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        城市軌道交通接觸軌質(zhì)量指數(shù)評價方法研究*

        2019-06-19 12:38:52馬德強(qiáng)馮超靳守杰劉
        城市軌道交通研究 2019年6期
        關(guān)鍵詞:檢測車平順區(qū)段

        馬德強(qiáng)馮 超靳守杰劉 蘭

        (1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司,510335,廣州;2.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司,510010,廣州∥第一作者,工程師)

        廣州地鐵4號線在國內(nèi)率先采用DC 1 500 V鋼鋁復(fù)合型接觸軌下部授流方式。該方式具有工作穩(wěn)定、可靠、少維護(hù)等優(yōu)點[1-2],現(xiàn)已逐步在國內(nèi)其他城市地鐵線路中推廣。然而,隨著4號線運營年限的增加,該授流方式逐漸暴露出接觸軌授流面及碳滑板不均勻磨損、集電靴與接觸軌離線拉弧、碳滑板棱邊崩缺、碳滑板更換周期短等問題。國外研究表明,接觸軌不平順是造成上述問題的關(guān)鍵原因。

        接觸軌的平順性是評價接觸軌系統(tǒng)授流質(zhì)量和接觸軌系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[3]。國外研究側(cè)重集電靴與接觸軌動態(tài)特性,采用接觸式檢測方式,在接觸軌檢測車中安裝檢測集電靴,檢測不同速度下集電靴的授流臂與集電靴安裝底座縱向位移變化量、集電靴與接觸軌接觸壓力變化量,用以計算集電靴授流臂力矩大小,并著重分析接觸壓力、集電靴授流臂力矩與接觸軌的不平順關(guān)系[3-4]。

        廣州地鐵4號線接觸軌檢測車采用非接觸式檢測方式。通過激光攝像檢測方法,在國內(nèi)首次實現(xiàn)了下部授流方式鋼鋁復(fù)合型接觸軌幾何參數(shù)連續(xù)動態(tài)檢測,檢測參數(shù)包括接觸軌軌偏值(接觸軌中軸線與左、右走行軌軌頂連線中垂線的距離)、接觸軌軌高(接觸軌授流面與走行軌軌頂連線平面的垂直距離)。其檢測原理如圖 1所示。1#、2#、3#、4#為激光攝像式傳感器,由高速攝像機(jī)及垂直于鋼軌或接觸軌的扇形激光切面構(gòu)成。4個傳感器均安裝于同一檢測梁上,檢測梁與車體焊接固定。這種檢測梁車體式安裝克服了軸箱或構(gòu)架式安裝振動沖擊過大的缺陷,既改善了系統(tǒng)工作環(huán)境,又提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。其中:1#、2#用于測量車體參考坐標(biāo)系(O0,x0,y0,z0)與軌道參考坐標(biāo)系(Ow,xw,yw,zw)的實時偏移;3#、4#用于測量左、右側(cè)接觸軌相對于車體參考系的偏移。綜合這些數(shù)據(jù),可精確測量出接觸軌的軌偏值和軌高。4號線接觸軌檢測車于2011年10月研制成功并運行至今,其精度已得到了系統(tǒng)驗證:檢測速度不高于80 km/h,直線區(qū)段接觸軌幾何參數(shù)測量誤差為±2 mm,曲線區(qū)段測量誤差為±3 mm。

        圖1 接觸軌檢測車檢測原理示意圖

        1 接觸軌質(zhì)量指數(shù)計算方法的確定

        目前,國內(nèi)對于接觸軌不平順管理的方法及其相關(guān)研究尚未見述及,也未建立相關(guān)的管理標(biāo)準(zhǔn)。因此,亟待系統(tǒng)地提出接觸軌不平順的計算方法,建立接觸軌不平順管理值和標(biāo)準(zhǔn),科學(xué)評判接觸軌不平順,為地鐵供電部門合理制定接觸軌維修計劃提供數(shù)據(jù)參考,確保接觸軌系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

        在綜合國外軌道不平順評價方法的基礎(chǔ)上,國內(nèi)大量學(xué)者對軌道不平順進(jìn)行了深入研究,提出了軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)概念,并運用TQI對軌道不平順進(jìn)行管理。通過多年實際應(yīng)用,收效明顯[5]。接觸軌沿著軌道平行鋪設(shè),接觸軌與軌道具有相似特性,接觸軌不平順與軌道不平順隨之也具有相似性。因此,基于TQI的軌道不平順評價方法對接觸軌不平順狀態(tài)評價具有借鑒作用。

        一個理想的接觸軌不平順狀態(tài)評價方法應(yīng)該包括以下特征:①能夠真實反映接觸軌質(zhì)量狀態(tài),用數(shù)值明確表示各個區(qū)段接觸軌的好壞;②能夠為地鐵供電人員編制接觸軌維修作業(yè)計劃提供數(shù)據(jù)參考;③用于計算接觸軌質(zhì)量指數(shù)的接觸軌原始測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,容易采集;④接觸軌質(zhì)量指數(shù)與接觸軌質(zhì)量狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系明確,概念清晰,容易被掌握。

