彭昭云，李穎，魏世斌

（1. 廣州鐵路（集團(tuán)）公司 工務(wù)檢測所，廣東 廣州 510088；2. 中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研 究所，北京 100081）

運(yùn)營動車組加裝軌道檢測系統(tǒng)方案研究

彭昭云1，李穎2，魏世斌2

（1. 廣州鐵路（集團(tuán)）公司 工務(wù)檢測所，廣東 廣州 510088；2. 中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研 究所，北京 100081）

由于高速綜合檢測列車經(jīng)輪渡過瓊州海峽困難及海南環(huán)島鐵路基礎(chǔ)設(shè)施得不到等速檢測等原因，提出在海南運(yùn)營動車組上加裝一套軌道檢測系統(tǒng)的方案。對運(yùn)營動車組加裝軌道檢測系統(tǒng)的方案、實(shí)施過程、應(yīng)用管理等進(jìn)行闡述，對系統(tǒng)推廣前景進(jìn)行展望。

海南東環(huán)；運(yùn)營動車組；軌道檢測系統(tǒng)

0 引言

海南東環(huán)鐵路自2010年12月開通運(yùn)營以來，由于高速綜合檢測列車經(jīng)輪渡過瓊州海峽時的解編與恢復(fù)工作相當(dāng)繁瑣，且用時較長，容易影響運(yùn)輸正點(diǎn)率，另外還需安排專業(yè)人士配合，部分區(qū)段無電氣化條件，因此利用高速綜合檢測列車來檢測海南東環(huán)鐵路非常困難。至今，高速綜合檢測列車檢測東環(huán)鐵路僅1次。目前，廣州鐵路（集團(tuán)）公司（簡稱廣鐵集團(tuán)）采用單機(jī)加隔離車加掛軌檢車的編組形式，以最高速度160 km/h的方式完成海南東環(huán)鐵路軌道檢測工作。這種方式存在檢測速度偏低（非等速）、監(jiān)測不到動車組實(shí)際運(yùn)行情況（非實(shí)車）等問題，使海南東環(huán)鐵路軌道動態(tài)質(zhì)量得不到有效檢測。

為確保運(yùn)營安全，需要采取更有效的檢測手段，解決海南東環(huán)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施定期、等速、實(shí)車動態(tài)檢測的問題。廣鐵集團(tuán)提出在海南東環(huán)鐵路運(yùn)營的動車組（經(jīng)原鐵道部批準(zhǔn)選擇CRH1099動車組）上加裝一套綜合檢測系統(tǒng)，以代替高速綜合檢測列車完成海南環(huán)島鐵路軌道幾何參數(shù)不平順日常檢測任務(wù)。在運(yùn)營動車組上安裝的軌道檢測系統(tǒng)，必須具有結(jié)構(gòu)簡化、集成度高、易于維護(hù)、安全可靠的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對軌道幾何狀態(tài)和車輛響應(yīng)的精確測量，以指導(dǎo)軌道養(yǎng)護(hù)維修，保障鐵路運(yùn)營安全。國內(nèi)外還沒有在運(yùn)營動車組上安裝軌道檢測系統(tǒng)的應(yīng)用案例，系統(tǒng)研制成功后，將成為我國首套安裝在運(yùn)營動車組上的軌道檢測系統(tǒng)。

1 技術(shù)方案與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 技術(shù)方案

軌道檢測系統(tǒng)安裝在CRH1099動車組5號車上，各檢測系統(tǒng)布置示意見圖1。

圖1 CRH1099動車組各檢測系統(tǒng)布置示意圖

目前我國最先進(jìn)的軌道檢測設(shè)備為自主研發(fā)的GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)[1-2]，信號處理采用硬件、軟件相結(jié)合的方式，這種方式分立元件多，硬件組成較為復(fù)雜，不宜安裝在運(yùn)營動車組上。在運(yùn)營動車組上安裝軌道檢測設(shè)備，首先設(shè)備尺寸不能太大，以盡量減小對旅客座席的影響為目標(biāo)；其次還需考慮動車組本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，檢測設(shè)備的設(shè)計必須便于安裝；再次考慮檢測系統(tǒng)的應(yīng)用模式，不同于普通軌檢車和綜合檢測車，檢測的實(shí)施要結(jié)合旅客列車的運(yùn)營安排。

