王鵬 樓梁偉，3 張也 何復(fù)壽 葉曉宇

1.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081

隨著鐵路技術(shù)進步和改革的不斷深入，普速鐵路精細化維修已成為必然趨勢。對于普速鐵路參考高速鐵路軌道精測精調(diào)作業(yè)模式［1］，依據(jù)精測數(shù)據(jù)制定大型養(yǎng)路機械維修方案并指導(dǎo)大型養(yǎng)路機械精確搗固，可實現(xiàn)對軌道長波不平順以及線形線位的有效控制，提高普速鐵路線路測量和維修質(zhì)量，延長線路設(shè)備維修周期［2-3］。

我國運營普速鐵路搗固作業(yè)多采用近似法，即根據(jù)搗固車檢測系統(tǒng)檢測到的線路水平、軌向誤差指導(dǎo)起撥道作業(yè)，使線路達到近似平順狀態(tài)［4］。受搗固車自身檢測弦長限制，采用近似法只能基本滿足平順性要求，不能完全消除線路軌向、高低等幾何參數(shù)的偏差。如當(dāng)前國內(nèi)最先進、精度最高的DWL-48型搗固穩(wěn)定車，其起道弦線長度僅15.0 m，撥道弦線長度僅16.7 m，無法檢測出對旅客乘坐舒適性有較大影響的長波不平順［5-6］。盡管部分廠家在搗固穩(wěn)定車上配置了二維激光準(zhǔn)直系統(tǒng)［7-8］，但其僅能在長大直線段作業(yè)，且存在準(zhǔn)備時間長、激光對準(zhǔn)效率較低等問題，與我國鐵路天窗時間緊、作業(yè)效率要求高的現(xiàn)狀不符，在現(xiàn)場施工中不適用。此外，部分工務(wù)段采用水平尺和水準(zhǔn)儀測量線路水平、高差等數(shù)據(jù)，通過人工計算得到起撥道量，在搗固車作業(yè)前按一定間隔標(biāo)注在軌枕上，該方法存在人工干擾因素大、作業(yè)效率低等問題［9］?？傊?，目前我國運營普速鐵路搗固維修作業(yè)主要存在控制網(wǎng)年久失修，無法應(yīng)用于軌道精確測量；大型養(yǎng)路機械搗固沒有軌道精測數(shù)據(jù)支持，線路形位的恢復(fù)達不到理想效果。鑒于此，本文結(jié)合京廣鐵路實際維修情況，建立多模式測量和數(shù)字化搗固為核心的普速鐵路精測精搗作業(yè)方案，從軌道幾何狀態(tài)和動力學(xué)性能改善兩方面評估作業(yè)方案的應(yīng)用效果。

1 普速鐵路精測精搗作業(yè)方案

普速鐵路測量精度要求相對較低，若完全沿用高速鐵路測量控制體系則投入過高。為此，本文提出精測精搗作業(yè)方案：①在普速鐵路合理采用衛(wèi)星定位、激光定位、慣性測量等技術(shù)進行多模式軌道測量；②結(jié)合有砟軌道線路特征和平順性控制要求，科學(xué)制定起撥道量調(diào)整方案，將其輸入搗固車計算機系統(tǒng)實施數(shù)字化搗固。

1.1 多模式軌道測量

近年來軌道慣性測量儀廣泛應(yīng)用于高速鐵路養(yǎng)護維修工作中。在普速鐵路引入高速鐵路相對+絕對的測量理念，提出適用于運營普速鐵路的多模式軌道測量技術(shù)。具體如下：①在衛(wèi)星觀測條件良好地段，按15～20 km間距布設(shè)北斗基準(zhǔn)站（可布設(shè)在車間或工區(qū)院內(nèi)）。軌道測量采用衛(wèi)星定位+慣性測量組合模式，通過慣性測量單元和高精度傳感器完成軌道軌跡測量，測量儀每行進一定距離（通常為100～150 m）后進行衛(wèi)星定位，獲取控制點處軌道中心坐標(biāo)，并利用這些坐標(biāo)和軌道軌跡得到軌道各點的絕對坐標(biāo)，最終實現(xiàn)軌道中線各點三維絕對坐標(biāo)的快速、精準(zhǔn)測量，如圖1（a）所示。②在隧道、車站道岔區(qū)、無砟道床過渡段等區(qū)段布設(shè)固定樁控制網(wǎng)。軌道測量采用激光定位+慣性測量組合模式，測量儀每行進一定距離后需在控制點斷面處停留，搭載的斷面儀發(fā)射激光束測量標(biāo)靶，獲取控制點處軌道中心坐標(biāo)，結(jié)合軌跡得到軌道中線各點的三維絕對坐標(biāo)，如圖1（b）所示。

