張 磊,張玉明

(鄭州鐵路局南陽(yáng)工務(wù)段,河南南陽(yáng) 473000)

1 概述

經(jīng)六次鐵路大提速后,為使軌檢車檢測(cè)資料能更好地指導(dǎo)線路維修,提高養(yǎng)護(hù)維修質(zhì)量,結(jié)合國(guó)外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,經(jīng)研究和試驗(yàn),自 2008年 2月1日起,將軌道動(dòng)態(tài)管理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了調(diào)整,在對(duì)線路質(zhì)量的動(dòng)態(tài)檢查指標(biāo)中,增加了對(duì)曲率變化率、軌距變化率、橫向加速度變化率三項(xiàng)指標(biāo),這樣,對(duì)線路質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)到 10個(gè),其中曲率變化率的基長(zhǎng)采用 18 m,單位是(1/m2×10-6)。 v≤120 km/h時(shí) ,曲率變化率Ⅰ級(jí)病害管理值 5.0,Ⅱ級(jí)病害管理值 6.5;120 km/h＜v≤160 km/h時(shí),曲率變化率Ⅰ級(jí)病害管理值 3.0,Ⅱ級(jí)病害管理值 4.0;160 km/h＜v≤200 km/h時(shí),曲率變化率Ⅰ級(jí)病害管理值 2.0,Ⅱ級(jí)病害管理值 2.5;200km/h＜v≤250km/h時(shí),曲率變化率Ⅰ級(jí)病害管理值 1.2,Ⅱ級(jí)病害管理值 2.0。

因長(zhǎng)期以來(lái)形成的線路維修保養(yǎng)習(xí)慣不能適應(yīng)新的線路質(zhì)量要求,加之這些新增加的檢測(cè)指標(biāo)在線路幾何狀態(tài)上表現(xiàn)的并不直接,基層生產(chǎn)人員對(duì)這些指標(biāo)的認(rèn)識(shí)還存在一定的差距,在每次動(dòng)態(tài)檢查的 10個(gè)線路質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)中,曲率變化率的出分都占了不良出分的絕大多數(shù),制約了線路質(zhì)量的提高,就南陽(yáng)工務(wù)段自 2008年底至 2009年 2月份共 4個(gè)月的出分情況看,鄭州鐵路局南陽(yáng)工務(wù)段共管轄正線設(shè)備 1 022km,其中寧西線為單線,管轄 315 km,焦柳線為復(fù)線,管轄里程 346 km。2008年 10月份動(dòng)態(tài)檢查,寧西線共出分 2290分,其中曲率變化率 1 423分,占 62.14%;焦柳上行共出分 3 337分,曲率變化率出 2 502分,占74.98%;焦柳下行共出分 3 705分,曲率變化率出分 2 136分,占 56.95%;

2008年 11月,寧西線共出分 2 158分,其中曲率變化率 1 183分,占 54.82%;焦柳上行共出分2 800分,曲率變化率出分 2 522分,占 90.07%;焦柳下行共出分 3 387分,曲率變化率出分 2 182分,占64.42%;

2008年 12月,寧西線共出分 2 050分,其中曲率變化率出分 1 409分,占 68.73%;焦柳上行共出分 2 831分,曲率變化率出分 2 532分,占 89.44%;焦柳下行共出分 3 176分,曲率變化率出分 2 112分,占66.5%;

2009年 2月,寧西線共出分 2422分,其中曲率變化率出分 1 307分,占 53.96%;焦柳上行共出分2 759分,曲率變化率出分 2 468分,占 89.45%;焦柳下行共出分2 842分,曲率變化率出分 2 260分,占 79.52%;

在以上出分統(tǒng)計(jì)中,總出分因行車及維修保養(yǎng)的原因,呈現(xiàn)一定的波動(dòng),但曲率變化率卻呈現(xiàn)出相對(duì)的穩(wěn)定,并在部分區(qū)段呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),如焦柳下行,自 2008年 10月至 2009年 2月,總出分分別為 3 705、3 387、3 176、2 842分 ,曲率變化率出分分別為 2 136、2 182、2 112、2 260分,所占比例分別為 56.95%、64.42%、66.5%、79.52%?？梢钥闯?總的出分趨向于下降,但曲率變化率出分卻存在上升趨勢(shì),所占總分比例則更是明顯上升。