        接觸軌軌偏值變化情況可用以反映接觸軌方向的不平順,接觸軌軌高變化情況可用以反映接觸軌高低的不平順。因此,采用廣州地鐵4號線接觸軌檢測車檢測數(shù)據(jù),運用合適的計算方法,能夠綜合反映接觸軌不平順狀態(tài)。

        采用峰值的管理方法對接觸軌不平順進(jìn)行管理,會損失大量非超限數(shù)據(jù)信息,不能準(zhǔn)確反映區(qū)間整體不平順狀態(tài),無法對線路進(jìn)行均衡評價。因而,該評價方法具有一定局限性,主要適用于對接觸軌的緊急修補(bǔ)[5-7]。

        經(jīng)過系統(tǒng)研究,針對廣州地鐵4號線接觸軌檢測車檢測數(shù)據(jù)的特點,提出了一種基于單元區(qū)段標(biāo)準(zhǔn)差的接觸軌質(zhì)量指數(shù)(簡稱CRQI,其量符號為ICRQ)評價方法。其計算步驟如下:①以200 m作為單元區(qū)段進(jìn)行計算;②每0.25 m取1組接觸軌檢測數(shù)據(jù),共計800組數(shù)據(jù);③分別統(tǒng)計這800組接觸軌軌偏值和軌高標(biāo)準(zhǔn)差;④將200 m距離接觸軌軌偏值和軌高標(biāo)準(zhǔn)差的和作為CRQI的輸出。計算公式如下:

        式中:

        ICRQ——接觸軌質(zhì)量指數(shù);

        σi——單元區(qū)段單項標(biāo)準(zhǔn)差;

        xij——單元區(qū)段單項不平順幅值。

        計算時取 i=1,2;j=1,2,…,800。該評價方法滿足了上述的4項基本特征,能夠彌補(bǔ)接觸軌峰值管理存在的不足。

        2 試驗數(shù)據(jù)分析

        2.1 試驗數(shù)據(jù)及CRQI計算

        按照廣州地鐵的企業(yè)技術(shù)規(guī)范,標(biāo)準(zhǔn)接觸軌軌偏值、軌高分別為 1 510±5 mm、200±5 mm[8]。本文以廣州地鐵4號線為案例,采用接觸軌檢測車,對金洲站—黃村站上行區(qū)間全線接觸軌幾何參數(shù)進(jìn)行動態(tài)檢測。檢測區(qū)間公里標(biāo)為54.8~8.8 km,合計46 km的檢測數(shù)據(jù)。全線最高檢測速度達(dá)到75 km/h,最低檢測速度為32 km/h,均速在60 km/h左右。

        在主電分段、道岔及車站換邊處,接觸軌設(shè)置了斷軌,采用自然斷開方式。在斷軌處,接觸軌端部均設(shè)有端部彎頭。端部彎頭屬于接觸軌特殊設(shè)備,接觸軌軌高根據(jù)需要,在端部彎頭處有1/30或1/40坡度的動態(tài)抬升量。因而,在進(jìn)行接觸軌ICRQ值計算時,需去除端部彎頭接觸軌動態(tài)抬升的幾何參數(shù)數(shù)據(jù)。接觸軌斷口導(dǎo)致連續(xù)檢測數(shù)據(jù)不足200 m區(qū)段,按不足200 m的數(shù)據(jù)計算ICRQ;當(dāng)連續(xù)檢測數(shù)據(jù)不足50 m區(qū)段,則不計算該區(qū)段的ICRQ。

        接觸軌檢測車每0.25 m輸出1組接觸軌幾何參數(shù)檢測數(shù)據(jù),46 km共計輸出184 000組檢測數(shù)據(jù)。連續(xù)檢測數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。

        圖2 接觸軌幾何參數(shù)檢測曲線

        以200 m為1個單元區(qū)段,每隔200 m計算1次接觸軌軌偏值和軌高標(biāo)準(zhǔn)差。設(shè)200 m接觸軌軌偏值和軌高標(biāo)準(zhǔn)差分別為σ1、σ2、,則46 km共有230組接觸軌標(biāo)準(zhǔn)差計算數(shù)據(jù),計算結(jié)果如圖3。由圖3 a)可知,除公里標(biāo)為54.8~49.8 km區(qū)間出現(xiàn)σ1=5.8 mm外,其余數(shù)據(jù)分布在0.5~3.5 mm區(qū)間;由圖3 b)可知,除公里標(biāo)29.8~24.8 km處出現(xiàn)σ2=4.9 mm外,其余數(shù)據(jù)分布在0.5~3.0 mm之間;由圖3 c)可知,公里標(biāo)54.8~49.8 km處出現(xiàn)1次ICRQ為8.12 mm,公里標(biāo)29.8~24.8 km處出現(xiàn)1次ICRQ為8.16 mm,其余ICRQ值分布在2.0~6.5 mm之間。

