基于动静态检测数据的轨道精测精调评价技术

2019-10-18刘学文杨怀志马颖伟

铁道建筑 2019年9期

刘学文，杨怀志，杨飞，梅田，马颖伟

（1.京沪高速铁路股份有限公司，北京 100038；2.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081；3.中国铁路济南局集团有限公司工务部，山东济南 250001）

轨道几何不平顺是轮轨系统的激扰源，是引起机车车辆产生振动和轮轨动作用力的主要原因，对列车的行车安全性、平稳性、舒适性，车辆和轨道部件的寿命及环境噪声有很重要的影响［1-2］。高速铁路由于列车行驶速度快，要求轨道必须具有非常高的平顺性［3-5］。

轨道几何不平顺检测主要分动态检测和静态检测2 种方式［6-7］。高速铁路动态检测主要是通过综合检测列车进行周期性的检测，能够快速地反映轨道几何不平顺问题，最高检测速度可达到350 km/h［8］。高速铁路静态检测主要是使用轨检仪或轨测仪进行轨道不平顺的检测［9］，其速度虽然慢，但轨测仪能够得到轨道的绝对坐标，结合设计资料可以得到平面位置的偏差、高程的绝对偏差、超高偏差、轨距偏差等，可以用于指导高速铁路精调作业。

对高速铁路无砟轨道不平顺的整修主要是通过精调作业来完成。轨道精调分为静态精调和动态精调。静态精调是指联调联试前的精调，在轨道应力放散、线路锁定、焊缝打磨之后，对轨道线形进行优化，将轨道几何尺寸调整到允许范围。动态精调是指在联调联试、运行试验、运营期间的精调，根据综合检测车动态检测情况对轨道局部缺陷进行修复，对部分区段的几何尺寸进行微调。动态精调的工作程序一般为：动检车动态检测→检测数据分析→现场问题核查→轨道小车检查→确定调整方案→现场调整→复核［10］。

虽然高速铁路动态检测和静态检测都是对轨道几何不平顺进行检测，但由于其测量原理和评价标准不一致，两者的检测数据之间并不能通用。目前我国主要通过动检车幅值和均值评价方法对高速铁路几何不平顺进行管理［11］。因此，急需研究用静态检测数据反演动态检测数据的方法，以便模拟评估精调前后轨道几何状态在动态检测时的大致情况。此外，根据调研结果，轨道精调作业用时已占到年度整修工作用时的70%以上，因此对于轨道精调作业效果以及精调作业时机，还需要进行探讨。

1 无砟轨道精测精调技术

无砟轨道精测要用到轨道测量仪，轨道测量仪包含全站仪和轨道测量小车。其检测原理是通过线路两侧8 个CPⅢ点坐标计算全站仪坐标，用全站仪坐标计算轨道测量小车所在轨枕上的钢轨绝对坐标，并计算其与设计坐标的偏差，得到精测数据［12-14］。通过对精测数据作转换格式等操作，利用模拟精调软件进行模拟精调，输出可视化的模拟调整后线形及每根钢轨调整量，用于指导精调作业。

无砟轨道精调是利用无砟轨道精调软件模拟的调整量改变轨道平顺度，使得线路线形趋于理想的一种方法。高速铁路对轨道精调的精度要求很高。

为优化轨道精调作业组织，提高轨道精调效率，可使用轨道测量仪和轨道检查仪，用以下方法组织轨道精调。

1）按照作业要求进行轨道精测，测量钢轨对应轨枕处的绝对坐标。若精测地段CPⅢ高程精度无法满足8 个点精度均合格的要求，可根据其高程能够满足要求的点位进行选择，最少选择2 个点并在其前后段的精测设站过程中始终选用这些点位。需要明确的是，该测量方法能够满足200～300 m 内的绝对测量，其对钢轨相对偏差的测量误差随与所选点位的距离逐渐增大，故不适于长范围内的精测。这种方法对于钢轨绝对位置的测量存在偏差，但不影响轨道精调作业质量。

2）轨道精测后按照设计基准线对线形进行模拟调整，调整后的线形相对设计基准可略有偏差，但偏差应在设计线形同一侧并保持稳定或平稳变化。若模拟调整后线形出现较大幅度变化则说明精调效果不佳，反映在综合检测列车上为不平顺峰峰值变化量较大，轨道质量指数均值较大。