2 曲率變化率的現(xiàn)場(chǎng)處理

2.1 曲率變化率不良的原因分析

對(duì)于曲率變化率超管理值的原因分析時(shí),因該指標(biāo)是上級(jí)有關(guān)部門為提高養(yǎng)護(hù)維修質(zhì)量,結(jié)合國(guó)外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,經(jīng)研究和試驗(yàn),才確定加入動(dòng)態(tài)評(píng)定指標(biāo)對(duì)線路質(zhì)量進(jìn)行考核的,所以基層設(shè)備管理部門對(duì)其存在的合理性便未產(chǎn)生任何懷疑,首先從自身找原因,可能是自己管理的線路確實(shí)存在問(wèn)題。為此,專門對(duì)曲率變化率不良地段進(jìn)行了比較分析,發(fā)現(xiàn)大多出現(xiàn)在曲線頭尾附近,而且在為變更線間距而設(shè)置的反向曲線(圖1)中出現(xiàn)的曲率變化率超限數(shù)量、位置及幅值都相當(dāng)接近,與行車方向密切相關(guān)。鑒于此,我們便選擇了一對(duì)反向曲線進(jìn)行整正,使曲線及兩端直線方向消除可能存在的方向偏差,為避免整正時(shí)出現(xiàn)的測(cè)量誤差,在曲線測(cè)量時(shí)放棄使用經(jīng)緯儀直接測(cè)量偏角的方法(根據(jù)實(shí)踐,利用經(jīng)緯儀直接對(duì)一對(duì)反向曲線進(jìn)行放線,需要在其交點(diǎn)處進(jìn)行兩次置鏡,并且角度上的少許偏差將會(huì)導(dǎo)致對(duì)點(diǎn)時(shí)橫向位置出現(xiàn)較大的偏移),而是利用經(jīng)緯儀對(duì)其臨線的直線方向進(jìn)行訂正,保證其任意點(diǎn)的直線方向誤差不大于±1mm,然后以臨線為測(cè)量基準(zhǔn),利用曲線的轉(zhuǎn)角 α、兩側(cè)平行段的線間距 H1、H2計(jì)算出曲線上各點(diǎn)到臨線的距離,然后再在現(xiàn)場(chǎng)確定出曲線兩端 30m范圍內(nèi)直線、兩曲線及其中間夾直線的平面坐標(biāo)準(zhǔn)確位置,按計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)確定的線路平面位置對(duì)該兩條曲線及夾直線進(jìn)行了細(xì)致的撥正,此做法足以保證線路可以恢復(fù)到準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)位置。

圖1 變更線間距反向曲線示意

但在以上作業(yè)對(duì)曲線進(jìn)行了徹底的整治之后,當(dāng)月動(dòng)態(tài)檢查仍然出現(xiàn)了 4處曲率變化率超限記錄,與改造前比較并無(wú)明顯改觀,該 4處曲率變化率不良地點(diǎn)分別出現(xiàn)在進(jìn)入曲線 20m左右,長(zhǎng)度為 32m,間隔約 10m又出現(xiàn)另一處曲率變化率超限,長(zhǎng)度也是 32 m。另一條曲線的曲率變化率也出現(xiàn)在進(jìn)入曲線約 20 m的位置,間隔是 9m,后又出現(xiàn)一處曲率變化率不良記錄,長(zhǎng)度也是 32m。對(duì)以上試驗(yàn)觀察進(jìn)行了 3組,結(jié)果都相似,通過(guò)向動(dòng)態(tài)檢查車技術(shù)人員請(qǐng)教后發(fā)現(xiàn),關(guān)于曲率變化率參數(shù)的設(shè)置完全是按規(guī)定進(jìn)行的,其值是后期通過(guò)計(jì)算機(jī)處理得到的,而計(jì)算機(jī)處理所用的數(shù)據(jù)在評(píng)價(jià)曲線狀態(tài)時(shí)所得到的指標(biāo)也與現(xiàn)場(chǎng)吻合。在這種情況下,決定對(duì)曲率變化率這個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)的設(shè)置初衷和理論依據(jù)進(jìn)行了仔細(xì)的研究,以期找到問(wèn)題的癥結(jié)所在。

