轨道几何状态检测基本原理和检测技术研究

李 丹

（晋能控股山西煤业股份有限公司塔山铁路分公司，山西 大同 037000）

引言

我国的货运铁路运输正在不断向高速化和重载化的方向发展，在行车密度越来越大的同时，线路的荷载也越来越重，出现轨道几何形变的速度不断加快，而铁路维护部门面临的现状是维修工作量不断增加，但是可开展维修作业的时间却越来越紧迫，导致运输和线路维护之间的矛盾越发突出。现代轨检车的研制和计算机技术的大力推广，给轨道几何状态检测工作的开展提供了物质保障。如何基于大量离散型轨道几何数据来对轨道区段的质量状态进行评价，就成为养护计划开展的重要依据。

1 轨道几何状态检测基本原理

1.1 轨道几何状态概述

轨道几何状态就是指轨道各个部分的几何形状、尺寸情况和相对位置，具体指标包括轨道间距、水平和高低位置、三角坑等等。由于轨道会受到列车的反复荷载作用，因而轨道的几何形状、位置都难免会和建设初期有一定的变化，甚至出现轨道几何不平顺的问题。轨道的几何不平顺程度和荷载的作用之间有非常密切的关系。

轨道几何状态判断中最为重要的标准就是轨道几何形位的数值，几何状态的质量可以直接决定机车车辆运行的安全性，并且对设备的使用寿命、养护费用也有较大的影响，因而轨道几何状态管理成为铁路工务部门工作的重要组成部分[1]。

轨道几何不平顺的情况是无法采用一项或几项简谐函数或者其他确定性描述来进行表述的。无论是有缝铁路还是无缝铁路，轨道当中存在的不平顺都是铁路里程的随机函数，无论是波长还是波幅，都属于随机变量。而了解和运用这些随机变量的变化规律，就可以对轮轨之间相互作用的问题进行研究，并对于机车车辆和轨道系统各种动力响应情况进行预测和分析，这也是现代机车车辆的设计、轨道的建设和养护、轨道和机车的质量评估中的重要分析手段。

与此同时，轨道随机几何不平顺也有一定的波状特性，其波长和波幅的变化范围都较广。这些数值和轨道结构以及类型之间的关系都较为密切，在一般情况下，长波幅值较大，而短波的幅值则较小，不平顺情况也可以分为单波的不平顺，也可能在几个波长之间存在不平顺。

上述特征也在现场调查和数据分析中得到了证实，轨道不平顺波形没有规则性，同时波长和幅值的变化幅度也较大。

1.2 轨道几何状态的评价与管理

相关研究证实，轨道不平顺对于车辆运行的影响并不仅仅由于波幅，同时波长造成的影响作用也是较为明显的。无论是长波长还是短波长，其不平顺都会在很大程度上影响行车稳定性。具体来说，长波长轨道不平顺会对列车的稳定性造成影响，而短波长和中波长的不平顺则会更为严重，直接影响列车运行的安全性，因而国外对各种波长的不平顺检测都较为重视。当前法国铁路对轨道不平顺分为两个等级进行管理，分别是传统基长和扩展基长这两个类型。而日本则分为10 m 中波和40 m 长波来检测和管理轨道不平顺问题。

判断轨道不平顺，并采取技术手段进行控制，在国外已经有了一定的研究成果，并且在实际应用中取得了成效。如法国、日本和德国等国的铁路运输都较为发达，这些国家基于本国铁路运输特点和轨道结构、铁路平断面和纵断面的实际情况，制定了一系列铁路轨道不平顺的管理标准和控制措施，针对各级铁路都形成了一套完善的制度体系，例如：轨道作业验收、轨道日常养护、紧急不休和限速管理等等，这些都充分保证了轨道质量。

相较之下，我国对于轨道不平顺控制的起步则较晚，上世纪八十年代才开始在该领域进行系统研究，但也已经有了一定的研究成果。例如：在“六五”——“八五”期间，对轨道不平顺控制领域项目进行立项，对我国铁路运行情况进行分析，并以此为基础，出台了比较完善的干线铁路轨道不平顺管理方法，包括有日常维护、施工验收、紧急抢修和限速管理等等，并且在轨道和路基以及桥梁设计方面提出了较为详细的标准。目前国内外研究成果和实践成果都证实，线路平纵断面和轨道平顺性都会对列车的行车速度造成影响。如果轨道不够平顺，就会导致列车行驶过程中出现振动，并且随着车速的提高，轮轨作用力也相应增加，严重时甚至会导致列车脱轨事故的发生。

