duì)線路維護(hù)檢測提出了更高的要求,不僅維護(hù)檢測的工作量日益增大,而且技術(shù)要求也越來越高。傳統(tǒng)的線路維護(hù)檢測方式和技術(shù)已很難適應(yīng)當(dāng)前鐵路的發(fā)展,面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

國外重載運(yùn)輸發(fā)達(dá)的國家對(duì)重載鐵路的檢修觀念側(cè)重于預(yù)防性保養(yǎng)。在狀態(tài)檢測方面,美國、加拿大等國家采用軌道檢查車和鋼軌探傷車,對(duì)軌道幾何形態(tài)、鋼軌磨耗、鋼軌傷損進(jìn)行檢查;采用車載新型探地雷達(dá)裝置檢查路基病害。在養(yǎng)護(hù)維修方面,采用大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行綜合維修、鋼軌打磨,并采用涂油技術(shù)降低輪軌磨耗,保證線路質(zhì)量狀態(tài)。

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站,與神朔鐵路相聯(lián),東至河北省黃驊市黃驊港口貨場,正線總長585 km,是我國西煤東運(yùn)第2大通道。隨著朔黃鐵路運(yùn)量的迅速增長,為滿足高密度、大運(yùn)量的運(yùn)輸要求,滿足朔黃鐵路運(yùn)營維護(hù)的需求,亟需探索更有效、更全面的檢測方式,緩解繁忙運(yùn)輸與線路維護(hù)檢測之間的矛盾,并對(duì)設(shè)備動(dòng)態(tài)質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行綜合分析,提升運(yùn)營維護(hù)管理和技術(shù)水平,保障重載列車高密度安全平穩(wěn)運(yùn)行。

1 朔黃鐵路綜合檢測列車關(guān)鍵技術(shù)

朔黃鐵路綜合檢測列車是一列裝有專用檢測設(shè)備,對(duì)線路軌道、道床、路基、牽引供電、通信、信號(hào)、周邊環(huán)境中影響列車運(yùn)行安全的技術(shù)指標(biāo)和相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測,并具有時(shí)空同步定位、大容量數(shù)據(jù)傳輸和綜合分析處理功能的檢測車,采用3輛編組,檢測速度80 km/h,最高運(yùn)行速度120 km/h。綜合檢測列車及其功能系統(tǒng)如圖1、圖2所示。綜合檢測列車已經(jīng)應(yīng)用于新建重載線路基礎(chǔ)設(shè)施的聯(lián)調(diào)聯(lián)試、綜合試驗(yàn)和運(yùn)營期間周期性檢測。綜合檢測列車能夠綜合利用線路天窗,極大提高線路檢測效率,緩解維修天窗不足與運(yùn)輸任務(wù)繁重之間的矛盾。

圖1 朔黃鐵路綜合檢測列車

圖2 朔黃鐵路綜合檢測列車功能系統(tǒng)

1.1 綜合系統(tǒng)

綜合系統(tǒng)由列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、同步定位系統(tǒng)和環(huán)境視頻監(jiān)視系統(tǒng)組成,主要實(shí)現(xiàn)檢測車的精確定位,發(fā)布檢測車統(tǒng)一的速度、時(shí)鐘和里程信息,對(duì)列車運(yùn)行前后方環(huán)境晝夜實(shí)時(shí)監(jiān)測。綜合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 綜合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.1 列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)選用工業(yè)級(jí)千兆網(wǎng)管型2層主干以太網(wǎng)交換機(jī)和3層交換機(jī)搭建,3層交換機(jī)支持環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議,與各車的2層主干交換機(jī)組成冗余環(huán)網(wǎng),環(huán)網(wǎng)都擁有高達(dá)1 000 M光纖帶寬的通訊能力,滿足全車數(shù)據(jù)傳輸。

1.1.2 同步定位系統(tǒng)