2.2 曲率變化率的模擬分析

為找到軌道線路中曲率變化率不良地點(diǎn)對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)線路幾何狀態(tài),按《GJ-4型軌道檢查車的原理與應(yīng)用》中所介紹的軌道檢查車對(duì)曲率變化率的檢測(cè)原理,對(duì)焦柳線下行 K332+009曲線進(jìn)行了曲率變化率的模擬分析,該曲線的半徑為 4 000 m,轉(zhuǎn)向角為0°29′00″,曲線長(zhǎng)為 33.743m。

軌道動(dòng)態(tài)檢查車在對(duì)曲線曲率檢測(cè)時(shí),采用的是一定弦長(zhǎng)曲線所對(duì)應(yīng)的圓心角,軌檢車通過(guò)曲線時(shí),測(cè)量其通過(guò) 30m后車體方向角的變化值,即曲率,測(cè)量范圍 ±23°/30m,測(cè)量精度 ≤0.05°/30m,度數(shù)小,曲率小,半徑大;度數(shù)大,曲率大,半徑小。在不良地點(diǎn)的曲率變化率記錄單位是(1/m2×10-6)。

軌道檢查車在線路上行駛時(shí),其車體轉(zhuǎn)向角的變化是由前后兩轉(zhuǎn)向架上的盤心決定的,兩盤心的連線轉(zhuǎn)向角便為車體的轉(zhuǎn)向角,GJ-4型軌檢車其盤心距為18m。軌檢車通過(guò)曲線時(shí)每 2 m的曲率、曲率變化率數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 靜態(tài)曲率變化率計(jì)算

第一項(xiàng)為前盤心進(jìn)入曲線的長(zhǎng)度,在直線地段,車輛不存在偏角的變化,故曲率變化率為 0,自進(jìn)入曲線后曲率開(kāi)始變化,曲率變化率也隨之開(kāi)始改變,如圖2所示。

圖2 軌道檢查車通過(guò)曲線時(shí)轉(zhuǎn)向示意

第二項(xiàng)為外矢距,計(jì)算的是前盤心進(jìn)入曲線后對(duì)應(yīng)曲線長(zhǎng)度的外矢距,分以下幾種情況。

在緩和曲線地段,外矢距其值為:(前盤心進(jìn)入緩和曲線長(zhǎng)度)3/(6×R×緩和曲線長(zhǎng));

緩圓點(diǎn)至圓緩點(diǎn)間外矢距值為:(前盤心進(jìn)入曲線長(zhǎng)度)2/2R+(緩和曲線長(zhǎng)度)2/24R;

自圓緩點(diǎn)至緩直點(diǎn)間外矢距值為:(前盤心進(jìn)入曲線長(zhǎng)度)2/2R+(緩和曲線長(zhǎng)度)2/24R-(前盤心進(jìn)入緩和曲線長(zhǎng)度)3/(6×R×緩和曲線長(zhǎng))。

第三項(xiàng) 18m盤心距對(duì)應(yīng)外矢距,為計(jì)算某一時(shí)刻盤心連線的偏角,需要計(jì)算出前后盤心對(duì)應(yīng)曲線長(zhǎng)度的外矢距,在后盤心進(jìn)入曲線前,18m盤心距對(duì)應(yīng)的外矢距就是前盤心進(jìn)入曲線所對(duì)應(yīng)的外矢距,當(dāng)后盤心也進(jìn)入曲線后,其對(duì)應(yīng)的外矢距 h=前盤心經(jīng)過(guò)曲線長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的外矢距 -后盤心經(jīng)過(guò)曲線長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的外矢距。也就是表中前 18m外矢距與第二項(xiàng)相等,以后外矢距應(yīng)為對(duì)應(yīng)處外矢距與 18m前的外矢距之差。

第四項(xiàng)為車長(zhǎng)對(duì)應(yīng)偏角,以度的形式表示,其值為第三欄數(shù)據(jù)除盤心距(18m)的反正弦值。

第五項(xiàng)為 30m距離對(duì)應(yīng)的曲率值,按軌檢車檢查原理,曲率是以車輛經(jīng)過(guò) 30m長(zhǎng)度偏角的變化量確定的,其值在進(jìn)入曲線 30m之前與第四項(xiàng),車長(zhǎng)對(duì)應(yīng)偏角相等,當(dāng)進(jìn)入 30m后,其對(duì)應(yīng)的曲率值應(yīng)等于該處曲率與 30m前的曲率之差。

