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1、轨检车检测原理及使用,1,轨检车检测原理及使用,一.轨检车的车体和检测设备的基本机构二.型车检测原理三.新增项目及动态检测标准修订四.轨道病害成因分析五.如何识别地面标志,武汉铁路局轨道检查车WX999249检测设备从美国Imagemap公司进口，采用线型激光光源、摄像机、图像处理系统，通过对钢轨断面轮廓图像的测量获得轨距、轨向等测量值，是继型、型车以来，第一次采用的基于网络平台的非接触式测量系统。,一.轨检车的车体和检测设备的基本机构,1车上大致情况轨道检查车外形如上图所示，轨道检查车车体是由南京浦镇厂生产的25T型车体，车上包括会议室、仪表室、休息室、厨房、卫生间，有集便器、冰箱、洗衣机、
2、微波炉等生活设备。,2检测设备基本结构轨道检查系统即Laserail断面和几何测量系统（LPGMS），能实时提供钢轨断面和轨道几何精确和可靠的测量，主要包括如下3个主要部分：非接触测量总成；VME计算机系统；通用几何Windows软件。,VME计算机系统安装在轨检车里，非接触测量总成安装在与转向架相连的测量梁中。测量梁中传感器数据经过数字化后发送到VME计算机的几何CPU，然后进行合成和滤波处理，得到轨道几何数据，在检查车里的工作站上运行通用几何软件，可以实时显示轨道几何波形、进行超限判断、数据库存储、超限编辑和报表打印等。,非接触测量总成安装在检查车底下，如下图所示为实物图，检测设备摄像机组
3、配置使用10个摄像机和4个激光器用于钢轨断面的非接触测量，摄像机和激光器被固定安装在车底下的封闭梁里。钢轨内、外两侧激光器发出一扇形光带，垂直照射在钢轨上，在钢轨上形成一垂直断面；同时，断面和轨距摄像机捕捉到激光线的图像，视频图像输出到VMEbus计算机系统，经数字化后，拟合成完整的钢轨断面图像，通过坐标变换、合成和滤波处理等，得到轨道几何数据和钢轨断面磨耗等。,非接触测量设备,惯性测量包安装在激光器/摄像机梁的中部，惯性测量包测量车辆转向架的横向和垂向加速度以及滚动和摇头速率等。,VME计算机系统,返回目录,GJ-5型轨检车检测项目：轨距、左右轨向、左右高低、水平（超高）、三角坑、曲率（弧度
4、或半径）、车体横向加速度、车体垂向加速度、轨距变化率、曲率变化率、车体横向加速度变化率、钢轨断面等。,二.型车检测原理,该轨检车采用梁结构方式的惯性测量及摄像式的图像测量原理，即惯性基准与测量基准被安装在同一刚体内。任何几何量测量系统的基础都是对坐标系的明确定义，以及在这个坐标系下的各种变换和各被测量之间的关系。如下图为坐标系的几何定义：,如图所示：图中采用右手坐标系，各参数定义如下；x轴指向页面的里面为正，表示车体的行进方向；y 轴指向向右的水平方向为正；z 轴指向向下的垂直方向为正；,角j 表示航向偏角，正值为由x 轴方向转向y 轴方向，即向右偏转；角J 表示滚动的偏角，正值表示y 轴方向
5、向z 轴方向旋转，即左轨抬高；角y 表示倾斜角的偏差，正值表示x 轴向z 轴方向旋转，即坡度角；,测量基准（轨检梁刚体）与钢轨及惯性系统的相互位置关系定义如下：gL 左轨轨距点相对测量基准的偏移；gR 右轨轨距点相对测量基准的偏移；dL 左轨踏面顶点相对测量基准的偏移；dR 右轨踏面顶点相对测量基准的偏移；wx 轨检梁的滚动角速率；wz 轨检梁的摇头角速率；ay 轨检梁的横向加速度及倾角；aL 轨检梁的垂向加速度；G 轨道踏面中点之间的标准距离，为1511mm；ht 惯性平台相对于轨距测量线的垂直高度；AL 左侧垂直加速度计安装位置相对梁中心的距离；,轨 距,轨距定义为左右两根钢轨顶面以下16
