基于可調(diào)板式軌道的軌道/車輛檢測設(shè)備可靠性測試系統(tǒng)

1 引言

確保軌道幾何形位檢測設(shè)備（TGMS）和車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)檢測設(shè)備的可靠性，是維持鐵路安全運(yùn)營的重要保障，尤其是對于高速鐵路而言。因此，對上述兩大設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行精確校驗(yàn)顯得尤為重要。

而迄今為止，對搭載在軌道檢測車（以下簡稱“軌檢車”）等可移動(dòng)平臺(tái)上的TGMS進(jìn)行校驗(yàn)的常用方法是，將其在若干離散位置處測得的軌道參數(shù)與在該處使用手動(dòng)測量工具靜態(tài)測出的相應(yīng)數(shù)值進(jìn)行對比，進(jìn)而做出評定，或者對其在不同行駛速度下和不同行駛方向上多次重復(fù)測得的軌道幾何形位參數(shù)進(jìn)行可重復(fù)性分析。上述方法盡管可對車載檢測設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)，但不能對其進(jìn)行足夠精確的評估。

此外，為通過分析車輛與軌道間的相互作用掌握線路狀態(tài)，還需要測定軌道車輛對于特定軌道幾何形位變化（即擾動(dòng)）的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。軌道車輛設(shè)計(jì)師也希望在軌道幾何形位變化受控的線路上進(jìn)行此類測試，以便對分析結(jié)果及計(jì)算機(jī)仿真模型進(jìn)行校驗(yàn)。

因此，基于可調(diào)式微動(dòng)加擾高速鐵路軌道板（High-Speed Adjustable Perturbation Slab，HS-APS）的校驗(yàn)測試系統(tǒng)（以下簡稱“HS-APS測試系統(tǒng)”）應(yīng)運(yùn)而生。

2 系統(tǒng)概述

HS-APS測試系統(tǒng)由美國聯(lián)邦鐵路管理局（FRA）開發(fā)研制，自2015年起在位于科羅拉多州（Colorado）普韋布洛（Pueblo）附近的運(yùn)輸技術(shù)中心（TTC）投入使用。這是一條152 m長的直線板式軌道線路，可實(shí)現(xiàn)對軌道幾何形位在垂向和橫向上的精確微調(diào)。其功能是：①對TGMS進(jìn)行校驗(yàn)，確保其檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性；②測試軌道車輛對于軌道垂向和橫向幾何形位變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

目前，該線路是環(huán)形高速鐵路測試線（RTT）的組成部分，RTT總長度為21.7 km，直線段最高允許速度為266 km/h，在半徑為1 400 m的反向曲線上限制列車速度為212 km/h。

該測試系統(tǒng)采用具有金屬軌枕的板式軌道。其金屬軌枕經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，可進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)最大44.5 mm的垂向形變及38.1 mm的橫向形變。特制的齒槽錨板和墊片可使對軌道幾何形位的調(diào)整精確到3.2 mm（圖1）。通過使用不同的橡膠墊片充當(dāng)軌座墊片，還可以模擬不同的軌道剛度和阻尼特性。該測試系統(tǒng)可產(chǎn)生類型不同、不平順波長不同的軌道幾何形位變化（即擾動(dòng)），包括軌向、軌距、高低、水平偏差及其組合。

圖1 安裝在線路上的 HS-APS

由于舊鋼軌焊接接頭處的磨損和形變會(huì)影響該系統(tǒng)施加擾動(dòng)的精度，因此系統(tǒng)中的舊鋼軌都更換為新鋼軌。為便于設(shè)定和調(diào)整出具有不同不平順波長和振幅的軌道幾何形位變化，軌道伸縮縫安裝在該系統(tǒng)線路外部且與其相鄰的位置。線路上安裝檢測設(shè)備，用以測量輪軌間的垂向和橫向作用力，并量化列車運(yùn)行時(shí)軌道部件的垂向和橫向撓度。