第六項(xiàng)為車輛經(jīng)過(guò) 30m距離偏角變化的弧度值,單位是 rad×10-4。

第七項(xiàng)為 18m曲率變化值,曲率變化率選定的計(jì)算基長(zhǎng)為 18m,其值在車輛進(jìn)入曲線 18m以前,其曲率變化值為第六項(xiàng),30m對(duì)應(yīng)的曲率值,當(dāng)進(jìn)入 18m以后,其值為對(duì)應(yīng)曲率值與 18m以前的曲率之差。

第八項(xiàng)為每 18m的曲率變化率,其值為對(duì)應(yīng)第九項(xiàng)值除以 18。

第九項(xiàng)為每 18m的曲率變化率,單位為 1/m2×10-6。以盤心距所對(duì)應(yīng)的曲線弧長(zhǎng)除以其對(duì)應(yīng)的曲率變化率的弧度值,即第六項(xiàng)弧度值除以盤心距 18m,它所表示的是盤心距對(duì)應(yīng)曲線平均半徑的倒數(shù)變化情況。

通過(guò)上表中的模擬計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在車輛前盤心進(jìn)入曲線第 16m時(shí),其曲率變化率便超過(guò)了規(guī)定的Ⅱ級(jí)病害管理值,為 5.487,其超限長(zhǎng)度為 30 m,中間間隔 8m,便進(jìn)入了另一個(gè)超限地段,其最大超限值為 13。這個(gè)模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確定位后恢復(fù)到設(shè)計(jì)狀態(tài)的曲線動(dòng)態(tài)檢查結(jié)果相吻合,因此,可以理解為目前動(dòng)態(tài)檢查中的曲率變化率超限值的確定,已經(jīng)大于大部分現(xiàn)場(chǎng)曲線自身所固有的結(jié)構(gòu)曲率變化率。

2.3 曲率變化率的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)確定

根據(jù)以上分析,曲率變化率所表示的位置及對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù),并不表示一個(gè)點(diǎn)的線路狀態(tài),而是間隔一定長(zhǎng)度的兩種線路狀態(tài)的比較結(jié)果,在現(xiàn)場(chǎng)確定時(shí),應(yīng)根據(jù)其檢查原理結(jié)合檢查時(shí)的行車方向,在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)查表示點(diǎn)前方約 20m左右的線路方向,而此時(shí)的線路方向也不是該處的現(xiàn)場(chǎng)方向狀態(tài),而是指該處前后線路方向所可能導(dǎo)致的車輛方向狀態(tài),因在檢查時(shí)所測(cè)定的線路里程存在一定的誤差,所以按此檢查結(jié)果嚴(yán)格查找,難以找到現(xiàn)場(chǎng)與檢查相吻合的線路狀態(tài)。對(duì)于此種情況,也并不是說(shuō)就無(wú)法查找到檢查結(jié)果所表示的線路狀況,在直線地段,可以用長(zhǎng)弦繩(為使判定結(jié)果盡可能客觀準(zhǔn)確,應(yīng)使用較長(zhǎng)的弦繩,但較長(zhǎng)的弦線會(huì)出現(xiàn)中部下垂,在下垂量不影響測(cè)量結(jié)果的情況下,采用如40m長(zhǎng)度較妥)沿鋼軌外側(cè)拉緊,兩頭距鋼軌距離相等,逐根枕量取線繩到鋼軌的距離,便可得到 40m范圍內(nèi)線路方向的準(zhǔn)確偏差情況,如此再測(cè)量 40m,便可得到 80m范圍內(nèi)線路方向的準(zhǔn)確偏差情況,再與檢查結(jié)果相比較,導(dǎo)致檢查結(jié)果的線路狀態(tài)便會(huì)明顯地顯現(xiàn)出來(lái),此時(shí)便可制定相應(yīng)的整改措施。在曲線地段,因傳統(tǒng)考察的是 10m范圍的連續(xù)正矢差,這個(gè)控制指標(biāo)不能準(zhǔn)確描述出車輛的即時(shí)方向狀態(tài),所以即時(shí)狀態(tài)在一定長(zhǎng)度內(nèi)的變化量,也就是曲率變化率也不可能通過(guò)傳統(tǒng)的曲線方向判斷辦法來(lái)判別,因而在曲線中所發(fā)生的曲率變化率在現(xiàn)場(chǎng)找到對(duì)應(yīng)的線路狀態(tài)時(shí),要分幾步走。第一應(yīng)確定出各種半徑的曲線、各種長(zhǎng)度的緩和曲線在各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)曲率變化率;第二步判斷出現(xiàn)場(chǎng)線路狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的曲率變化率數(shù)值,將此數(shù)值扣除其結(jié)構(gòu)數(shù)值后才是線路方向不良所造成的曲率變化率數(shù)值。就像在判定線路方向不良時(shí)那樣,直線按 10m弦量取其全長(zhǎng)范圍內(nèi)的最大矢度值,曲線根據(jù)不同的半徑確定出對(duì)應(yīng)的正矢允許連續(xù)差,而不是用一個(gè)固定的指標(biāo)來(lái)判定所有線路的方向狀態(tài)優(yōu)劣。所以在曲線中判別線路方向狀態(tài)時(shí),利用測(cè)量正矢的辦法已經(jīng)不能適用,應(yīng)利用一定長(zhǎng)度的曲線控制樁,在保證控制樁對(duì)應(yīng)處線路平面狀態(tài)正確后,利用長(zhǎng)弦繩逐點(diǎn)(如間隔 1m)測(cè)量曲線、緩和曲線的矢距值[1],用此辦法可準(zhǔn)確判定出曲線中任一點(diǎn)相對(duì)于設(shè)計(jì)位置的偏差狀態(tài),從而找到對(duì)應(yīng)的曲率變化率超限處所。