同步定位系統(tǒng)為全車不同斷面的檢測系統(tǒng)提供同步采集信號(hào)、精確里程定位信息等,包括空間同步子系統(tǒng)及時(shí)空校準(zhǔn)子系統(tǒng)2部分。其中,空間同步子系統(tǒng)將安裝在軸頭的光電編碼器所產(chǎn)生的距離脈沖信號(hào)通過空間同步傳輸通道傳輸給分布在全車不同車廂內(nèi)的各檢測系統(tǒng),可作為檢測系統(tǒng)的采樣觸發(fā)和距離計(jì)算的信號(hào)源;時(shí)空校準(zhǔn)子系統(tǒng)將整車各檢測系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘精確同步,為各檢測系統(tǒng)計(jì)算機(jī)提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的線路里程信息。

1.1.3 環(huán)境視頻監(jiān)視系統(tǒng)

環(huán)境視頻監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)列車運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視。

1.2 軌道幾何狀態(tài)檢測技術(shù)

軌道幾何檢測系統(tǒng)采用慣性測量原理、捷聯(lián)式結(jié)構(gòu)和非接觸測量方法,應(yīng)用圖像處理技術(shù)、陀螺平臺(tái)、數(shù)字濾波、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理等高新技術(shù),可測量軌距、軌向、高低、曲率、水平(超高)以及長波長高低、軌向等軌道幾何不平順參數(shù)。軌道幾何狀態(tài)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。使用激光攝像系統(tǒng)測量鋼軌相對(duì)于檢測梁的橫向和縱向位移;使用加速度計(jì)、陀螺、位移計(jì)等多種傳感器測量車體和檢測梁的姿態(tài)變化。將需要檢測的位移、速度、加速度等物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電模擬信號(hào),通過信號(hào)轉(zhuǎn)接及監(jiān)視單元輸入到信號(hào)處理單元。信號(hào)處理單元將信號(hào)放大和模擬濾波處理后再經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)接及監(jiān)視單元輸入到數(shù)據(jù)采集和處理計(jì)算機(jī)。該計(jì)算機(jī)對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、數(shù)字濾波、修正以及補(bǔ)償處理,經(jīng)過綜合運(yùn)算,合成得到所需軌道幾何參數(shù),并在其顯示器上實(shí)時(shí)顯示軌道幾何波形圖。

圖4 軌道幾何狀態(tài)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 接觸網(wǎng)檢測技術(shù)

朔黃鐵路綜合檢測列車接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)由弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)作用參數(shù)及接觸線幾何參數(shù)檢測子系統(tǒng)組成。

1.3.1 接觸式檢測

接觸式檢測用于檢測弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)作用參數(shù),即測量受電弓與接觸導(dǎo)線之間的垂直接觸力、硬點(diǎn)(受電弓弓頭的加速度)、拉出值(根據(jù)力傳感器信號(hào)計(jì)算)、接觸導(dǎo)線高度以及受電弓基座處的加速度,同時(shí)也對(duì)受電弓運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和采集。接觸式檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

系統(tǒng)需對(duì)受電弓進(jìn)行改造,在2個(gè)滑板底部與支持機(jī)構(gòu)間共安裝4個(gè)應(yīng)變式壓力傳感器測量滑板支持機(jī)構(gòu)對(duì)滑板的反作用力,即弓網(wǎng)接觸壓力。在靜止?fàn)顟B(tài)下作用力即為滑板與接觸線間接觸壓力。在動(dòng)態(tài)下還需對(duì)由滑板加速度引起的慣性力和滑板受到的空氣動(dòng)力進(jìn)行修正,以提高接觸壓力測量精度。

圖5 接觸式檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3.2 非接觸式檢測

非接觸式檢測原理為三角測量方法。將攝像機(jī)安裝在可固定于任何車輛上的抗扭曲光學(xué)軌道上。調(diào)節(jié)攝像機(jī),以使其視野覆蓋接觸網(wǎng)所在平面并處于最佳角度,并且覆蓋整個(gè)測量區(qū)域。可通過分析圖像信號(hào)計(jì)算接觸線與4個(gè)攝像機(jī)位置之間的角度,并利用三角關(guān)系計(jì)算接觸線位置。非接觸式檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 非接觸式檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4 超聲波鋼軌探傷技術(shù)