6、mm点之间的最短距离.在激光断面测量系统中是通过计算左右钢轨顶面各点中具有最大的Y值点以下16mm处间的距离获得的.,轨距由左右钢轨的轨距点相对于测量梁两个固定点位移偏差的代数和而求得，即：其中K为测量梁两个固定点的距离，如果测量梁为刚体，且摄像机的安装位置及角度未发生变化，则为常数。该常数由静态标定确定。,轨距的测量原理,轨道不平顺定义：轨向,钢轨内侧轨距点垂直于轨道方向偏离轨距点平均位置的偏差。分左右轨向两种。轨向也称作方向。,轨向的测量原理,轨向加速度计响应：式中为轨距梁的中点，为轨距梁相对于地面的倾角；第一项为轨距梁横向运动所产生的加速度，正是我们想要的测量值；第二项为重力分量；第三项
7、由于轨距梁侧滚运动所产生的加速度；则左右轨向为：左轨向：=cos()-(+C);右轨向：=cos()+(+C);其中 为轨向测量平面和轨距梁所在平面夹角，可由L和R计算获得。对于安装于构架上的安全梁，轨向的测量平面和轨距梁所在平面并不平行；要将 投影到轨向的测量平面，其投影为*cos()；则通过上述公式即可测得左右轨向。,轨道不平顺定义：高低,钢轨顶面垂直于轨道方向偏离钢轨顶面平均位置的偏差。分左右高低两种。,垂直加速度计的响应：由于垂直加速度计安装在梁的中间，因此AL=0，由该式积分可得到Zb，又由即可计算得到左右高低ZL、ZR。,高低的测量原理,轨道不平顺定义：水平、超高,水平：同一轨道横
8、截面上左右钢轨顶面所在水平面的高度差。不含圆曲线上设置的超高和缓和曲线上超高顺坡量。超高：曲线地段外轨顶面与内轨顶面设计水平高度之差。,超高和水平测量原理,通过测量轨道平面相对于水平面的倾角计算。该倾角等于检测梁的倾角与梁相对于轨道平面倾角之差，即：,检测梁的倾角可由测滚陀螺和倾角仪（水平加速度）可计算得到。梁相对于轨道平面倾角由激光摄像系统计算得到。,轨道不平顺定义：三角坑,轨道平面的扭曲，沿轨道方向前后两水平代数差。也称作扭曲,曲率测量原理,曲率是以列车走行的单位距离轨道的方向角的变化表示。即：由摇头陀螺陀螺可以测量摇头速率,轨检车检测项目正号定义,轨检车正向：检测梁位于轨检车二位端，定义
9、二位端至一位端方向为轨检车正向，轨检车行使方向与轨检车正向一致时为正向检测，反之为反向检测。轨距（偏差）正负：实际轨距大于标准轨距时轨距偏差为正，反之为负；高低正负：高低向上为正，向下为负；,返回目录,轨向正负：顺轨检车正向，轨向向左为正，向右为负；水平正负：顺轨检车正向，左轨高为正，反之为负；曲率正负：顺轨检车正向，右拐曲线曲率为正，左拐曲线曲率为负；车体水平加速度：平行车体地板，垂直于轨道方向，顺轨检车正向，向左为正；车体垂向加速度：垂直于车体地板，向上为正。,为适应铁路提速和重载不断发展的需要，铁路线路修理规则（铁运【2006】146号文）于2006年10月1日正式执行。文中对轨道动态检
