基于軌檢車動(dòng)態(tài)正矢的曲線狀態(tài)評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用

嚴(yán)錄錄，張瑤，王昊，李穎，楊飛

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081）

0 引言

隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的形成和不斷發(fā)展，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施已進(jìn)入了運(yùn)營(yíng)期大面積的養(yǎng)護(hù)維修階段，與此同時(shí)，運(yùn)營(yíng)維修管理部門也面臨著不斷降低生產(chǎn)成本和人力成本的巨大壓力，降低維修費(fèi)用、提高維修效率與優(yōu)化人力資源已成為提升鐵路運(yùn)輸部門經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑之一［1-2］。

由于曲線軌道受機(jī)車車輛的沖擊，輪對(duì)對(duì)鋼軌的推擠和摩擦要比直線軌道大得多，所以曲線軌道方向的變化比直線軌道大。曲線方向不良會(huì)加劇列車行駛時(shí)的搖擺，加速列車對(duì)軌道的破壞，嚴(yán)重時(shí)將危及行車安全［3-5］。為了保證曲線軌道平面位置的正確和圓順，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)正矢特征超過偏差管理標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)整修［6-8］。目前對(duì)曲線正矢測(cè)量普遍采用人工拉弦或軌檢小車測(cè)量，工作量較大且是靜態(tài)測(cè)量，傳統(tǒng)的人工檢查和現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核已不能高效地滿足維護(hù)要求［9-11］。軌檢車定期檢測(cè)的大量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，能夠高效、快速地反映軌道和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)，因此對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)加以研究利用勢(shì)在必行。

結(jié)合靜態(tài)曲線正矢評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比動(dòng)靜態(tài)正矢數(shù)據(jù)，然后對(duì)軌檢車動(dòng)態(tài)曲線正矢數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和統(tǒng)計(jì)，獲取其中疑似正矢不良的曲線，最后依據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果以找到合適的正矢特征閾值評(píng)判曲線狀態(tài)。

1 曲線正矢檢測(cè)

1.1 檢測(cè)方法

軌檢車曲線正矢檢測(cè)基于慣性基準(zhǔn)法，根據(jù)傳感器安裝位置與鋼軌的相對(duì)位置關(guān)系，主要采用檢測(cè)車下懸掛的檢測(cè)梁內(nèi)安裝的橫向加速度計(jì)經(jīng)過低通濾波處理，并消除重力分量和滾動(dòng)加速度分量對(duì)橫向加速度的影響，再與激光攝像組件提供的左、右軌距點(diǎn)橫向位移合成，最后經(jīng)過20 m弦測(cè)輸出濾波器處理得出［12-13］，其數(shù)據(jù)處理流程見圖1。

圖1 曲線正矢數(shù)據(jù)獲取流程

1.2 濾波器特性

檢測(cè)車下檢測(cè)梁內(nèi)安裝的加速度計(jì)需要經(jīng)過低通濾波器進(jìn)行信號(hào)抗混疊處理，消除高頻噪聲，該濾波器的時(shí)間域幅頻特性見圖2，濾波器簡(jiǎn)單高效，適用于動(dòng)態(tài)檢測(cè)實(shí)時(shí)處理。

圖2 低通濾波器時(shí)間域幅頻特性

曲線正矢20 m弦測(cè)輸出濾波器通帶內(nèi)平穩(wěn)，過渡帶衰減較快，具有良好的頻率特性（見圖3）。

圖3 曲線正矢20 m弦測(cè)空間域幅頻特性

2 曲線正矢特征提取與統(tǒng)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)提取

統(tǒng)計(jì)分析前，需對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)做里程校正，因現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核靜態(tài)正矢數(shù)據(jù)為每10 m采集1個(gè)測(cè)量記錄值，為了方便動(dòng)、靜態(tài)正矢數(shù)據(jù)對(duì)比，提取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)特征時(shí)，取10 m區(qū)間最大值作為1個(gè)采樣記錄值，線路1某處曲線提取的動(dòng)態(tài)正矢數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)靜態(tài)正矢數(shù)據(jù)波形對(duì)比可以看出，動(dòng)、靜態(tài)兩種檢測(cè)數(shù)據(jù)吻合性較好（見圖4）。

圖4 線路1某處曲線動(dòng)靜態(tài)曲線正矢數(shù)據(jù)對(duì)比

參考普速列車修理規(guī)則中200 km/h及以下曲線靜態(tài)正矢容許偏差管理值［14］的規(guī)定，需要利用不同半徑范圍的圓曲線現(xiàn)場(chǎng)正矢連續(xù)差、現(xiàn)場(chǎng)正矢最大值和最小值之差，得到疑似狀態(tài)不良曲線，進(jìn)而挖掘更多曲線正矢特征評(píng)價(jià)曲線狀態(tài)（見表1）。

