移动式线路动态加载车轨道刚度检测系统研究与应用

金花

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

移动式线路动态加载车轨道刚度检测系统研究与应用

金花

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

介绍移动式线路动态加载车轨道刚度检测系统的检测原理和实施方案，分析该系统在既有重载、普速线路及新建重载线路上的检测数据。分析结果表明:轨道刚度检测系统能应用于不同铁路线路，并可在恒定荷载下对轨道刚度进行非接触式、快速、高精度的静态和移动检测;重载铁路和普速铁路试验区段内，桥梁、隧道地段的轨道垂向刚度大于路基地段;重载铁路的轨道垂向刚度大于普速铁路;铺设新型轨道结构地段的轨道刚度振幅小于临近地段，轨道弹性明显改善。

移动式线路动态加载车;刚度检测;弦测法;轨道变形;激光传感器

移动式线路动态加载车(TLV)主要用于在线路上进行静态加载和移动加载试验，以检验高速铁路轨道、桥梁和路基结构在列车荷载作用下的动力性能，评估结构强度和稳定性，为高速铁路线路工程结构的优化设计、系统集成和养护维修提供更为合理的科学依据［1］。TLV是连续检测轨道刚度的设备，其轨道刚度检测系统是在恒定荷载下测量钢轨垂向的变形值，以计算轨道结构的整体刚度［2］。2011年中国铁道科学研究院研制成功的移动式线路动态加载车(见图1)由动力加载车(以下简称加载车)和仪器试验车(以下简称仪器车)2辆车组成。主要参数如下:垂向最大加载力(单轴)为350 kN;横向最大加载力(单轴)为100 kN;轨道变形测试精度为0.2 mm;加载控制精度优于5%;加载时最大运行速度60 km/h，最大联挂运行速度160 km/h。

图1 移动式线路动态加载试验车

到目前为止，移动式线路动态加载车上的轨道刚度检测系统已在既有重载、普速和高速铁路线路以及新建重载铁路线路上进行检测，检测里程达上万公里。其检测的轨道刚度直接反映了轨道的承载能力。检测轨道刚度可以识别轨道状态不良区段，对于线路工程质量检测、既有线路病害检测及处理具有重要意义。

1 轨道刚度检测原理

轨道刚度［3-4］定义为当一个集中荷载作用在钢轨上，钢轨产生单位下沉所对应的集中荷载大小。即当轨道承受的垂直力为P时，轨道弹性下沉量为y，轨道刚度K=P/y。

图2 双弦测法测量示意

由于车辆运行过程中存在各种运动，轨道刚度检测中合理确定检测基线是首要难题。另外，轨道本身的不均匀下沉、轨道表面不均匀磨耗、焊缝区不平顺、轨道残余变形不均匀等因素都会直接影响检测精度。为此采用双弦测法来消除上述问题，见图2。通过轨道加载前后的位移差值，即可得到轨道弹性下沉量式中:yH为重轮载作用时弦测值;yL为轻轮载作用时弦测值;y2为基线误差、轨面静态不平顺和暗坑吊板引起的不平顺之和;yKH为重轮载作用时轨道弹性下沉量;ykL为轻轮载作用时轨道弹性下沉量。

因为轻轮载作用时轨道承受的垂向力为0，故重轮载作用时轨道承受的垂向力P即为集中荷载，从而算出轨道垂向刚度K=P/y。

2 实施方案

根据轨道刚度检测原理，通过加载车上的液压加载系统，可实现在TLV行驶过程中对轨道施加垂向荷载和横向荷载，模拟列车运行时对轨道产生的垂向力和横向力［6］，也可以在TLV静止时对轨道施加静态荷载、高频动载和瞬间冲击荷载。通过系统布置的12个二维激光传感器，可以同时检测左右轨在恒定荷载下的轨道弹性下沉量。传感器布置示意如图3。传感器实际安装情况［7］如图4椭圆内所示。

图3 传感器布置示意

图4 传感器实际安装情况

3 动态刚度测试及结果分析

3.1 动态刚度测试

测试分为垂向和横向加载2种工况。各工况加载情况及运行速度见表1。

表1 各工况加载情况及运行速度

3.2 结果分析

3.2.1 轨道垂向刚度分布

轨道刚度质量指数是评价轨道刚度均匀程度的指标。选择2～50 m波长滤波后的数据，然后计算200 m区段轨道刚度标准差，得到轨道刚度质量指数。2 m基本涵盖我国大部分车辆转向架的轴距，50 m可以覆盖中长波的轨道变化情况，因此选择2～50 m作为滤波的波长。

不同线路、不同地段的轨道垂向刚度区别比较大，下面对重载和普速铁路的路基、桥梁、隧道各地段的轨道垂向刚度进行分析。

1)重载铁路

重载铁路不同区段轨道垂向刚度分布如图5所示［8］。由图5可见:路基、桥梁、隧道地段的轨道垂向刚度97%以上分别在110～220，130～430，150～470 kN/mm;桥梁、隧道地段轨道垂向刚度明显大于路基地段。