因此，提出在GJ-6型軌檢系統(tǒng)基礎(chǔ)上，保留激光攝像組件安裝位置與圖像處理方法，將高度集成的慣性組件安裝在檢測梁中間位置[3]，測量檢測梁的運(yùn)動姿態(tài)，采用激光攝像組件測量鋼軌與檢測梁的相對幾何關(guān)系，通過數(shù)字信號傳輸方式，建立以檢測梁為慣性基準(zhǔn)的數(shù)學(xué)計算模型，計算各項(xiàng)軌道幾何參數(shù)，該軌道檢測系統(tǒng)傳感器安裝示意見圖2。其中，G為左右軌面中點(diǎn)之間的標(biāo)準(zhǔn)軌距，為1 435 mm；GL為左軌軌距點(diǎn)相對轉(zhuǎn)向架的橫向位移；GR為右軌軌距點(diǎn)相對轉(zhuǎn)向架的橫向位移；PL為左軌軌面頂點(diǎn)相對轉(zhuǎn)向架的垂向位移；PR為右軌軌面頂點(diǎn)相對轉(zhuǎn)向架的垂向位移；AL為軌道檢測梁中心點(diǎn)軌向加速度傳感器的輸出；hL為軌道檢測梁相對軌距測量平面的垂直高度；ωx為轉(zhuǎn)向架滾動角速率；ωy為轉(zhuǎn)向架的俯仰角速率；ωz為轉(zhuǎn)向架搖頭角速率。

對于將慣性器件安裝在轉(zhuǎn)向架上的情況進(jìn)行分析可知，此轉(zhuǎn)向架相對于慣性空間的運(yùn)動可用剛體繞質(zhì)心運(yùn)動方程得到，以φ為剛體偏航角（即搖頭角），θ為剛體滾動角，ψ為剛體俯仰角，則剛體坐標(biāo)系內(nèi)3個坐標(biāo)軸方向的角速度與剛體在3個方向上轉(zhuǎn)過角度的關(guān)系為[4-7]：

圖2 CRH1099動車組軌道檢測系統(tǒng)傳感器安裝示意圖

由此可知，使用慣性器件的輸出可解算出檢測梁的姿態(tài)參數(shù)，結(jié)合激光攝像系統(tǒng)的輸出值，進(jìn)而準(zhǔn)確求解出軌道幾何參數(shù)。

1.2 系統(tǒng)設(shè)備組成及特點(diǎn)

按照上述測量要求，同時考慮安裝和使用需要，在運(yùn)營動車組上配置的軌道檢測設(shè)備如下：

（1）檢測梁（包括安裝連接件、遮陽罩），1 套；

（2）激光攝像組件，2套，安裝在檢測梁兩端；

（3）慣性測量組件，1套，安裝在檢測梁中部；

（4）光電編碼器，2個，安裝于軸端；

（5）機(jī)柜，1個；

（6）UPS，1組；

（7）圖像處理機(jī)，2套，處理左、右軌斷面圖像；

（8）實(shí)時處理機(jī)，1套，實(shí)時采集合成軌道幾何參數(shù)；

（9）KVM切換器，1套；（10）顯示器，1臺；

（11）加速度計，2套；

（12）加速度采集處理機(jī)，1套；

（13）射頻卡，150套；

（14）GPS定位天線，1個；

（15）里程處理機(jī)，1套。

系統(tǒng)主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計了適用于運(yùn)營動車組的軌道檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、采用高度集成的新型傳感器、全部使用數(shù)字信號處理技術(shù)、建立了以檢測梁為慣性基準(zhǔn)的軌道檢測數(shù)學(xué)模型等。

這些新技術(shù)除了在類似運(yùn)營動車組上推廣使用外，還可在下列領(lǐng)域推廣應(yīng)用：用于高速綜合檢測列車，如對中國鐵路總公司綜合檢測列車進(jìn)行軌檢系統(tǒng)升級；用于普通軌檢車，如對廣鐵集團(tuán)現(xiàn)有軌檢車進(jìn)行升級改造；還可用于地方鐵路、地鐵輕軌的軌檢車等。

2 實(shí)施過程

2012年5月，經(jīng)原鐵道部批準(zhǔn)，海南東環(huán)鐵路CRH1099動車組加裝綜合檢測系統(tǒng)，由廣鐵集團(tuán)負(fù)責(zé)組織實(shí)施。廣鐵集團(tuán)工務(wù)處負(fù)責(zé)總體策劃，工務(wù)檢測所負(fù)責(zé)需求和方案分析等具體事宜；中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所和北京鐵科英邁技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)軌道檢測系統(tǒng)技術(shù)方案和具體實(shí)施；青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司（BST）負(fù)責(zé)動車組改造；粵海鐵路有限責(zé)任公司和海南高速鐵路有限公司作為配合和應(yīng)用單位，負(fù)責(zé)研究成果現(xiàn)場使用，從現(xiàn)場使用單位角度提供完善意見。

