大型养路机械捣固作业轨道质量评价指数研究

徐伟昌

(上海铁路局工务处，上海 200071)

轨道不平顺是机车车辆及轨道系统自身振动的激扰源[1]，它是引起轮轨作用力增大的主要因素[2-3]。一方面，超过一定限值的轨道不平顺会影响旅客舒适度和行车安全性[4];另一方面，由于轨道不平顺的存在，列车轮对冲击振动引起的动力作用以几何级数增加，轨道结构自身产生激振，轨道持续恶化，从而形成恶性循环[5]。由此可见轨道不平顺管理的重要性。目前铁路工务部门主要根据线路动静态检测数据，对每个区段、每1 km的线路状态采用峰值管理法(如偏差扣分法等)、均值管理法(如TQI法等)[6]进行评价。

随着铁路养路机械化程度的不断提高，有砟轨道上常采用大型养路机械(以下简称大机)进行以捣固为主的综合维修作业[7-8]。采用大机捣固作业起道量控制准确，捣固受力均匀，捣后轨面平顺，是控制轨道状态质量的有效手段[9]。如何把平顺性管理和以大机为主维修作业结合起来共同指导维修决策，是需要研究的课题。

本文在全面分析沪昆线浙赣段综合检测车轨道质量指数TQI数据的基础上，提出适用于大机维修管理决策的轨道质量评价指数的概念，并利用统计学方法对其分布规律进行分析，为铁路工务部门进行有砟轨道大机维修管理决策提供评价指标和理论依据。

1 轨道质量指数及数据来源

轨道质量指数是指200 m线路基本单元区段内左高低、右高低、左轨向、右轨向、水平、轨距以及三角坑7项轨道几何尺寸不平顺偏差的标准差之和[10]。单项指标计算公式为

式中:σi为各项几何不平顺偏差的标准差;X—i为基本单元区段内各项几何不平顺连续采样点偏差值的算术平均值;n为采样点个数，一般取800。

在铁路线路养护维修中，通常是根据线路速度等级、养修作业方式采取不同的养护维修管理值。200～250 km/h速度等级线路的 TQI管理值[11]见表1。

表1 200～250 km/h速度等级线路的TQI管理值mm

本文所分析的TQI数据来源于铁科院0号综合检测车2009年10月—2011年4月对沪昆线浙赣段的综合检测结果。经筛选，最后确定分析所用的检测数据上行线有23次，下行线有21次。

2 大型养路机械捣固作业轨道质量评价指数

2.1 TQI的时间趋势

以沪昆线浙赣段上行线(图1)为例分析轨道质量指数随时间的变化趋势。

图1 沪昆上行线TQI均值随时间变化曲线

由图1可知，在2010年3—5月，上行线TQI从3月19日的5.57下降到5月15日的5.13，下降幅度达到7.90%。在该时段内下行线TQI也同样在下降。2010年3—4月沪昆线浙赣段上下行线路安排了一次大机维修作业，线路质量改善明显，TQI出现了较为明显的下降。维修作业对轨道质量改善的作用如图2所示。

2.2 TQI各子项随时间变化规律

沪昆上行线TQI指数各子项随时间变化的趋势如图3所示。

从图3可以看出，在一个维修周期内，左高低、右高低、水平、三角坑标准差均随时间的增加而增加。而左轨向、右轨向、轨距标准差则增加有限，基本保持不变。上述规律表明，用左高低、右高低、水平、三角坑4项标准差代替传统的TQI分析轨道质量随时间的变化规律更合理。

2.3 大机作业对TQI各子项的影响规律

大机作业对线路总体质量改善明显，但在基本作业条件及作业模式下，大机作业对TQI各子项有无改善作用，改善量值是多少，则需要进一步分析。为此选取几段线路作业前后检测数据进行具体分析，以沪昆上行线K434.400—K442.400为例，其作业前后检测数据见表 2。从表 2中可以看出:沪昆上行线K434.400—K442.400大机作业后线路质量总体改善，区段TQI均值从作业前的6.002下降到作业后的5.354，下降0.648，下降幅度为10.796%;大机作业对高低、水平、三角坑有明显改善作用;对轨距有轻微恶化作用，但幅值不大;对轨向的影响则存在离散性。

表2 沪昆上行线K434+400—K442+400大机作业前后检测数据对比 mm

其它大机作业地段检测数据也表现出相同的特点。因此，在大机作业维修管理中不应纳入轨向和轨距两项指标。

2.4 大机捣固作业轨道质量评价指数的提出

基于上述对TQI各子项随时间变化规律以及大机作业对TQI各子项影响规律的分析可知，在以大机作业为主的综合维修策略研究中，轨道几何状态偏差应重点分析左高低、右高低、水平、三角坑4项偏差。由此引入大型养路机械捣固作业轨道质量评价指数(Track Quality Index to Large Machinery Tamping Work，TQITW)的概念。它由左高低、右高低、水平、三角坑4项轨道几何状态指标组成，其表达式为

式中:σi分别为左高低、右高低、水平、三角坑4项轨道几何状态偏差的标准差。

3 大机捣固作业轨道质量评价指数分布

3.1 大机捣固作业轨道质量评价指数分布分析

根据2010—2011年上海局管内沪昆线浙赣段上下行线路TQITW数据，作直方图及累计分布图。2011年4月20日上下行线TQITW分布如图4所示。

图4 2011年4月20日沪昆线浙赣段TQITW值分布

由图4可以看出，TQITW的分布与正态分布和α值较大的γ分布较为接近。为进一步确定其分布规律，需对数据作拟合检验。

3.2 大机捣固作业轨道质量评价指数分布检验

γ分布概率密度函数为

式中:x∈(0，+∞);α为形状参数;β为尺度参数，其数学期望为αβ，方差为αβ2。

利用Matlab中kstest函数计算数据检验参数，部分计算结果如表3所示。其中，H=0表示数据服从γ分布。

表3 沪昆上行线TQITW数据γ分布参数计算

由表3可知，上行线的TQITW数据均服从γ分布。

为进一步检验TQITW数据服从γ分布的程度，对上述数据进行χ2拟合优度检验。在显著性水平5%的情况下，对分布适应性计算结果进行评价，评价结果见表4。

表4 分布适应性评价结果(χ2值)

从表4可以看出，在置信度为95%的情况下，上述数据均服从γ分布。利用上述同样的方法，对其它数据进行统计和χ2拟合优度检验，也均满足χ2检验的要求，因此可以认为大机捣固作业轨道质量评价指数数据服从γ分布。

4 结论

本文通过对沪昆线浙赣段综合检测车检测得到的轨道质量指数数据进行分析，得到以下结论:

1)在一个维修周期内，轨道质量指数各子项中左高低、右高低、水平、三角坑标准差均随时间的增加而增加，而左轨向、右轨向、轨距标准差则基本保持不变。

2)大机作业对高低、水平、三角坑有明显的改善作用，对轨距有轻微恶化作用，对轨向的影响则存在一定离散性。

3)在上述两点的基础上，提出大型养路机械捣固作业轨道质量评价指数(TQITW)的概念，用于以大机捣固作业为主要内容的综合维修策略研究。该指数实现了设备状态变化规律与作业手段之间的结合，有利于设备的科学管理。

4)对大型养路机械捣固作业轨道质量评价指数数据进行检验分析，发现其服从γ分布。为铁路工务部门制定有砟轨道大机维修管理决策提供了理论依据。

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