金花

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

移動式線路動態(tài)加載車軌道剛度檢測系統(tǒng)研究與應用

金花

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

介紹移動式線路動態(tài)加載車軌道剛度檢測系統(tǒng)的檢測原理和實施方案，分析該系統(tǒng)在既有重載、普速線路及新建重載線路上的檢測數(shù)據(jù)。分析結果表明:軌道剛度檢測系統(tǒng)能應用于不同鐵路線路，并可在恒定荷載下對軌道剛度進行非接觸式、快速、高精度的靜態(tài)和移動檢測;重載鐵路和普速鐵路試驗區(qū)段內(nèi)，橋梁、隧道地段的軌道垂向剛度大于路基地段;重載鐵路的軌道垂向剛度大于普速鐵路;鋪設新型軌道結構地段的軌道剛度振幅小于臨近地段，軌道彈性明顯改善。

移動式線路動態(tài)加載車;剛度檢測;弦測法;軌道變形;激光傳感器

移動式線路動態(tài)加載車(TLV)主要用于在線路上進行靜態(tài)加載和移動加載試驗，以檢驗高速鐵路軌道、橋梁和路基結構在列車荷載作用下的動力性能，評估結構強度和穩(wěn)定性，為高速鐵路線路工程結構的優(yōu)化設計、系統(tǒng)集成和養(yǎng)護維修提供更為合理的科學依據(jù)［1］。TLV是連續(xù)檢測軌道剛度的設備，其軌道剛度檢測系統(tǒng)是在恒定荷載下測量鋼軌垂向的變形值，以計算軌道結構的整體剛度［2］。2011年中國鐵道科學研究院研制成功的移動式線路動態(tài)加載車(見圖1)由動力加載車(以下簡稱加載車)和儀器試驗車(以下簡稱儀器車)2輛車組成。主要參數(shù)如下:垂向最大加載力(單軸)為350 kN;橫向最大加載力(單軸)為100 kN;軌道變形測試精度為0.2 mm;加載控制精度優(yōu)于5%;加載時最大運行速度60 km/h，最大聯(lián)掛運行速度160 km/h。

圖1 移動式線路動態(tài)加載試驗車

到目前為止，移動式線路動態(tài)加載車上的軌道剛度檢測系統(tǒng)已在既有重載、普速和高速鐵路線路以及新建重載鐵路線路上進行檢測，檢測里程達上萬公里。其檢測的軌道剛度直接反映了軌道的承載能力。檢測軌道剛度可以識別軌道狀態(tài)不良區(qū)段，對于線路工程質(zhì)量檢測、既有線路病害檢測及處理具有重要意義。

1 軌道剛度檢測原理

軌道剛度［3-4］定義為當一個集中荷載作用在鋼軌上，鋼軌產(chǎn)生單位下沉所對應的集中荷載大小。即當軌道承受的垂直力為P時，軌道彈性下沉量為y，軌道剛度K=P/y。

圖2 雙弦測法測量示意

由于車輛運行過程中存在各種運動，軌道剛度檢測中合理確定檢測基線是首要難題。另外，軌道本身的不均勻下沉、軌道表面不均勻磨耗、焊縫區(qū)不平順、軌道殘余變形不均勻等因素都會直接影響檢測精度。為此采用雙弦測法來消除上述問題，見圖2。通過軌道加載前后的位移差值，即可得到軌道彈性下沉量式中:yH為重輪載作用時弦測值;yL為輕輪載作用時弦測值;y2為基線誤差、軌面靜態(tài)不平順和暗坑吊板引起的不平順之和;yKH為重輪載作用時軌道彈性下沉量;ykL為輕輪載作用時軌道彈性下沉量。

因為輕輪載作用時軌道承受的垂向力為0，故重輪載作用時軌道承受的垂向力P即為集中荷載，從而算出軌道垂向剛度K=P/y。

2 實施方案

根據(jù)軌道剛度檢測原理，通過加載車上的液壓加載系統(tǒng)，可實現(xiàn)在TLV行駛過程中對軌道施加垂向荷載和橫向荷載，模擬列車運行時對軌道產(chǎn)生的垂向力和橫向力［6］，也可以在TLV靜止時對軌道施加靜態(tài)荷載、高頻動載和瞬間沖擊荷載。通過系統(tǒng)布置的12個二維激光傳感器，可以同時檢測左右軌在恒定荷載下的軌道彈性下沉量。傳感器布置示意如圖3。傳感器實際安裝情況［7］如圖4橢圓內(nèi)所示。

圖3 傳感器布置示意

圖4 傳感器實際安裝情況

3 動態(tài)剛度測試及結果分析

3.1 動態(tài)剛度測試

測試分為垂向和橫向加載2種工況。各工況加載情況及運行速度見表1。

表1 各工況加載情況及運行速度

3.2 結果分析

3.2.1 軌道垂向剛度分布

軌道剛度質(zhì)量指數(shù)是評價軌道剛度均勻程度的指標。選擇2～50 m波長濾波后的數(shù)據(jù)，然后計算200 m區(qū)段軌道剛度標準差，得到軌道剛度質(zhì)量指數(shù)。2 m基本涵蓋我國大部分車輛轉(zhuǎn)向架的軸距，50 m可以覆蓋中長波的軌道變化情況，因此選擇2～50 m作為濾波的波長。

不同線路、不同地段的軌道垂向剛度區(qū)別比較大，下面對重載和普速鐵路的路基、橋梁、隧道各地段的軌道垂向剛度進行分析。

1)重載鐵路

重載鐵路不同區(qū)段軌道垂向剛度分布如圖5所示［8］。由圖5可見:路基、橋梁、隧道地段的軌道垂向剛度97%以上分別在110～220，130～430，150～470 kN/mm;橋梁、隧道地段軌道垂向剛度明顯大于路基地段。