采用超聲波探測鋼軌傷損,通過系統(tǒng)配備的4個(gè)A型探輪和2個(gè)B型探輪,能夠檢測鋼軌中不同位置和不同取向的傷損。探輪及聲束如圖7所示。

圖7 探輪及聲束示意

當(dāng)探輪中的壓電晶體(晶片)受到高電壓脈沖激勵(lì)之后,會(huì)按照自身固有的振動(dòng)頻率振動(dòng),比如2.25 MHz。如果這個(gè)振動(dòng)被引入到鋼軌中,將會(huì)在鋼軌中傳播。一旦鋼軌中存在缺陷或空洞,部分超聲波能量將被反射回來,反射回來的能量被晶片接收后即為回波。

各種不同的超聲晶片得到的回波在超聲換能器中被轉(zhuǎn)化成電信號(hào),再經(jīng)過模擬處理、數(shù)字處理、空間轉(zhuǎn)換、傷損識(shí)別,最終在顯示控制計(jì)算機(jī)上以B型(探輪)圖顯示出來,完成鋼軌不同部位、不同形態(tài)傷損的檢測過程。超聲檢測系統(tǒng)傷損數(shù)據(jù)處理流程如圖8所示。

圖8 傷損數(shù)據(jù)處理流程

1.5 道床路基檢測技術(shù)

探地雷達(dá)要得到高質(zhì)量的數(shù)據(jù),必須克服鋼軌,尤其是混凝土軌枕的干擾。為此,采用了多通道高速掃描探地雷達(dá)系統(tǒng),以通道間的發(fā)射時(shí)間延遲來消除干擾。通道之間的發(fā)射時(shí)間延遲是由控制單元控制,即第1通道發(fā)射信號(hào),第1通道接收回波信號(hào);接下來第2通道發(fā)射信號(hào),第2通道接收回波信號(hào);再接下來第3通道發(fā)射信號(hào),第3通道接收回波信號(hào),如此循環(huán)。

鐵路線路路基多通道高速掃描探地雷達(dá)系統(tǒng)由發(fā)射天線、接收天線、控制單元和工控?cái)?shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)(含A/D轉(zhuǎn)換)組成,如圖9所示。配套的數(shù)據(jù)采集軟件能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)和回放。

圖9 多通道高速掃描探地雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 重載鐵路檢測數(shù)據(jù)綜合分析技術(shù)

重載鐵路主要特點(diǎn)是列車密度大和車輛軸重大,軌道結(jié)構(gòu)承受較大的動(dòng)態(tài)荷載,軌道幾何狀態(tài)的平順性也不容易保持;而路基道床病害增多會(huì)導(dǎo)致線路的不平順性加劇,產(chǎn)生更大的動(dòng)態(tài)荷載,加速鋼軌傷損的產(chǎn)生。同時(shí)軌道幾何的不平順還可能引起弓網(wǎng)受流狀態(tài)的惡化,甚至有可能在耦合作用下導(dǎo)致弓網(wǎng)安全性指標(biāo)超限。

針對(duì)重載鐵路的運(yùn)輸和維護(hù)特點(diǎn),對(duì)路基道床、鋼軌傷損和軌道幾何狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,判別各種病害產(chǎn)生的原因及其關(guān)聯(lián)性,從而提出綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo);并對(duì)軌道幾何狀態(tài)與弓網(wǎng)受流性能、接觸線動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究,準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)問題根源,科學(xué)指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修。