10、测标准按V120km/h、120km/h160km/h划分了四级管理值。缺乏速度200km/h以上等级干线管理标准，为适应我国第六次既有线提速改造的需要，以及填补我国铁路线路修理规则没有针对既有线200250km/h区段的养护维修办法和各项检测标准。,三.新增项目及动态检测标准修订,铁道部结合国外高速铁路的成熟经验以及现场积累的相关经验，通过多年干线检测数据的大量分析和研究，提出了针对既有线提速线路200250km/h区段轨道动态检测项目和管理标准，并以此为依据于2007年3月22日铁道部颁布实施 既有线提速200250km/h线桥设备维修规则（铁运【2007】44号）。文中对200和250k
11、m/h区段轨道动态管理标准进行了明确，增加了提速区段高低、轨向、长波长、轨距变化率、曲率变化率和横加变化率等管理项目。由此形成了V120km/h、120V160km/h、160km/hV200km/h、200km/hV250km/h四个速度等级的轨道动态管理标准，后经过宜昌轨检车会议讨论后形成新的轨道动态管理暂行试验标准如表3所示。,表3 轨道动态管理暂行试验标准,新增加的长波长高低、轨向和三个变化率指标主要用于评价高速区段的列车运行的安全性与乘坐舒适性。伴随行车速度的不断提高，对于行车安全有影响的轨道部平顺波长范围也随之扩大。运行速度从120提高到200250公里/小时，需要控制的轨道部平顺
12、波长范围也有30米扩大到70米甚至120米，长波不平顺对车体振动的影响更加重要，由此引发必须监控和校正的波长范围也大为增加。变化率是轨道不平顺局部波形特征描述的方法之一，其反应的是幅值的变化快慢，不同于单纯的幅值大小。,曲率变化率,曲率变化率是以18m基长曲率测量值的差值与基长的比值。选择18m主要考虑车辆定距和滤波。曲率可以通过测量20m正矢得到，简化近似公式为：，C为曲率(1/m)，为20m正矢(mm)。曲率变化率静态测量时，基长取20m，则曲率变化率为:。即弦长20m正矢变化为1mm时，曲率变化率为。曲率变化率主要考虑直线段长波长轨向和曲线段曲线不圆顺，是舒适性控制指标。,轨距变化率,轨
13、距变化率是以2.5m基长轨距测量值的差值与基长的比值。选择2.5m主要考虑车辆轴距和滤波。轨距变化率直接影响轮轨接触几何，危机行车安全和舒适性。,横向（水平）加速度变化率,横加变化率是以18m基长车体横向加速度测量值的差值与车体通过基长所用时间的比值。选择18m主要考虑车辆定距和滤波。横加变化率是舒适性控制指标。,(1.570m)长波高低和轨向不平顺,1.570m是长波高低和轨向不平顺随机信号所包含的波长范围。以往轨检车检测输出和评价的高低和轨向波长范围是1.542m。对于160km/h以下线路1.542m波长范围的高低和轨向不平顺足以反映影响行车安全和舒适性。,但160km/h以上是1.54
14、2m波长范围的高低和轨向不平顺主要反映影响行车安全，考虑舒适性必须而且重点考虑1.570m波长范围的高低和轨向不平顺。,轨距变化率、曲率变化率和横加变化率评价的实际几何不平顺都是轨向，只是其中关注的波长和侧重点不同。轨距变化率重点评价较短范围内的轨向不平顺，其影响轮对的滚动半径差和轮轨力，但是对车体的横向振动影响较弱。横加变化率所关注的轨向波长属于中波范围内，横加变化率引入了车速变量，因此受车速影响较大，而且其计算量有车体横加参与，各车的运行速度和振动特性的差异也使其重复性较差。曲率变化率可以捕获较长波长范围内的轨向不平顺，其与长波长轨向对应较吻合。,返回目录,四.轨道病害成因分析,1轨距病害
