吳立群 上海鐵路局科研所

我國(guó)高速鐵路的建設(shè)始于1999年所興建的秦沈客運(yùn)專線。截至2010年12月底，中國(guó)國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)時(shí)速200km以上的高速鐵路里程已經(jīng)達(dá)到8358km，其中包括既有線提速近3000km。

至2012年，中國(guó)將建成42條高速鐵路客運(yùn)專線，基本建成以"四縱四橫"為骨架的全國(guó)快速客運(yùn)網(wǎng)，總里程13 000 km；到2020年中國(guó)時(shí)速在200 km以上的高速鐵路里程將會(huì)達(dá)到50 000 km。

1 高速鐵路軌道必須具有高平順度

適應(yīng)列車高速度、高密度運(yùn)行的線路，應(yīng)具有高平順性、高穩(wěn)定性、高精度、少殘變、少維修等特點(diǎn)。高速鐵路行車的基礎(chǔ)--軌道結(jié)構(gòu)，其幾何參數(shù)對(duì)高速行車的安全性起著至關(guān)重要的作用。

輪軌相互作用的理論研究指出，軌道不平順?biāo)鸬妮嗆墑?dòng)力響應(yīng)及其行車安全性、平穩(wěn)性和乘客舒適性的影響，均隨行車速度的提高而顯著增大。軌道不平順是引起輪軌作用力增大的主要原因。焊縫不平順，軌面剝離、擦傷、波形磨耗等原因，造成短波不平順幅值雖然很小，但是，在高速行車條件下，就可引起很大的輪軌作用力和沖擊振動(dòng)。例如：一個(gè)0.2mm的迎輪臺(tái)階形微小焊縫不平順，當(dāng)車速高達(dá)300km/h時(shí)，所引起的高頻振動(dòng)作用力高達(dá)722kN，低頻輪軌力可達(dá)321kN，使道砟破碎、道床路基產(chǎn)生不均勻沉陷，從而形成較大的中長(zhǎng)波不平順，并引起很大的噪聲，嚴(yán)重情況時(shí)還可能引發(fā)鋼軌、輪軌斷裂，導(dǎo)致惡性脫軌事故。為了保證乘客閱讀、餐飲、交談不受干擾，法、日、德等國(guó)規(guī)定，局部不平順引起的瞬時(shí)作用的垂直加速度半幅度不應(yīng)大于0.12~0.15g，橫向不大于 0.1~0.12g。

理論分析和實(shí)踐都已證明，軌道不平順直接影響高速行車的安全與平穩(wěn)，另一方面由軌道不平順引起的動(dòng)荷載將進(jìn)一步加速軌道的惡化和不平順的發(fā)展，特別是長(zhǎng)鋼軌不平順對(duì)高速行車時(shí)的旅客舒適度影響較大。因此，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中必須對(duì)軌道進(jìn)行維護(hù)，使其在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持良好的平順狀態(tài)，以保障高速行車的安全與平穩(wěn)。

2 現(xiàn)有軌道平順度檢測(cè)裝置及本文測(cè)量裝置原理

目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)軌道高低不平順的方法主要有兩種：弦測(cè)法和慣性法。

弦測(cè)法檢測(cè)原理如圖1所示，利用圖1中A、C兩輪與軌道接觸點(diǎn)的連線ac弦作為測(cè)量的"基準(zhǔn)線"，將B輪與軌道接觸點(diǎn)b偏離ac弦線的數(shù)值bl作為軌道不平順的測(cè)量值。弦測(cè)值bl通過測(cè)量A、B、C三輪的軸箱相對(duì)于車體主梁的位移按下式求得：

弦測(cè)法存在的問題是，作為測(cè)量的"基準(zhǔn)線"的ac弦是隨軌道高低不平而起伏變化的，這就使得弦測(cè)法不能正確反映軌道的高低不平。所以應(yīng)用弦測(cè)法，必須在系統(tǒng)中予以修正。

圖1 弦測(cè)法檢測(cè)原理

慣性基準(zhǔn)法檢測(cè)原理如圖2所示，采用慣性元件陀螺儀建立基準(zhǔn)線，本輪軸箱的上下運(yùn)動(dòng)H（即軌道的高低不平順）等于質(zhì)量快M的上下運(yùn)動(dòng)Z及質(zhì)量快與軸箱間相對(duì)位移W之和，即：