3 軌道/車輛檢測設(shè)備可靠性測試

自 2015 年啟用以來，TTC、FRA等機(jī)構(gòu)聯(lián)合組成的項(xiàng)目組已使用 HS-APS測試系統(tǒng)進(jìn)行了多次軌道/車輛檢測設(shè)備可靠性測試，旨在利用測試獲得的數(shù)據(jù)為FRA開發(fā)和測試TGMS評估程序提供支持。

3.1 測試準(zhǔn)備

為保證HS-APS測試系統(tǒng)對TGMS和車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)檢測設(shè)備可靠性的校驗(yàn)準(zhǔn)確度，測試人員需在測試前進(jìn)行一系列準(zhǔn)備工作。其在線路沿線設(shè)置10個(gè)測量點(diǎn)，用于測量軌道幾何形位在不同擾動(dòng)設(shè)定和不同列車速度下的變化值，以及輪軌間的作用力。

在測試前，所有電路和傳感器都會(huì)使用便攜式校準(zhǔn)設(shè)備或可對鋼軌施加垂向和橫向輪載并進(jìn)行檢測的測試車輛進(jìn)行校準(zhǔn)。

為掌握軌道靜態(tài)幾何形位，測試人員需要進(jìn)行軌道基準(zhǔn)點(diǎn)測量，具體測量方法如下：

（1）利用已確定的HS-APS線路中心線作為參考基線測量軌向；

（2）使用光學(xué)水準(zhǔn)儀測量軌頂高程；

（3）采用便攜式軌道幾何形位測量設(shè)備進(jìn)行軌向、軌距、高低、水平和曲線曲率等參數(shù)的測量。

上述測量都需要設(shè)置永久性測量基準(zhǔn)標(biāo)志。前2種測量需要人工進(jìn)行逐個(gè)軌枕的測量，非常耗時(shí)；第3種測量需要對采集的各種參數(shù)進(jìn)行處理和濾波以生成基準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)。目前，F(xiàn)RA正在開發(fā)一種改進(jìn)的、自動(dòng)化的基準(zhǔn)點(diǎn)測量方法。

3.2 測試內(nèi)容

測試時(shí)，項(xiàng)目組使用HS-APS測試系統(tǒng)設(shè)置了不同的軌道幾何形位變化擾動(dòng)，并利用FRA開發(fā)的DOTX-216 TGMS評估程序?qū)z測結(jié)果進(jìn)行評估。工作人員先后共設(shè)置了9組不同的擾動(dòng)并進(jìn)行測試，具體如下：

（1）無擾動(dòng)；

（2）在測試核心區(qū)外HS-APS線路末端設(shè)置波長9.5 m、振幅19 mm的高低擾動(dòng)；

（3）在測試核心區(qū)設(shè)置2組波長18.9 m、振幅22 mm的高低和水平組合正弦擾動(dòng)；

（4）在測試核心區(qū)設(shè)置波長37.8 m、振幅22 mm的高低和水平組合擾動(dòng)；

（5）在測試核心區(qū)設(shè)置波長9.5 m、振幅16 mm的高低和水平組合擾動(dòng)；

（6）在HS-APS線路末端設(shè)置高低和水平組合擾動(dòng)，并進(jìn)行盲測；

（7）在HS-APS線路末端設(shè)置波長9.5 m、振幅13 mm的軌向擾動(dòng)；

（8）在測試核心區(qū)設(shè)置波長18.9 m、振幅10 mm的同相和反相組合軌向擾動(dòng)；

（9）在HS-APS線路中央位置設(shè)置軌向擾動(dòng)，并進(jìn)行盲測。

對于（6）和（9）中的盲測，直到測量完成后，TGMS測試人員才能得知擾動(dòng)的波長和振幅。對于其他擾動(dòng)，TGMS測試人員會(huì)被提前告知預(yù)設(shè)的軌道幾何形位。

圖2 中展示了垂向和橫向幾何形位擾動(dòng)設(shè)置的2個(gè)示例。其中，圖2a為測試（3）中預(yù)設(shè)的擾動(dòng)，圖2b為測試（8）中預(yù)設(shè)的擾動(dòng)。