15、的危害及成因分析,轨距病害幅值过大过小，在其他因素作用下，可能会引起列车脱轨或爬轨。影响轨距偏差值主要有以下几个方面：轨道结构不良：如钢轨肥边、硬弯、曲线不均匀侧磨、枕木失效、道钉浮离、轨撑失效、扣件爬离、轨距挡板磨耗、提速道岔基本轨刨切部分不密贴等。几何尺寸不良：如轨距超限、轨距递减不顺、方向不良等。框架刚度减弱：扣件扣压力不足、轨道外侧扣件离缝弹性挤开（木枕线路尤其如此）等。,轨距超限实例,2.轨向病害的危害及成因分析,轨向检测项目是评价直线轨道的平直度和曲线轨道的圆顺度。轨向病害过大会使车轮受到横向冲击，引起车辆左右晃动和车体摇摆振动，对列车平稳度和舒适度产生较大影响，加速轨道结构和道床
16、的变形。影响轨向偏差值主要有以下几个方面：几何尺寸不良：直线区段方向不良、曲线区段不圆顺（正矢超限）、轨距递减不平顺等。轨道结构不良：钢轨硬弯、不均匀磨耗、木枕失效、连续道钉浮离等。框架刚度减弱：扣件扣压力不足、轨道弹性不均匀挤开等。,轨向超限实例,3.前后高低不平顺病害的危害及成因分析,众所周知前后高低不平顺（简称高低）会增加列车通过时的冲击动力，加速轨道结构和道床的变形，对车辆设备、列车行车安全构成危害，其危害大小与高低的幅值、变化率成正比，与高低波长成反比。对车辆影响较大的高低有三种。,第一种：波长在2m以内的高低，其特征幅值较小、波长较短，但变化率较大，对车轮的作用力也较大，如列车速度
17、为60110km/h时，高低引起的激振频率接近客车转向架的自振频率，将产生很大的轴箱垂直振动加速度。引起这种类型高低的因素主要为接头低扣、大轨缝及钢轨打塌、掉块、鞍磨等。,第二种：波长在10m左右的高低，现场较常见。其特征幅值较大、波长较长，能使车体产生沉浮和点头振动。如列车速度为60110km/h时，高低引起的激振频率接近客车车体自振频率，将产生较大的车体垂直振动。这种类型的高低易产生在桥头、道口、隧道、涵洞、道床翻浆地段软玉接合部。,第三种：波长在20m左右的高低，其特征是幅值较大、波长较长，能使车体产生点头振动，当车体振幅方向与高低振幅方向相同时，将使车体产生较大振动，这种高低较少，现场
18、工作人员容易忽视。因此，现场检查高低所用的弦绳应携带20m，在检查时用任意弦测量。,高低不平顺实例,4.水平病害的危害及成因分析,水平病害偏差值过大将使车辆产生倾斜和测滚振动，引起轮轨作用力变化。当水平超限幅值和运行速度一定时，其短波水平超限比长波水平超限对车辆产生的影响大。影响水平偏差幅值主要有以下几个方面：习惯做法：现场工作人员习惯将一股钢轨抬高，造成一面高现象，人为造成水平偏差值。两股钢轨下沉量不一致。一股钢轨有空吊、暗坑现象。缓和曲线超高顺坡不良。,水平超限实例,5.三角坑病害的危害及成因分析,三角坑病害偏差值过大，引起轮轨作用力变化，从而影响行车稳定性，其高点会使车辆出现侧滚，同时对
19、车体附加一个垂直力，使车辆产生垂直振动；其低点会使车轮悬空减载，同时使车辆转向架扭曲变形，在其他因素作用下可能造成列车脱轨。影响三角坑偏差值主要是空吊、暗坑、反撬水平、缓和曲线超高顺坡不良（直缓点、缓园点易出三角坑）等。,三角坑超限实例,6.车体振动加速度病害的危害 及成因分析,车体振动加速度（垂直振动加速度、水平振动加速度）病害过大，直接影响列车的平稳度、旅客的舒适度，在其他因素作用下可能引起列车脱轨。它的偏差值大小除了与车辆构造有关外，还与列车速度、轨道结构状态、轨道各种不平顺的幅值、波长、分布及变化率有关，是轨道质量状态的综合反映。影响车体振动加速度主要有以下几个方面：,轨道几何状态不良