圖5 重載鐵路不同區(qū)段軌道垂向剛度分布

2)普速鐵路

普速鐵路不同區(qū)段軌道垂向剛度分布如圖6所示［9］。由圖6可見:路基、橋梁、隧道地段的軌道垂向剛度97%以上分別在80～170，120～260，100～260 kN/mm;橋梁、隧道地段的軌道垂向剛度明顯大于路基地段。

圖6 普速鐵路不同區(qū)段軌道垂向剛度分布

對比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，重載鐵路的軌道垂向剛度明顯大于普速鐵路。

3.2.2 軌道橫向強度分布

目前軌道橫向強度分析主要采用加載車的軌枕橫向位移來判斷橫向力作用下單側(cè)的軌距保持能力，從而反映扣件系統(tǒng)的狀態(tài)。單側(cè)加載橫向力50 kN，同時加載側(cè)的垂向力為75 kN、非加載側(cè)的垂向力為25 kN。在整個測試區(qū)段內(nèi)軌枕橫向位移的分布情況如圖7所示?？梢姡壵頇M向位移基本上都＜1 mm，總體上軌道橫向強度比較一致。

圖7 軌枕橫向位移分布

3.2.3 新型軌道結構地段的軌道剛度分布

鋪設新型軌道結構地段及其鄰近區(qū)段軌道剛度、軌道變形及加載力分布如圖8所示。由圖8可見:復合軌枕、彈性軌枕和道砟墊可以明顯改善軌道彈性，其鋪設區(qū)段的軌道剛度振幅小于臨近區(qū)段;與臨近區(qū)段的過渡段存在軌道剛度突變的情況。

3.2.4 典型薄弱區(qū)段軌道垂向剛度分布

在線路檢測區(qū)段內(nèi)，進行多次往返檢測，每次都在同一地段，檢測出軌道薄弱區(qū)，如圖9中虛線波形A段所示，在此地段進行了多點靜態(tài)加載，復核情況如圖9實線波形所示［10］。移動加載與靜態(tài)加載情況基本一致。圖10是同一地段軌檢車測試的左高低右高低波形，也存在波動較大情況。結合圖9與圖10的波形數(shù)據(jù)分析認為，A處軌道結構強度較低，可能存在軌枕空吊，已上報相關部門復核。

圖8 鋪設新型軌道結構地段及其鄰近區(qū)段軌道剛度、軌道變形及加載力分布

圖9 移動加載與靜態(tài)加載測試結果對比

圖10 軌檢車測試的左高低、右高低波形

4 結論

移動式線路動態(tài)加載車上的軌道剛度檢測系統(tǒng)已在既有重載、普速和高速鐵路線路以及新建重載鐵路線路上進行檢測。其特點如下:

1)軌道剛度檢測系統(tǒng)能提供恒定的靜態(tài)荷載和移動荷載，并可在恒定荷載下對軌道剛度進行非接觸式、快速、高精度的靜態(tài)和移動檢測，能應用于不同鐵路線路，較準確地得到不同線路、不同軌道狀態(tài)的軌道剛度，能及時發(fā)現(xiàn)鐵路線路的薄弱區(qū)段，其移動加載與靜態(tài)加載情況下檢測結果基本一致。

2)重載鐵路試驗區(qū)段內(nèi)，路基、橋梁、隧道地段的軌道垂向剛度97%以上分別分布在110～220，130～430，150～470 kN/mm;普速鐵路試驗區(qū)段內(nèi)，路基、橋梁、隧道地段的軌道垂向剛度97%以上分別分布在80～170，120～260，100～260 kN/mm。橋梁、隧道地段的軌道垂向剛度和振幅均大于臨近路基地段;重載鐵路的軌道垂向剛度明顯大于普速鐵路。

3)復合軌枕、彈性軌枕和道砟墊可以明顯改善軌道彈性，其鋪設區(qū)段的軌道剛度振幅小于臨近區(qū)段。

［1］肖俊恒，王繼軍．移動式線路動態(tài)加載車的研制［J］．中國鐵路，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］趙國堂．鐵路軌道剛度的確定方法［J］．中國鐵道科學，2005，26(1):1-6．

［4］呂關仁．路橋過渡段軌道結構動力特性分析［J］．鐵道建筑，2012(6):114-117．

［5］金花，柴雪松，潘振，等．移動式線路動態(tài)加載車軌道剛度檢測系統(tǒng)研究［J］．鐵道建筑，2014(1):99-102．

［6］楊亮，柴雪松，李偉，等．移動式線路動態(tài)加載車液壓加載系統(tǒng)設計［J］．鐵道建筑，2014(4):110-113．

［7］暴學志，柴雪松，李家林，等．移動式線路動態(tài)加載試驗車加載機構設計［J］．鐵道建筑，2011(12):113-115．

［8］中國鐵道科學研究院．移動式線路動態(tài)加載車試驗報告［R］．北京:中國鐵道科學研究院，2013．

［9］中國鐵道科學研究院．武漢局京廣線試驗段基于移動加載車和探地雷達的軌道狀態(tài)檢測［R］．北京:中國鐵道科學研究院，2015．

［10］潘振，金花，柴雪松，等．移動式線路動態(tài)加載試驗車軌道剛度檢測技術［J］．鐵道建筑，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

(責任審編葛全紅)

2016-09-10;

2016-10-10

中國鐵道科學研究院基金(2014YJ020);鐵道科學技術研究發(fā)展中心科研專項(J2015G001)

金花(1979—)，女，助理研究員，碩士。