城市轨道交通轨道动态几何状态检测技术

莫伟平，戴源廷，田云峰，裴晓飞

（1.贵阳市城市轨道交通集团有限公司，贵州贵阳 550081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司城市轨道交通中心，北京 100081）

1 前言

2019年7月1日《城市轨道交通初期运营前安全评估技术规范 第1部分：地铁和轻轨》（交办运[2019] 17号）正式颁布实施，以下简称《技术规范》。《技术规范》明确了城市轨道交通工程开通初期运营前，需要采用装有轨道动态几何状态检测装置的电客车进行检测，检测内容包括轨距、轨向、高低、水平、三角坑、车体振动加速度等[1]。通过轨道动态几何状态检测，评价其是否满足标准要求，为城市轨道交通初期运营前安全评估工作提供数据支持[2-7]。

在铁路上，轨道几何状态主要通过轨检车或综合检测列车进行检测，检测设备一般基于永久性安装设计[8-9]。由于采用永久性安装方式，因此车辆在设计之初预留安装接口，有效保障了设备安装的安全性、便捷性。在城市轨道交通领域，早先的轨道几何状态检测一般通过永久加装轨检设备的工程车进行，没有在电客车上临时安装轨道检测设备进行检测的先例[10]。为积极响应中华人民共和国交通运输部关于城市轨道交通初期运营前安全评估检测的要求，2019年初，中国铁道科学研究院集团有限公司自主研发了适用于城市轨道交通电客车临时安装的轨道动态几何状态检测系统，该检测系统已在北京、深圳、杭州、合肥、西安、长沙、呼和浩特等城市取得了良好的应用效果[11]。

2 轨道几何状态检测技术

2.1 检测技术发展

伴随着我国铁路的快速发展，轨道几何检测技术也经历了深刻变革，从最初的人工测量，到接触式、机械式的第1代检测车、电磁传动式第2代检测车，再到后来的非接触式惯性基准测量法，轨道几何检测技术已逐步从单一参数检测发展到了全面参数检测，从低速接触式检测发展到了高速非接触式检测，检测精度也日益提高。经过几代技术革新，目前国内最先进的轨检系统为GJ-6型轨道动态几何状态检测系统，该系统是国内唯一通过中国国家铁路集团有限公司评审的检测系统。我国第1辆轨检车如图1所示。

2.2 GJ-6型检测系统

图1 我国第1辆轨检车

GJ-6型轨道检测系统基于惯性基准测量原理，结合高速激光断面摄像技术和高速图像处理技术，实现轨道动态几何状态参数的获取。该系统主要由检测梁、里程定位系统、车体加速度组件、信号处理组件和数据处理组件等组成[12]。检测梁内集成安装了传感器，并装有激光摄像设备和惯性基准设备，车体加速度传感器安装在车体地板上，里程定位通过安装在轴端的脉冲传感器实现。检测系统采样间隔为250 mm，数据的每一次采集以米为单位标记里程，输出最终的测试数据和波形图，并根据预先设置的评判标准进行报表输出，检测系统结构如图2所示。

信号处理组件包括图像预处理单元，数据处理组件包括图像处理机、数据实时采集处理机和数据库服务器。检测系统信号采集处理流程如图3所示。

3 轨道检测系统结构优化设计

为满足《技术规范》中关于轨道动态几何状态检测的要求，并综合考虑城市轨道交通车辆的实际情况，对GJ-6型轨道检测系统进行了相应的适应性改造设计：①采用模块化设计，将主要传感器集成在针对城市轨道交通车辆重新设计的检测梁上，尽量使系统轻量化、小型化；②采用分体式设计方式，将车下设备分为检测梁和吊臂，通过设计加工尺寸精准的吊臂，使轨道检测梁能够匹配不同型号的转向架，实现在不同电客车上安装、检测。从测试准确性的角度来看，将检测设备安装于转向架上的检测效果优于安装在车体上，因此，检测梁至少需要满足重量轻、体积小、易拆装3方面要求。

3.1 轻量化设计

由于转向架所能承受的重量有限，因此，需在保障安全、可靠的前提下，尽量实现轻量化。针对实际要求，主要在以下2方面进行优化。

（1）采用铝合金材料制造检测梁，并在检测梁内部设置内舱结构，舱内空间用来安装传感器，如图4所示，该结构的设计，在保证检测梁强度的同时，尽可能地减轻了检测梁的重量。

图2 检测系统结构示意图

图3 检测系统信号采集处理流程图

图4 检测梁内部结构示意图

（2）选择集成度高的传感器，检测梁上集成了左右2个激光摄像组件和1个高集成度的惯性基准组件，如图5所示，激光摄像组件包含激光光源和激光相机，惯性基准组件包含若干陀螺仪组件。

图5 检测梁效果图

3.2 小型化设计

城市轨道交通电客车车下设备种类、数量繁多，空间狭小，横向和纵向可利用的空间有限。检测梁的尺寸既要符合限界要求[13]，还要满足车辆可通过半径150 m曲线的条件[14]。