图5 重载铁路不同区段轨道垂向刚度分布

2)普速铁路

普速铁路不同区段轨道垂向刚度分布如图6所示［9］。由图6可见:路基、桥梁、隧道地段的轨道垂向刚度97%以上分别在80～170，120～260，100～260 kN/mm;桥梁、隧道地段的轨道垂向刚度明显大于路基地段。

图6 普速铁路不同区段轨道垂向刚度分布

对比图5和图6可以发现，重载铁路的轨道垂向刚度明显大于普速铁路。

3.2.2 轨道横向强度分布

目前轨道横向强度分析主要采用加载车的轨枕横向位移来判断横向力作用下单侧的轨距保持能力，从而反映扣件系统的状态。单侧加载横向力50 kN，同时加载侧的垂向力为75 kN、非加载侧的垂向力为25 kN。在整个测试区段内轨枕横向位移的分布情况如图7所示。可见，轨枕横向位移基本上都＜1 mm，总体上轨道横向强度比较一致。

图7 轨枕横向位移分布

3.2.3 新型轨道结构地段的轨道刚度分布

铺设新型轨道结构地段及其邻近区段轨道刚度、轨道变形及加载力分布如图8所示。由图8可见:复合轨枕、弹性轨枕和道砟垫可以明显改善轨道弹性，其铺设区段的轨道刚度振幅小于临近区段;与临近区段的过渡段存在轨道刚度突变的情况。

3.2.4 典型薄弱区段轨道垂向刚度分布

在线路检测区段内，进行多次往返检测，每次都在同一地段，检测出轨道薄弱区，如图9中虚线波形A段所示，在此地段进行了多点静态加载，复核情况如图9实线波形所示［10］。移动加载与静态加载情况基本一致。图10是同一地段轨检车测试的左高低右高低波形，也存在波动较大情况。结合图9与图10的波形数据分析认为，A处轨道结构强度较低，可能存在轨枕空吊，已上报相关部门复核。

图8 铺设新型轨道结构地段及其邻近区段轨道刚度、轨道变形及加载力分布

图9 移动加载与静态加载测试结果对比

图10 轨检车测试的左高低、右高低波形

4 结论

移动式线路动态加载车上的轨道刚度检测系统已在既有重载、普速和高速铁路线路以及新建重载铁路线路上进行检测。其特点如下:

1)轨道刚度检测系统能提供恒定的静态荷载和移动荷载，并可在恒定荷载下对轨道刚度进行非接触式、快速、高精度的静态和移动检测，能应用于不同铁路线路，较准确地得到不同线路、不同轨道状态的轨道刚度，能及时发现铁路线路的薄弱区段，其移动加载与静态加载情况下检测结果基本一致。

2)重载铁路试验区段内，路基、桥梁、隧道地段的轨道垂向刚度97%以上分别分布在110～220，130～430，150～470 kN/mm;普速铁路试验区段内，路基、桥梁、隧道地段的轨道垂向刚度97%以上分别分布在80～170，120～260，100～260 kN/mm。桥梁、隧道地段的轨道垂向刚度和振幅均大于临近路基地段;重载铁路的轨道垂向刚度明显大于普速铁路。

3)复合轨枕、弹性轨枕和道砟垫可以明显改善轨道弹性，其铺设区段的轨道刚度振幅小于临近区段。

［1］肖俊恒，王继军．移动式线路动态加载车的研制［J］．中国铁路，2008(12):16-19．

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

［3］赵国堂．铁路轨道刚度的确定方法［J］．中国铁道科学，2005，26(1):1-6．

［4］吕关仁．路桥过渡段轨道结构动力特性分析［J］．铁道建筑，2012(6):114-117．

［5］金花，柴雪松，潘振，等．移动式线路动态加载车轨道刚度检测系统研究［J］．铁道建筑，2014(1):99-102．

［6］杨亮，柴雪松，李伟，等．移动式线路动态加载车液压加载系统设计［J］．铁道建筑，2014(4):110-113．

［7］暴学志，柴雪松，李家林，等．移动式线路动态加载试验车加载机构设计［J］．铁道建筑，2011(12):113-115．

［8］中国铁道科学研究院．移动式线路动态加载车试验报告［R］．北京:中国铁道科学研究院，2013．

［9］中国铁道科学研究院．武汉局京广线试验段基于移动加载车和探地雷达的轨道状态检测［R］．北京:中国铁道科学研究院，2015．

［10］潘振，金花，柴雪松，等．移动式线路动态加载试验车轨道刚度检测技术［J］．铁道建筑，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

(责任审编葛全红)

2016-09-10;

2016-10-10

中国铁道科学研究院基金(2014YJ020);铁道科学技术研究发展中心科研专项(J2015G001)

金花(1979—)，女，助理研究员，硕士。