2.1 檢測數(shù)據(jù)管理模式

根據(jù)軌道幾何檢測、接觸網(wǎng)檢測、路基道床狀態(tài)檢測、鋼軌傷損檢測等各類非結(jié)構(gòu)化檢測數(shù)據(jù)的特點(diǎn),結(jié)合朔黃鐵路動(dòng)態(tài)檢測的日常檢測業(yè)務(wù)管理規(guī)定,研究多專業(yè)動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接口和整合存儲(chǔ)管理機(jī)制,以保證多種檢測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析的需要,利用數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)為建立穩(wěn)定、高效的檢測數(shù)據(jù)管理平臺(tái)提供技術(shù)保證。

2.2 檢測數(shù)據(jù)綜合分析技術(shù)

1)軌道幾何、路基道床、鋼軌傷損檢測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性綜合分析

在積累一定時(shí)期的檢測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合運(yùn)量、氣候等因素,研究朔黃鐵路路基沉降、道床狀態(tài)惡化的特點(diǎn)及規(guī)律。同時(shí)對(duì)軌道幾何、路基沉降、道床狀態(tài)以及鋼軌傷損檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,建立關(guān)聯(lián)分析模型,摸索重載鐵路軌道質(zhì)量綜合性評(píng)價(jià)方法和指標(biāo),利用關(guān)聯(lián)分析模型進(jìn)行仿真計(jì)算,開展專項(xiàng)試驗(yàn)研究進(jìn)行驗(yàn)證,提出朔黃鐵路總體評(píng)價(jià)管理建議值。

2)接觸網(wǎng)和軌道幾何檢測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性綜合分析

軌道幾何不平順有可能影響弓網(wǎng)受流性能和弓網(wǎng)間的動(dòng)態(tài)作用,在特殊線路條件下幅值較大的軌道幾何不平順甚至有可能導(dǎo)致受電系統(tǒng)的故障;對(duì)于綜合檢測列車而言,軌道幾何狀態(tài)的變化也會(huì)影響到接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)檢測結(jié)果。這就要求在進(jìn)行接觸網(wǎng)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)和制定維修方案時(shí),除了對(duì)接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測波形進(jìn)行歷史對(duì)比分析和結(jié)合弓網(wǎng)接觸視頻進(jìn)行分析外,還必須對(duì)接觸網(wǎng)狀態(tài)不良處所的軌道幾何不平順狀態(tài)進(jìn)行綜合分析。

在獲得大量檢測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場復(fù)核數(shù)據(jù)和維修作業(yè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,通過建立接觸網(wǎng)幾何、受流性能與軌道幾何狀態(tài)的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型,研究其相關(guān)性,提出綜合分析方法和相關(guān)指標(biāo),并通過實(shí)測和專項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3)鋼軌傷損綜合分析

鋼軌傷損除了由于疲勞應(yīng)力作用造成的內(nèi)部核傷外,鋼軌表面也會(huì)受到接觸應(yīng)力的作用而產(chǎn)生裂紋,形成軌面?zhèn)麚p,在受到銹蝕等作用下有可能發(fā)展成重傷,影響行車安全。通過對(duì)鋼軌表面擦傷檢測系統(tǒng)的鋼軌表面?zhèn)麚p數(shù)據(jù)的積累和深入分析,結(jié)合探傷車檢測數(shù)據(jù)、探傷儀檢測數(shù)據(jù)、人工檢查觀測數(shù)據(jù),摸索在朔黃鐵路運(yùn)營及氣候條件下鋼軌表面?zhèn)麚p、鋼軌磨耗、鋼軌內(nèi)部傷損的發(fā)生、發(fā)展變化規(guī)律,為鋼軌打磨、修理、更換等維修決策提供支持。