質(zhì)量塊M對(duì)其慣性基準(zhǔn)線的位移可用加速度傳感器測(cè)出質(zhì)量塊M的加速度 經(jīng)二次積分得到，質(zhì)量塊M與軸箱間的相對(duì)位移可用位移傳感器測(cè)得。則式（2）可以表達(dá)為：

慣性法的主要缺點(diǎn)在于：測(cè)量系統(tǒng)龐大，測(cè)量機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備的故障率高，安裝和維修都不方便，測(cè)量成本高昂，此外由于測(cè)量是以車輛為載體，測(cè)量步長(zhǎng)大，不容易得到鋼軌的局部缺陷。

圖2 慣性基準(zhǔn)法

本文提出了新的一種檢測(cè)原理，它即避免了弦測(cè)法"基準(zhǔn)線"的不確定性，又避免了慣性法結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。檢測(cè)原理如圖3所示：

圖3 檢測(cè)原理圖

圖中左邊是一臺(tái)線陣列相機(jī)，線掃描方向自上而下，右邊是一塊面光源，AB區(qū)間為發(fā)光的范圍，兩臺(tái)設(shè)備都放在鋼軌上，當(dāng)鋼軌絕對(duì)平順時(shí)，從相機(jī)可以讀出發(fā)光區(qū)間AB所對(duì)應(yīng)的像素區(qū)間，同時(shí)我們可以得出此位置處的像素當(dāng)量。然而，當(dāng)光源處的軌道呈凹或凸?fàn)顣r(shí)，AB區(qū)間呈下降或上升，相機(jī)像素區(qū)間也作相應(yīng)的偏移，我們與理想像素區(qū)間比對(duì)出來的偏移量再乘上此處的像素當(dāng)量，就可得出鋼軌垂直方向不平順的數(shù)值。

此外圖中虛線OC是虛擬的水平線，也相當(dāng)于弦測(cè)法中的"基準(zhǔn)線"，只是弦測(cè)法中這條線是不確定的，而這里，只要在相機(jī)視野范圍里的任何一處，這條線都是唯一的，很好的解決了弦測(cè)法最大的不足。接著我們來確定這條虛擬水平線的像素點(diǎn)值。

圖4 檢測(cè)原理圖

將相機(jī)和光源放在一理想水平鋼軌上，由圖可知 ΔOCB″∽ΔB′BB″，因 B 點(diǎn)及B″點(diǎn)像素點(diǎn)值已知，則可求出C點(diǎn)像素點(diǎn)值，即水平線確立。同理，同樣利用三角形相似，可以得到任意處光源下邊緣的像素點(diǎn)值，實(shí)際值與此值的偏差就可得出鋼軌凹陷程度。

綜上所述，當(dāng)相機(jī)擺放位置確定時(shí)，我們可以得出鋼軌任意離散點(diǎn)處軌道的凹凸相對(duì)于虛擬水平線的數(shù)值，即軌道的垂直方向平順度。這種方法簡(jiǎn)單有效，設(shè)備使用壽命長(zhǎng)。

3 關(guān)鍵程序代碼

以下程序代碼用C語(yǔ)言編寫，得到光源放在不同位置處，軌道的不平順程度。

//以下程序當(dāng)光源放在最遠(yuǎn)處時(shí) (以相機(jī)焦點(diǎn)為0點(diǎn))且鋼軌理想水平時(shí)使用

//以下為將設(shè)備放在被測(cè)鋼軌任意位置處，假設(shè)放在X處

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我們可以得到0到10 m范圍內(nèi)任意位置軌道高差，然而一點(diǎn)一點(diǎn)測(cè)量比較耗費(fèi)人力物力，因此可以考慮做一輛小車，將光源固定在小車上面，要求小車推動(dòng)時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，這樣我們可以將10 m范圍連續(xù)的測(cè)量，之后通過描點(diǎn)畫圖的方法描述出這10 m范圍內(nèi)鋼軌的真實(shí)曲線，便于分析軌道的長(zhǎng)波。

另外，因?yàn)樾≤囉幸欢ǖ膶挾?，小于這寬度范圍內(nèi)的短波，會(huì)被此系統(tǒng)濾去，故在保證小車運(yùn)行平穩(wěn)的前提下，長(zhǎng)度做的越小越好。