2012年5月—2013年5月，完成了軌道檢測系統(tǒng)技術(shù)方案的確定、設(shè)備招標(biāo)、設(shè)備制造、動車組改造、設(shè)備安裝、動靜態(tài)調(diào)試（含檢測梁探傷、應(yīng)力測試）、模擬運(yùn)行及交驗(yàn)用戶等工作。2013年11月，項(xiàng)目組組織專家組進(jìn)行了現(xiàn)場復(fù)核和測試驗(yàn)收，專家組一致認(rèn)為該系統(tǒng)檢測項(xiàng)目齊全、運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確可靠，同意驗(yàn)收，可用于海南東環(huán)等高速鐵路的軌道動態(tài)質(zhì)量檢測。2016年該項(xiàng)目又獲得中國鐵路總公司的課題立項(xiàng)。

3 應(yīng)用管理

為加強(qiáng)海南東環(huán)鐵路CRH1099動車組加裝綜合檢測系統(tǒng)的使用、維護(hù)及管理工作，充分發(fā)揮其等速檢測、指導(dǎo)基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修的作用，廣鐵集團(tuán)根據(jù)原鐵道部相關(guān)文件要求，制定下發(fā)了《海南東環(huán)動檢車運(yùn)用維護(hù)管理辦法（試行）》（廣鐵工發(fā)［2013］134號）。文件對組織和管理、檢測項(xiàng)目和評定標(biāo)準(zhǔn)、檢測范圍和檢測周期、人員配備及要求、數(shù)據(jù)分析與報告管理、動車組日常維護(hù)管理及后勤保障、檢測設(shè)備日常維護(hù)管理、動車組檢測系統(tǒng)運(yùn)用安全等方面進(jìn)行了明確規(guī)定。隨后粵海鐵路有限公司下發(fā)了《海南東環(huán)動檢車運(yùn)用維護(hù)管理實(shí)施細(xì)則（試行）》（粵海工管發(fā)［2013］161號）文件，對該動車組的用管修進(jìn)行了細(xì)化。該系統(tǒng)的使用、維護(hù)及管理情況每月納入廣鐵集團(tuán)軌控分析報告，并在工務(wù)軌控分析電視電話會上進(jìn)行通報。

4 結(jié)束語

自2013年5月在CRH1099動車組上安裝軌道檢測系統(tǒng)，承擔(dān)海南東環(huán)鐵路軌道動態(tài)質(zhì)量檢測任務(wù)以來，在世界范圍內(nèi)開創(chuàng)了運(yùn)營動車組上安裝軌道檢測系統(tǒng)的先河。

運(yùn)行3年多來，軌檢設(shè)備狀態(tài)良好，檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，為指導(dǎo)工務(wù)安全生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)，并成功解決了海南東環(huán)鐵路的等速檢測等問題。同時，為每年我國博鰲論壇的召開和東環(huán)鐵路各級專運(yùn)任務(wù)的順利完成提供了強(qiáng)有力的檢測手段支撐，也為海南新西環(huán)鐵路的開通奠定了基礎(chǔ)。

隨著我國鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，鐵路軌道動態(tài)質(zhì)量檢測越來越重要，創(chuàng)新實(shí)用的軌道檢測系統(tǒng)必將得到更加廣泛的應(yīng)用，并將產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 魏世斌，李穎，趙延峰，等．GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研制[J]．鐵道建筑，2012(2)：97-100．

[2] 魏世斌，劉伶萍，趙延峰，等．GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)[J]．鐵道建筑，2011(11)：98-101．

[3] 劉軍，陳翠梅，盧峰華．高速綜合檢測列車軌道檢測梁制造技術(shù)研究[J]．中國鐵路，2013(S1)：50-53.

[4] 占棟，于龍，肖建，等．軌道檢測中激光攝像式傳感器標(biāo)定方法研究[J]．機(jī)械工程學(xué)報，2013，49(16)：39-47．

[5] 程志全．軌道檢測車的運(yùn)用[J]．中國鐵路，2015(5)：82-85．

[6] 陳文．高速鐵路軌道靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)處理方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2015．

[7] 伊興亞．軌道檢測粗大誤差分析和處理[J]．中國鐵路，2011(12)：27-29．

責(zé)任編輯 高紅義

Installation of Track Inspection System on In-service EMU

PENG Zhaoyun1，LI Ying2，WEI Shibin2
(1. Track Inspection Institute，Guangzhou Railway Group，Guangzhou Guangdong 510088，China；2. Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Since the high speed comprehensive inspection train cannot run across the Qiongzhou strait by ferry, the round-island high speed railway in Hainan are short of inspection by high speed inspection train. A track inspection system is proposed to be installed on the in-service EMU, with specif c installation, application and management scheme introduced and future potential of such system prospected.

East-ring HSR in Hainan；in-service EMU；track inspection system

U216.3

A

1001-683X（2017）03-0055-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.03.055

2016-11-30

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項(xiàng)目（2016G006-A）

彭昭云（1970—），男，高級工程師。E-mail：13570091618@139.com

李穎（1979—），女，副研究員。E-mail：liyinghit@rails.cn

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