4)軌道大值病害成因綜合分析

大值病害是指有可能影響運(yùn)營安全的設(shè)備不良狀態(tài),比如大幅值的軌道不平順和鋼軌內(nèi)部傷損,如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和有效處理,則可能引起非常嚴(yán)重的后果。為了提高運(yùn)營安全性,除了加強(qiáng)檢測環(huán)節(jié)對(duì)于大值病害的識(shí)別和對(duì)已發(fā)現(xiàn)的大值病害的作業(yè)管理外,還要結(jié)合歷史檢測數(shù)據(jù)、相關(guān)項(xiàng)目檢測數(shù)據(jù)和靜態(tài)檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,確定引起大值病害的真正原因,有針對(duì)性地提出整治處理建議,才能有效地指導(dǎo)現(xiàn)場維修,避免大值病害頻繁發(fā)生。

3 結(jié)論

1)綜合檢測列車應(yīng)用在重載鐵路上,可以綜合同步采集軌道、路基、接觸網(wǎng)、通信、信號(hào)等數(shù)據(jù),周期性獲取重載線路的基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)檢測數(shù)據(jù),并基于此綜合評(píng)估重載鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài),科學(xué)指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修,提高軌道養(yǎng)護(hù)維修效率。周期性的檢測可以實(shí)現(xiàn)預(yù)防性修理,進(jìn)行資源的合理化配置,實(shí)現(xiàn)鐵路的經(jīng)濟(jì)化維修。

2)重載鐵路周期性檢測工作是一項(xiàng)綜合性的系統(tǒng)工程,大量數(shù)據(jù)的挖掘分析勢必對(duì)重載鐵路設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)維修等各方面優(yōu)化改進(jìn)產(chǎn)生重要的影響。為此,建立地面檢測數(shù)據(jù)綜合分析處理中心,整合存儲(chǔ)和管理綜合檢測列車、鋼軌探傷車、軌道檢查車、電務(wù)試驗(yàn)車等動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù),為綜合分析重載鐵路的狀態(tài)研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3)基于最新的軌道結(jié)構(gòu)理論研究和線路養(yǎng)護(hù)維修經(jīng)驗(yàn),深入挖掘各類非結(jié)構(gòu)化檢測數(shù)據(jù),綜合評(píng)估設(shè)備質(zhì)量狀態(tài),為養(yǎng)護(hù)維修決策提供數(shù)據(jù)支持,一方面提高維修作業(yè)效率和減少工作量,最大程度地減少對(duì)運(yùn)輸組織的干擾;另一方面經(jīng)濟(jì)、有效地檢測和消除重載線路各種病害,確保設(shè)備質(zhì)量狀態(tài)安全可靠,并且處于可修復(fù)的“彈性”范圍內(nèi)。

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[6]侯衛(wèi)星,劉剛,康熊.0號(hào)高速綜合檢測列車[M].北京:中國鐵道出版社,2010.

Comprehensive Inspection Train and Data Comprehensive Analysis System of Heavy Haul Railway

PENG Liyu1,TAO Kai2,LI Guoqing2
(1.Shuohuang Railway Development Co.,Ltd.,Suning Hebei 062350,China; 2.Infrastructure Inspection Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

According to the actual situation of the heavy haul railway maintenance and inspection work,the key technologies and ground data comprehensive analysis of comprehensive inspection train in heavy haul railway were discussed by taking Shuohuang railway as an example.T he comprehensive inspection train in Shuohuang railway uses advanced and scientific inspection technologies,which could realize real-time detection for technical indexes and related informations which affect the train operation safety in the condition of track,ballast bed,subgrade,traction power supply,communication,signal and surrounding environment,and has the functions of spatial and temporal synchronization,large capacity data transmission and data comprehensive analysis.T he comprehensive inspection train plays a very important role for the comprehensive evaluation of the infrastructure service status and the scientific guidance for the maintenance and repair of heavy haul railway infrastructure.

Heavy haul railway;Inspection train;Comprehensive inspection;Data analysis

U239.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.12.29

1003-1995(2016)12-0109-05

(責(zé)任審編周彥彥)

2016-06-20;

2016-09-08

國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2015DFA81780);中國鐵道科學(xué)研究院基金(2015YJ092)

彭麗宇(1979—),男,博士研究生。

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