圖1 多模式軌道測量

1.2 數(shù)字化搗固

1.2.1 線形擬合

通過多模式軌道測量獲取軌道中線各點三維絕對坐標(biāo)后，根據(jù)原有線路設(shè)備技術(shù)臺賬對線路平縱斷面進行重構(gòu)，擬合得到與軌道實測線形相吻合的線形參數(shù)。具體擬合流程如下：①根據(jù)線路原始臺賬，結(jié)合線路設(shè)計規(guī)范和現(xiàn)場要求確定圓曲線半徑、坡度等參數(shù)的限值。②確定一定長度的弦，由測點坐標(biāo)計算各弦所在直線斜率的變化率，按照直線段、緩和曲線段和圓曲線段斜率變化規(guī)律，大致確定直線段與圓曲線段包含的測點，按正交最小二乘數(shù)學(xué)模型擬合直線及圓曲線。③計算交點坐標(biāo)、曲線偏角等曲線要素及線路中線偏差。④判斷擬合前后分段點坐標(biāo)差是否小于閾值，若小于，則完成線路線形擬合；若不小于，則重新調(diào)整分段點位置進行擬合，直至小于閾值。

1.2.2 起撥道量調(diào)整方案的制定

普速鐵路線路養(yǎng)護維修主要依據(jù)TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》，其中指出軌道短波平順性以10 m弦矢高4 mm管理值控制，但為進一步控制長波不平順，目前普速鐵路采用70 m弦矢高10 mm管理值控制［10］。除需滿足軌道平順性控制要求外，還需考慮起撥道量調(diào)整范圍及比例、順坡率、建筑限界、線間距、橋梁偏心等約束條件，對線路平縱斷面進行優(yōu)化，最終生成滿足搗固車要求的起撥道量調(diào)整方案。

具體要求：

1）軌道平順性須滿足

式中：H(A)、H（i）和H(B)分別為線路調(diào)整后檢測弦的起點、中點和終點位置的平（縱）斷面剩余偏差；α為檢測弦長對應(yīng)的管理幅值。

2）擬調(diào)整量須滿足

式中：t（i）為擬調(diào)整量；tmax、tmin分別為考慮約束條件后調(diào)整量的上限和下限。

1.2.3 搗固作業(yè)流程

普速鐵路線路養(yǎng)護維修多采用單搗+單搗+穩(wěn)定作業(yè)模式。兩次單搗作業(yè)時，將起撥道量調(diào)整方案輸入到搗固車計算機系統(tǒng)，在作業(yè)過程中對搗固車檢測弦前端偏差進行補償，從而實現(xiàn)精確起撥道作業(yè)，有效改善軌道高低、軌向長波不平順。在兩次單搗作業(yè)后通過動力穩(wěn)定車對軌道產(chǎn)生壓力和振動，改善道砟顆粒的排列，在短時間內(nèi)增強道床橫向阻力，從而達到提高道床穩(wěn)定性的目的。為實現(xiàn)數(shù)字化搗固，作業(yè)時應(yīng)滿足以下要求：①搗固作業(yè)前應(yīng)檢查搗固車標(biāo)定記錄，確保搗固車作業(yè)精度滿足要求。②正確選擇加載軌，曲線段加載超高軌，直線段可加載任意一股鋼軌。③搗固作業(yè)時應(yīng)完全采用起撥道量調(diào)整方案，由搗固車計算機系統(tǒng)實施自動化作業(yè)。④作業(yè)過程中工務(wù)人員應(yīng)在控制點處核對搗固車作業(yè)里程與起撥道量調(diào)整方案中里程的一致性。當(dāng)里程誤差大于0.5 m時，必須轉(zhuǎn)動測距輪或修正搗固車計算機系統(tǒng)中的里程以消除誤差。

2 工程驗證

2.1 精測精搗作業(yè)方案的制定

選取京廣鐵路上行線K565+800—K567+800精測精搗作業(yè)區(qū)段為試驗段，分別從軌道幾何狀態(tài)和動力學(xué)性能改善兩個方面評估精測精搗作業(yè)方案的應(yīng)用效果。該區(qū)段線路速度等級為120（不含）～160 km/h，由于沿線衛(wèi)星信號較好，軌道測量采用衛(wèi)星定位+慣性測量組合模式，搗固作業(yè)采用DWL-48連續(xù)式搗固穩(wěn)定車，搗固作業(yè)模式為單搗+單搗+穩(wěn)定。