20、（如高低不平顺、轨面波浪磨耗等），接头综合状态不良（如错牙、大轨缝、低扣、打塌、掉块、鞍磨等），道床弹性不良（如板结、翻浆、线桥、线道、线隧、新老路基结合部等）及多种病害叠加对垂直振动加速度偏差影响较大。,曲线、道岔区连续小方向（硬弯）、轨距递增不顺、钢轨直线区段交替不均匀磨耗、逆向位复合不平顺（如水平、轨向）、曲线超高设置与即时速度不匹配（如欠超过、过超高）及多种病害的叠加等队水平振动加速度偏差值影响较大。,车体振动加速度超限,车体加速度辅助判断方法,一般大的轨道不平顺都可能引起较大的车体加速度响应，但受到列车速度的影响不同波长的轨道不平顺在不同速度下引起的车体加速度也不相同。一般情况高低和
21、车体垂向加速度、轨向和车体水平加速度相关性较好，特别是轨道不平顺波长与车体敏感波长一致时，轨道不平顺与车体加速度能一一对应，只是相位不同。因此，利用车体加速度可以辅助评判超限正确性，以利于超限编辑。,返回目录,五如何识别地面标志,在我们平常看图需要注意的就是地面标志的识别，及ALD信号的识别。轨道上的道口、道岔、桥梁、轨距拉杆等会含有金属部件，安装于轨检梁上ALD传感器可以探测到这些金属部件，其输出的信号可以和里程、轨道不平顺同步显示在轨道检测波形图上。由于道口、道岔、桥梁、轨距拉杆等会含有金属部件大小、形状、位置不同，ALD信号反应就有所区别。因此根据ALD信号特征可以识别就可以道口、道岔、
22、桥梁、轨距拉杆位置，根据这些位置可以方便准确地找出轨道病害的位置。实际应用时可以结合曲率和超高波形图来共同确定轨道病害位置。,道岔区ALD信号特征,轨检车直向或侧向过道岔时，安装在轨检梁上的ALD传感器经过转辙器尖轨拉杆和导曲线钢轨或连接部分直股连接钢轨产生高电压信号。拉杆较细，ALD反应持续时间短，ALD信号表现为两根小刺；导曲线钢轨和连接部分直股连接钢轨较粗，ALD反应持续时间较长，同时ALD通过轨迹斜交钢轨，因此ALD经过导曲线钢轨和连接部分直股连接钢轨时产生等边梯形信号曲线,桥头ALD信号特征,轨检车通过桥时，安装在轨检梁上的ALD传感器在通过桥两头护轨梭头时产生感应产生一对高电压信号
23、，并且当ALD传感器偏离轨检梁中心较大时ALD还能感应到桥梁护轨产生高电压信号。护轨处ALD信号波动是由于检测梁随转向架横向摆动引起ALD与护轨距离变化产生的。现在许多新建桥梁无护轨，这时桥梁位置较难识别。桥头常见的轨道不平顺超限是路桥过渡段不均匀下沉产生的高低超限，特别是长波长高低不平顺超限。,平交道口ALD信号特征,平交道口处在轨道中心一般有钢筋混凝土板和其钢板约束，当ALD传感器从上面经过时产生感应，产生高电压信号。平交道口日常较难维修，因此产生空吊，道口常见的病害是三角坑和轨距，但有时因平交道口处因泥土覆盖在轨距点上产生虚假的小轨距超限。,电容枕ALD信号特征,当ALD传感器通过电容枕时产生感应，产生高电压信号，但持续时间较短，当ALD增益调节恰当时能检测到电容枕位置。电容枕一般等间距布置，根据电容枕位置也可以确定轨道病害确切位置。,道心摆放钢轨ALD信号特征,当列车经过道心中间放置有钢轨的区段时，ALD传感器立即感应到，产生高电压信号，而且幅值大，持续时间长，一直到道心有钢轨的区段结束，如图所示。如我们平常在波形图看见这样的图幅，可以查看现场是否有铁器，如钢轨等，我们可以根据这些特征来定位里程。,