表1 200 km/h及以下圓曲線正矢管理值 mm

2.2 疑似不良處所特征提取

首先，從校正后的軌檢車動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中提取出所有圓曲線的正矢值，為避免圓曲線起止兩端不良數(shù)據(jù)干擾，在提取圓曲線數(shù)據(jù)時(shí)，將圓曲線起止兩端各截去10 m數(shù)據(jù)，然后依次提取每條圓曲線區(qū)間的連續(xù)差、最大值、最小值以及標(biāo)準(zhǔn)差等特征，再分別計(jì)算圓曲線現(xiàn)場(chǎng)正矢連續(xù)差，圓曲線現(xiàn)場(chǎng)正矢最大值最小值之差，最后結(jié)合表1曲線正矢經(jīng)常保養(yǎng)容許偏差評(píng)判規(guī)則，篩選出所有規(guī)則中規(guī)定的疑似不良曲線。

以線路1篩選結(jié)果為例，對(duì)疑似不良曲線進(jìn)行復(fù)核，動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)曲線正矢特征對(duì)比見表2。

表2 線路1疑似不良曲線動(dòng)靜態(tài)檢測(cè)特征對(duì)比

由表2中9處疑似不良曲線動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，其中有8處曲線的靜態(tài)正矢特征也超過了管理值，因此，可以用圓曲線靜態(tài)管理值作為軌檢數(shù)據(jù)圓曲線正矢連續(xù)差、最大值與最小值之差的閾值，來評(píng)判曲線狀態(tài)。

當(dāng)曲線狀態(tài)不良時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致列車水平方向晃車［15］，因此從軌檢數(shù)據(jù)的橫向加速度通道數(shù)據(jù)中，提取圓曲線區(qū)間橫向加速度的峰值、峰峰值，通過查看橫向加速度的超限情況來輔助判斷曲線狀態(tài)。通過疑似不良曲線軌檢數(shù)據(jù)橫向加速度分析可以看出，9處疑似不良曲線中，有5處橫向加速度峰值達(dá)到1級(jí)，3處達(dá)到2級(jí)（見表3）。

表3 線路1疑似不良曲線軌檢數(shù)據(jù)橫向加速度

2.3 圓曲線正矢標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)

由現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核的圓曲線正矢情況可知，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)果能夠有效地反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)曲線的狀態(tài)。為充分挖掘圓曲線正矢特征評(píng)判曲線狀態(tài)，提取3條線路多次數(shù)據(jù)的圓曲線正矢標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)，嘗試用圓曲線正矢標(biāo)準(zhǔn)差來評(píng)判曲線狀態(tài)（見表4）。

表4 圓曲線正矢標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì) mm

利用圓曲線正矢連續(xù)差、最大值最小值之差，篩選出3條線路中所有疑似不良曲線，并與全部的圓曲線正矢標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)繪制箱線圖，其分布情況見圖5—圖7。從分布情況可以明顯看出，對(duì)于不同半徑的曲線，疑似不良曲線的圓曲線標(biāo)準(zhǔn)差明顯大于正常圓曲線標(biāo)準(zhǔn)差，因此可以使用圓曲線標(biāo)準(zhǔn)差作為曲線狀態(tài)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 線路1圓曲線正矢標(biāo)準(zhǔn)差箱線圖

圖6 線路2圓曲線正矢標(biāo)準(zhǔn)差箱線圖

圖7 線路3圓曲線正矢標(biāo)準(zhǔn)差箱線圖

3 結(jié)果分析

（1）通過動(dòng)靜態(tài)正矢數(shù)據(jù)波形對(duì)比，可以看出2類數(shù)據(jù)基本吻合；

（2）使用圓曲線靜態(tài)管理值作為軌檢數(shù)據(jù)的正矢特征閾值，可以準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)曲線狀態(tài)；

（3）依據(jù)圓曲線正矢特征篩選的不良曲線，對(duì)應(yīng)圓曲線區(qū)間橫向加速度峰值會(huì)有超限大值，可以用來輔助判斷曲線狀態(tài)；

（4）通過圓曲線正矢標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)結(jié)果和箱線圖，可以看出隨著曲線半徑的增大，曲線正矢標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；線路1速度級(jí)為80 km/h，線路2、線路3速度級(jí)為120 km/h，從提取結(jié)果看，80 km/h速度級(jí)線路的標(biāo)準(zhǔn)差值整體比120 km/h速度級(jí)線路大，建議分開制定標(biāo)準(zhǔn)差閾值標(biāo)準(zhǔn)，可以較好地篩選出疑似正矢不良的曲線，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)制定的標(biāo)準(zhǔn)差建議閾值見表5。

表5 圓曲線正矢標(biāo)準(zhǔn)差建議閾值 mm

4 結(jié)論

隨著檢測(cè)任務(wù)的增多，靜態(tài)正矢檢查效率較低、工作量大的問題凸顯，且曲線軌道受力的復(fù)雜性使得動(dòng)態(tài)檢測(cè)更能真實(shí)地反映出軌道的真實(shí)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。使用軌檢車動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)特征能夠高效、準(zhǔn)確地對(duì)曲線狀態(tài)進(jìn)行評(píng)判，極大提高正矢檢查效率，為鐵路檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定和現(xiàn)場(chǎng)維修養(yǎng)護(hù)工作提供理論依據(jù)。