根據(jù)軌道測量結(jié)果，對試驗段平縱斷面參數(shù)進行優(yōu)化。由于該區(qū)段線形線位狀況較好，平面參數(shù)中僅對曲線樁點里程進行調(diào)整，縱斷面參數(shù)保持不變。優(yōu)化前后線路平面參數(shù)見表1。曲線方向左偏右偏是面向大里程而言。

現(xiàn)場由于受供電設(shè)備、開通條件等因素限制，制定起撥道量調(diào)整方案時單次起道量不超過30 mm，撥道量不超過15 mm。為保證作業(yè)效果，基本起道量為10 mm?，F(xiàn)場搗固起撥道量調(diào)整方案如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場搗固起撥道量調(diào)整方案

2.2 作業(yè)效果分析

目前，我國鐵路工務(wù)部門主要采用軌道質(zhì)量指數(shù)（track quality index，TQI）、不平順指標(biāo)幅值［11］來量化精測精搗作業(yè)效果。

試驗段精搗作業(yè)前后各項不平順指標(biāo)及TQI對比見表2?？芍壕珦v后試驗段TQI由8.61 mm降至5.04 mm，改善率為41.5%；七項不平順指標(biāo)中軌向、高低改善率較明顯，在45.8%～55.0%；水平改善率39.8%，三角坑改善率為35.8%；軌距無明顯變化，這是因為搗固作業(yè)無法對軌距進行調(diào)整。

表2 試驗段精搗作業(yè)前后各項不平順指標(biāo)及TQI對比 mm

試驗段精搗前后左軌不平順指標(biāo)分布對比見圖3。以軌向、高低為例，精搗作業(yè)對軌道不平順的改善效果明顯，不平順指標(biāo)分布范圍顯著變窄，整體向零線靠攏。左軌軌向絕對值的平均值由1.44 mm降至0.69 mm，降幅52.1%；左軌高低絕對值的平均值由1.07 mm降至0.53 mm，降幅50.5%。

圖3 精搗前后左軌不平順指標(biāo)分布對比

3 車軌動力學(xué)性能仿真分析

3.1 模型的建立

采用動力學(xué)仿真方法，建立普速鐵路車輛與軌道動力分析模型。車輛模型由車體、構(gòu)架、輪對和軸箱多個剛體組成。該車輛模型共有50個自由度，各剛體通過一系懸掛和二系懸掛相連。車輪采用LMA型車輪踏面，鋼軌采用60 kg/m軌，采用Kalker簡化滾動接觸理論計算輪軌蠕滑力和蠕滑力矩，采用Fastsim算法計算輪軌作用力。因僅分析精測精搗作業(yè)對運營普速鐵路列車運行安全性的改善效果，故未考慮軌道結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)的影響。采用實測的搗固前后線路不平順作為激勵，仿真模擬車輛以160 km/h通過試驗段。

3.2 結(jié)果分析

精搗前后列車動力學(xué)性能指標(biāo)對比見表3。表中數(shù)據(jù)均為各項指標(biāo)絕對值。可知：精搗后脫軌系數(shù)、輪重減載率、車體振動加速度整體上均呈下降趨勢。脫軌系數(shù)最大值降幅達到40.0%，輪重減載率最大值降幅達到38.6%。車體橫向振動加速度最大值降幅達到80.5%，車體垂向振動加速度最大值降幅達到31.6%。

表3 精搗前后列車動力學(xué)性能指標(biāo)對比

4 結(jié)論

1）結(jié)合京廣鐵路實際維修情況，提出了以多模式軌道測量和數(shù)字化搗固為核心的普速鐵路精測精搗作業(yè)方案。經(jīng)工程驗證，精搗試驗段TQI改善率42%；軌向、高低、水平、三角坑不平順指標(biāo)改善率在36%～55%?？梢姡撟鳂I(yè)方案適用于運營普速鐵路日常養(yǎng)護維修。

2）動力學(xué)仿真分析結(jié)果顯示，精搗作業(yè)后脫軌系數(shù)、輪重減載率最大值降幅約40%，車體垂向振動加速度最大值降幅約31.6%，車體橫向振動加速度最大值降幅80.5%，有效改善了列車運行安全性。