如今随着轨检车等检测设备的投入使用和计算机设备的推广，我们可以获得更加详细而真实的轨道状态数据信息。但是目前仍然需要分析大量的数据，客观地评价轨道运行几何形位状态，这也是当前铁路工务管理部门面临的问题，关系到轨道几何形位状态、轨道使用寿命和维修费用等一系列问题，更直接影响到列车运行的安全稳定性[2-3]。

2 轨道几何状态检测技术

2.1 轨检小车测站间搭接

目前我国对运用轨检小车来开展几何状态测量工作的规范要求较为笼统，且仅仅对于测量距离和步长以及换站搭接长度进行了一定的要求，对搭接输出处理方式则没有作出明确规定，因而不同的厂家在轨检小车测站间的搭接方式上存在一定的差别。

部分全站仪设备换站采集过程中使用的是现场搭接，在这种搭接方式之下，使用一个里程会有一个对应数据，然而在搭接之后没有进行相应的处理。现场搭接仅仅会带着搭接区数据来进行搭接，但是并没有考虑不同搭接区段之间的前后延续性，因而会导致波形图失真，无法体现平顺性指标，尤其是在部分换站偏差较大的数据分析，失误的可能性较大。

2.2 后处理搭接方式

全站仪的换站过程中，不进行现场搭接的方式，而是将同一里程前后两站的数据都进行记录，因而搭接区同一个里程点当中就有两组数据，在后处理的过程中重新进行搭接处理。其处理方式有两种，分开处理和综合处理。

分开处理是将搭接区的数据分别和前段、后段组成波形图，从而让搭接区分别与前段和后段构成平顺性对比曲线，这样可以在一定程度上保证平顺性数据的统一性。综合处理则是将搭接前后的曲线都体现在波形图上，在搭接完成之后，再采集平顺性指标。在个别情况下，由于搭接偏差较大，所以导致平顺性指标的偏差也较大，因而可以在波形图上进行验证，并且结合搭接前的数据波形图来评估轨道平顺性情况。对比来看，笔者认为综合处理是最优的搭接处理方法，可以有效提高搭接区段平顺性，确保数据真实。

上述分析证实，搭接区数据处理方式的不同会直接影响轨道平顺性评估的结果。当前我国对测站间的搭接处理方式并没有出台明确规定，经过大量的实践和数据分析，笔者认为，将波形图和平顺性指标结合起来，同时采用综合处理后搭接方式具有较好的使用效果。在测站间搭接技术使用的过程中，应当对该方法进行分析和完善，形成规范的处理规程，这样才能从根本上确保换站搭接区之间轨道平顺性数值的相同性。

2.3 轨检数据的处理

在轨道精调的工作中，需要遵循“先整体、后局部”的原则，但是在实际处理工作当中，该原则的执行并不到位，很多施工单位片面地按照之前的数据来进行分析，而没有从整体上把握轨道数据。如下页图1 所示，该轨道的平顺性指标数据是符合铁路轨道几何状态控制指标的，但是如果按照“先整体、后局部”的原则重新进行审视，则发现框内区域应当予以调整，否则该区域当中可能会导致出现列车加速度。所以这样看来，如果没有从整体上审校数据，则无法发现该轨道中存在的不平顺现象。很多施工单位由于没有从整体上评估铁道几何状态，所以往往会形成较大的隐患，给后续运营维护管理工作的开展也带来不便。因此，对轨道几何状态进行评估，可以分别审查局部情况和整体情况，从而更全面地监控轨道几何状态。

图1 大区段钢轨精调整体分析波形

3 结语

随着我国铁路货运的不断发展，铁路轨道几何状态管理这个传统领域也面临着新的挑战，面对越来越高的要求，我们也应当不断结合最新的技术，更加科学地开展轨道几何状态检测工作，并实现铁道管理的科学化和自动化。轨道管理在我国虽然有了较长的历史，但随着技术的不断发展，也出现了更多的研究方向，其中很多领域的研究仍然处于摸索阶段。在未来，随着更多新技术的投入使用，对轨道几何状态变化规律的认识和理解也将得到提升。