（1）检测梁轮廓尺寸在B型车限界范围内，符合B型车限界标准，如图6所示。

（2）经计算，车辆在通过直线和半径150 m曲线的工况下，检测梁廓形均满足B型车限界标准，如图7所示。

3.3 分体式设计

图6 检测梁廓形示意图

图7 车辆在通过直线和半径150 m曲线时检测梁廓形

对国内主要车辆厂的主要型号车辆及转向架进行调研后发现，每条线路所配属的车辆虽然存在较大的区别，但在转向架端部，一般会有安装设备的预留孔位（图8）。然而，即便是同一车辆厂的不同车辆，预留孔位的尺寸差异也很大。如果将检测梁的尺寸固定，通过设计适用于不同型号车辆转向架的吊臂分体式安装结构，既能方便拆装，还具有通用性。

图8 构架端头安装孔示意图

3.3.1 吊臂结构设计

吊臂连接轨道检测梁和转向架，其设计原则如下：

（1）吊臂接口尺寸满足轨道检测设备安装孔距为1 501 mm±5 mm的要求；

（2）安装后的轨道检测设备中心线与车辆走行方向中心线重合；

（3）安装后的检测梁上顶面距轨面垂直距离为394 mm±2 mm；

（4）在确认安全的前提下，应确保安装后的检测梁尽可能地靠近车轮；

（5）应确保吊臂强度满足轨道检测设备荷载要求。

为保证检测梁的水平度、距钢轨上平面距离、激光相机角度等参数，最大限度保证轨道检测设备的安装精度，需根据不同车型转向架端头安装孔尺寸及检测梁实际尺寸，设计对应吊臂，以满足检测梁的安装要求，实际效果如图9所示。

图9 检测梁安装示意图

为减小构架振动可能对测量精度造成的不利影响，在吊臂和检测梁之间设计了橡胶减振垫，最大限度优化了检测设备的工况。

3.3.2 吊臂强度分析

在保证检测梁安装准确的基础上，需结合吊臂材质、实际工况对其结构受力进行理论计算。根据吊臂图纸建立有限元模型，吊臂材质采用S355型钢，其材料参数如表1所示。

表1 吊臂材料参数表

如图10所示，对实体模型进行网格划分，吊臂采用自由划分的四面体单元，单元类型为实体单元solid45，单元尺寸为0.5～1 cm，共计14 034个节点和41 217个单元。

图10 吊臂有限元模型图

对吊臂施加荷载，检测设备质量为65 kg，分配到每个吊臂的垂向荷载为32.5 kg，垂向加速度取20g，考虑车辆运行过程中会产生横向和纵向振动，在构件加载位置处，加载横向力取32.5 kg，横向加速度取10g，纵向加速度取5g，进行应力分析，结果如图11、图12所示。

图11 垂向应力结果云图（单位：Pa）

图12 Mises应力结果云图（单位：Pa）

从计算结果可知：吊臂垂向应力最大值为113 MPa，主要集中在吊件间连接位置，Mises应力最大值为233 MPa，主要集中在吊件间连接位置和吊臂与转向架连接位置，应力均小于S355型钢的抗拉强度345 MPa，安全系数为1.49，满足EN13749附件E第E4.3节中规定的安全系数大于1.0的要求[15]。

3.3.3 安装螺栓强度分析

吊臂安装螺栓起到连接吊臂与构架的作用，其强度亦直接影响到轨道检测设备整体的安全性，结合实际工况，对其安全性进行校核。

（1）顶部螺栓强度校验。检测设备质量为65 kg，分配到每个吊臂的质量m为32.5 kg，每个吊臂质量为15 kg，加速度a取20g，故吊臂上部由4个M20螺栓进行固定，每个螺栓受剪力2 375 N，按照公式（1）计算其抗剪切强度Fs，计算结果远低于普通螺栓的抗剪强度140 N/mm2，安全系数为18.4。

（2）底部螺栓强度校验。吊臂下部由2个M24螺栓进行连接，加速度取20g，每个螺栓受拉力3 350 N，按照公式（2）计算其抗拉强度Fs，计算结果远低于普通螺栓的抗拉强度170 N/mm2，安全系数为23.6。

4 工程应用

根据贵阳某城市轨道交通线路车辆转向架实际接口尺寸设计安装吊臂，设备现场安装如图13所示。检测梁通过吊臂安装于列车转向架的某一轴端部，在确保车辆运行过程中检测梁组件不与转向架发生干涉的前提下，检测梁尽可能靠近车轴，其纵向中心线应与车体纵向中心线重合。

图13 检测梁现场安装示意图

根据检测结果可知，车辆运行至下行某里程处时，轨道左高低、右高低和垂向加速度等测试参数有明显超限，其中左高低、右高低峰值达到了9.41 mm，车体垂向加速度峰值达到了0.12g，明显超过了《技术规范》相关要求。施工单位根据检测结果进行整改后，复测结果显示该区段全部检测指标满足标准评判要求，问题整改完成前后轨道几何波形对比如图14所示。

5 结论

通过对GJ-6系统进行轻量化、小型化、分体式等结构改进设计，实现了系统在不同电客车上安装、检测的可能。工程应用表明，该系统可以满足《技术规范》关于轨道几何状态检测的要求，并且可以有效发现轨道相关缺陷。该系统对于以电客车为载体，实现初期运营前检测以及运营期间周期性检测，进而为安全评估及轨道运维提供数据支撑等提供了帮助。

图14 整改前后波形对比图