在進(jìn)行每個(gè)預(yù)設(shè)的擾動(dòng)測試前，測試人員均使用便攜式軌道幾何形位測量設(shè)備測出空載條件下的軌道實(shí)際幾何形位，以獲得基準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)。圖3中的基準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)為圖2中加擾軌道的垂向和橫向幾何形位實(shí)際測量結(jié)果。圖3a展示了去除測試區(qū)段實(shí)際坡度 （0.3%）后2 條鋼軌的高低測量值，圖3b展示了2條鋼軌的軌向及軌距測量值。由圖可知，測量數(shù)據(jù)與圖2中的設(shè)置數(shù)據(jù)基本符合，說明盡管2條鋼軌并非完全平直，但確實(shí)按照設(shè)計(jì)引入了高低和軌向變形擾動(dòng)。

圖2 垂向和橫向幾何形位擾動(dòng)設(shè)置示例（單位：m）

圖3 在加擾軌道上測得的基準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)

建立基準(zhǔn)參考后，搭載TGMS的試驗(yàn)車會(huì)以32～169 km/h 的測試速度（測試速度受試驗(yàn)車最高運(yùn)行速度的限制）在加擾軌道上行駛，并對軌道幾何形位參數(shù)進(jìn)行測量；在同一測試區(qū)段內(nèi)的一個(gè)方向上，每種測試速度下重復(fù)進(jìn)行3次測試，再以相反方向進(jìn)行相同次數(shù)的測試。

圖4 展示了測試（5）中在不同試驗(yàn)速度下測得的內(nèi)軌高低，包括撓曲線測量結(jié)果，以及基于9.5 m、18.9 m和37.8 m 3種弦長的中點(diǎn)弦測（MCO）結(jié)果。其中還包含參考基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以便將TGMS測量結(jié)果與之對比。由于采用的測試方法（撓曲線和MCO）及弦長不同（9.5 m、18.9 m和37.8 m），因此測試結(jié)果也有差異。

圖4 利用不同測試方法（撓曲線和MCO）在不同試驗(yàn)速度下測得的內(nèi)軌高低

在測試運(yùn)行期間，工作人員還使用車載傳感器和軌旁測試設(shè)備對車輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及軌道部件變形進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示，所有擾動(dòng)測試中，輪軌間橫向與垂向作用力以及脫軌系數(shù)（Q/P）均在允許范圍內(nèi)，脫軌系數(shù)最大值小于0.3，鋼軌最大橫向位移為1.3 mm，鋼軌最大側(cè)傾角為0.5°，軌道板的最大撓度非常小，垂向和橫向均僅為0.6 mm。圖5展示了軌旁測試設(shè)備在測試（4）中測得的不同車輛以不同速度通過時(shí)的脫軌系數(shù)。

圖5 軌旁測試設(shè)備測得的不同車輛脫軌系數(shù)

4 結(jié)論

（1）HS-APS 測試系統(tǒng)的測試結(jié)果及由此帶來的新發(fā)現(xiàn)有助于驗(yàn)證和提高TGMS的可靠性，以及進(jìn)一步研究車輛與軌道間的相互作用。該測試系統(tǒng)在提高軌檢車的測量精度、改善車輛對各種軌道幾何形位變化和軌道特性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面具有巨大潛力。

（2）測試時(shí)，不論評估對象是何種TGMS，都應(yīng)該進(jìn)行盲測，以確保測試和評估過程的客觀性和準(zhǔn)確性；環(huán)境溫度和風(fēng)速對測量設(shè)備的精度和重復(fù)性有較大影響，應(yīng)加以考慮。

（3）在設(shè)計(jì)和施工HS-APS時(shí)，應(yīng)保證HS-APS的橫向調(diào)節(jié)量可校正初始的軌向偏差；為實(shí)現(xiàn)對橫向正弦形狀的精確設(shè)置，微調(diào)精度必須大于3 mm；為延長系統(tǒng)的使用壽命，應(yīng)減少調(diào)節(jié)螺栓的使用數(shù)量；為減小環(huán)境溫度變化對擾動(dòng)設(shè)置的影響，應(yīng)在軌道接頭處設(shè)置伸縮縫，以實(shí)現(xiàn)鋼軌的正常伸縮。