3 結(jié)論

在對(duì)線路曲率變化率超限處所進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確定時(shí),首先要認(rèn)識(shí)這個(gè)指標(biāo)的形成過(guò)程,知道該指標(biāo)是一個(gè)比較數(shù)據(jù),在以前常用的線路狀態(tài)評(píng)判指標(biāo)中,比較接近于三角坑的評(píng)判,三角坑是指一定長(zhǎng)度內(nèi)水平的變化值,與行車方向無(wú)關(guān)。而曲率變化率則是指一定長(zhǎng)度內(nèi)線路方向的變化所造成的車輛轉(zhuǎn)向角的變化值,不同的行車方向?qū)l(fā)生不同的曲率變化率記錄地點(diǎn)。三角坑中水平的測(cè)定可以直觀地在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量出來(lái),而曲率變化率中線路狀態(tài)所引起的車輛轉(zhuǎn)向角的變化值則難以在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)出,所以判斷起來(lái)比較困難。因此在判斷曲率變化率時(shí),最直觀簡(jiǎn)便的辦法便是測(cè)出線路中任意點(diǎn)與一定線路長(zhǎng)度范圍內(nèi)理論位置間的偏差,消除其偏差就會(huì)影響到車輛轉(zhuǎn)向角的變化,進(jìn)而使曲率變化率趨于合理。而對(duì)曲率變化率的影響因素除線路幾何狀態(tài)不良會(huì)引起曲率變化率超限病害外,在曲線地段,因曲線本身存在曲率,車輛由直線進(jìn)入曲線及由曲線進(jìn)入直線都會(huì)引起曲率的變化,從而引起曲率變化率超限。這種超限屬于設(shè)備本身的特性,在統(tǒng)計(jì)線路狀態(tài)不良的記錄時(shí)應(yīng)考慮剔除,剔除曲線固有的曲率變化率數(shù)據(jù)后的值才是因線路狀態(tài)不良所引起的,而曲線本身的曲率變化率受曲線半徑、緩和曲線長(zhǎng)度的影響,與曲線的轉(zhuǎn)向角無(wú)關(guān),所以在判定線路曲率變化率超限時(shí),應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況,計(jì)算出不同半徑、不同緩和曲線長(zhǎng)本身的曲率變化率。

[1]鐵道部運(yùn)輸局基礎(chǔ)部組織編寫.鐵路線路修理規(guī)則條文說(shuō)明[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2008.

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