3）根据轨道精调作业要求，按照模拟调整给出的精调量进行现场轨道精调施工，尽可能消除0.5 mm以上的轨距变化率、轨距、水平偏差及0.5 mm 以上的轨距挡板（挡块等）与钢轨轨底角间的离缝。若轨距挡板（挡块等）与钢轨轨底角间的离缝不在轨距挡板（挡块等）的可调范围内，更换轨距挡板不能消除该处离缝，则可通过螺栓扣紧的先后顺序来消除这一离缝。如：钢轨右侧轨底与挡板间存在0.3 mm 离缝，可通过将该处及其前后钢轨扣件松开，先紧固右侧螺栓至消除该处离缝，再紧固左侧螺栓使钢轨左右位置不变，最后将左右扣件紧固至扣压力达标，即可实现消除离缝的目的。该作业方法也可用于轨距变化率或轨向的调整。

4）对钢轨高低、轨向进行调整后，可利用轨道检查仪全面检测精调区段，并汇总出轨道质量指数及每根钢轨上的轨距、轨距变化率、水平及短波内的高低、轨向数据，按照轨距、水平±0.5 mm，轨距变化率0.43 mm，高低、轨向±1 mm 进行颜色标注，对轨道质量指数的分项数据进行分析，对分项中较大的项目按照标注颜色后的区段进行再次调整，从而降低轨道质量指数。

2 用静态精测数据反演动态检测数据的方法

轨道几何静态精测的原理是运用全站仪、轨检小车、棱镜等对轨道的实际坐标进行测量，并与轨道的理论设计坐标进行对比，得到实际轨道位置与理论轨道位置的偏差。全站仪和棱镜主要用于测量距离和角度，轨检小车用于测量轨距、水平、高低等参数。

我国轨道几何动态检测主要采用惯性基准法，原理是利用加速度计或陀螺建立一个惯性参考基准，然后再利用位移传感器等来测量轨道与基准的相对关系，从而得到所需的轨道几何参数。轨道几何动态检测中的高低和轨向是相对测量，其检测波长被限制在特定的范围内。这是因为要快速地将轨道上存在的不平顺完全准确地检测出来是很困难的，且车辆只对此波长范围的轨道不平顺有响应。如我国中波高低和轨向波长为1.5～42.0 m；长波高低和轨向波长为1.5～70.0 m或1.5～120.0 m。

由于轨道几何静态精测是绝对测量，精测数据包含了各种波长成分，因此要设计适当的高通滤波器滤出动态检测不需要的波长成分，保留所需的波长成分，以实现静态到动态的反演。滤波器的设计是不平顺反演好坏的关键。

经过对数据的大量分析和对各种类型滤波器的研究发现，通过窗函数滤波器的级联或并联，在一定程度上可以改善滤波器的性能。本文采用多个矩形窗级联的方法优化滤波器，使幅频响应曲线的极大值点与极小值点交替出现，且高通滤波器通带内波动尽可能地小和相等。该滤波器的相位特性满足线性相位条件，其传递函数为

式中：k为截止波长；m= 0.829k；n= 0.646k。

将经过式（1）滤波的数据再次进行FIR（finite impulse response）带通滤波器滤波，带通滤波器滤波的截止波长与我国动态轨道不平顺检测标准中的高低、轨向波长一致，如1.5～42.0 m，采用矩形窗。由于静态精测的数据采样间隔与动态检测的采样间隔并不相同，还需要进行内插转换，一般静态检测采样间隔为0.65 m，动态检测采样间隔为0.25 m。

利用某高铁一段精测数据进行测试，轨测仪静态精测数据见图1，用其反演的动态检测数据见图2，静态反演数据与动态检测数据对比见图3。

图1 轨测仪静态精测数据

图2 用静态数据反演的动态数据

图3 K11—K12区段静态反演数据与动态检测数据对比

由图3可见，静态反演数据与实测动态检测数据之间个别地方还是存在微小的差异。这主要是由以下2个方面造成的：

1）设计的滤波器与综合检测列车实际检测系统中的滤波器不可能完全相同；

2）动态检测是在有载的状态下进行，静态检测是在无载的状态下进行，当在有载情况下进行检测时，轨道结构的一些变形如轨道板波长会进入到信号中，见图4。

图4 静动态测量数据频域对比

图4中，虽然个别地方存在微小差异，但仍可以满足TJ/G W126—2014《轨道检测系统暂行技术条件》［15］规定的同一轨道检测系统2次检测数据之间差异值控制在95%且不大于1 mm 的要求，见图5。因此，利用此方法可以将静态检测数据与动态检测数据关联起来，实现评价标准通用，不仅能对精调效果予以静态评估，还可预测精调作业的动态评估结果，促进精调作业快速满足静动态轨道几何不平顺的检测标准。