        2.2 概率分布統(tǒng)計直方圖

        為獲取 ICRQ、σ1、σ2的頻數(shù)分布特性,分別統(tǒng)計圖3的接觸軌σ1、σ2以及ICRQ值在每隔0.5 mm區(qū)間出現(xiàn)的概率。各自頻率百分比直方圖統(tǒng)計結(jié)果如圖4。

        圖 4 σ1、σ2、ICRQ概率分布

        由圖4 a)可以看出,σ1分布于1.5~2.0 mm區(qū)間最多(占40.4%),1.0~2.5 mm區(qū)間所占的比例合計83.9%;由圖4 b)可以看出,σ2分布于1.0~1.5 mm區(qū)間最多(占37.8%),0.5~2.0 mm區(qū)間所占的比例為 87.4%;由圖 4 c)可以看出,ICRQ分布較 σ1、σ2分布更為均散,動態(tài)分布范圍更寬。ICRQ分布于3.5~4.0 mm區(qū)間最多(占22.2%),2.5~4.5 mm區(qū)間占的比例較大,合計占83.9%。

        2.3 接觸軌軌偏值和軌高不平順權(quán)重及累計分布

        ICRQ中包含了接觸軌方向不平順和高低不平順,為區(qū)分連續(xù)區(qū)段中σ1、σ2對ICRQ的影響,分別引入接觸軌軌偏值不平順權(quán)重η1和接觸軌軌高不平順權(quán)重η2兩個參數(shù)。對于n組ICRQ檢測數(shù)據(jù),定義η1、η2如式(4):

        將金洲站—黃村站上行46 km共230單元區(qū)段的 ICRQ、σ1和 σ2代入式(4),得到 η1和 η2的統(tǒng)計結(jié)果分別為55.76%、44.24%。不平順權(quán)重值越低,則接觸軌平順性越好。比較η1和η2可知接觸軌軌高平順性較軌偏值平順性好。地鐵供電部門應(yīng)根據(jù)此統(tǒng)計結(jié)果,對權(quán)重較高的不平順進(jìn)行重點維護(hù)。

        對單項σ1、σ2的累積分布進(jìn)行統(tǒng)計。累計分布增長速度越快,表明其在較小值區(qū)段分布比重越大,則平順性越好。通過比較表1中σ1、σ2累計分布差值可知,接觸軌軌高σ2累計分布較接觸軌軌偏值σ1累計分布增長速度快。由此可判斷,接觸軌軌高平順性較接觸軌軌偏值平順性好,這與采用接觸軌軌高和軌偏值不平順權(quán)重分析所得的結(jié)論一致。

        表1 σ1和σ2累計分布差值

        由表1可知:若將200 m接觸軌方向不平順標(biāo)準(zhǔn)差σ1的管理值設(shè)為3 mm,則小于管理值的σ1個數(shù)占總σ1個數(shù)的96.1%;若將200 m接觸軌高低不平順標(biāo)準(zhǔn)差σ2的管理值設(shè)為2.5 mm,則小于管理值的σ2個數(shù)占總σ2個數(shù)的95.2%。

        2.4 接觸軌質(zhì)量指數(shù)ICRQ管理值

        ICRQ表示接觸軌軌偏值及軌高對平均值的離散程度,ICRQ值越低,接觸軌平順性越好。金洲站—黃村站上行區(qū)間46 km的ICRQ累計分布見表2和表3。

        表2 ICRQ小于區(qū)間累計分布

        表3 ICRQ大于區(qū)間累計分布

        由表2可知,若將ICRQ管理值設(shè)為5.5,則小于管理值的ICRQ個數(shù)占總ICRQ個數(shù)的93.9%;由表3可知,大于等于2.5 mm的ICRQ個數(shù)占總ICRQ個數(shù)的96.5%。

        分析結(jié)果表明:接觸軌高低不平順占ICRQ權(quán)重小于接觸軌方向不平順占ICRQ權(quán)重,接觸軌高低平順性優(yōu)于方向平順性;若將ICRQ管理值、ICRQ方向不平順和高低不平順管理值分別設(shè)為5.5 mm、3 mm和2.5 mm,則能保證90%以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)處于各自管理值以內(nèi)。

        3 結(jié)語

        本文提出的城市軌道交通接觸軌質(zhì)量指數(shù)評價方法,對綜合評價接觸軌整體質(zhì)量、合理編制接觸軌線路的綜合維修計劃,以及提高接觸軌狀態(tài)維修的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性、合理性,具有重要意義。然而,由于接觸軌檢測與管理方面的研究還處于起步階段,參與ICRQ及各項不平順管理值計算的樣本數(shù)據(jù)有限,研究得到的管理值需要日后累計更多的檢測數(shù)據(jù)給以不斷驗證和完善。

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