高速铁路轨道超长波不平顺的检测
白梦兆 北京交通大学土建学院 09232033
[摘要]: 轨道变形分为弹性变形和永久变形，其表现为轨道不平顺。 轨道不平顺对高速行车安全、车辆振动、噪声、轮轨作用力都有重要影响，是直接限制行车速度的主要因素。实践证明，只有高平顺的轨道才能确保列车高速、安全、平稳、舒适运行品质 。高速铁路运输要求轨道有别于一般铁路的主要特点：高平顺性。
[关键词]:轨道不平顺 高速铁路 高平顺性 超长波不平顺检测。
正文
一、高速铁路轨道不平顺
1、高速铁路定义
高速铁路，简称“高铁”，是指通过改造原有线路（直线化、轨距标准化），使营运速率达到每小时200公里以上，或者专门修建新的“高速新线”，使营运速率达到每小时250公里以上的铁路系统。高速铁路除了在列车在营运达到一定速度标准外，车辆、路轨、操作都需要配合提升。
2、轨道不平顺
轨道不平顺是指轨道的几何形状、尺寸和空间位置相对其正常状态的偏差。凡是直线轨道不平、不直，对轨道中心线位置和高度、宽度正确尺寸的偏差；曲线轨道不圆顺，偏离正确的曲线中心线位置或正确的超高、轨距及顺坡变化数值，通称为轨不平顺。
2.1轨道不平顺的分类
轨道不平顺对机车车辆在空间三维方向上的激扰作用，可分为垂向、横向和复合（垂向与横向复合）不平顺三类。
图例 垂向、横向轨道不平顺示
（1）垂向轨道不平顺：高低不平顺、水平不平顺、扭曲不平顺、轨面短波不平顺、钢轨轨身垂向周期性不平顺等。
高度不平顺是指轨道沿钢轨长度方向，在垂向上的凹凸不平。
水平不平顺是指轨道沿轨道各个横向截面上左右两股钢轨轨顶面高差的波动变化。
扭曲不平顺是指左右股钢轨轨顶面相对于轨道标准平面的扭曲，用相隔一定距离（国际称作用距离）的两个横截面的水平幅值的代数差度量。
轨面短波不平顺是指钢轨轨顶面沿长度方向上的长度较短范围内的不平顺，包括轨面不均匀磨耗、波纹磨耗、擦伤、剥离掉块、焊缝不平、接头错牙等钢轨表面不平顺。
钢轨轨身垂向周期性不平顺是指钢轨在扎制校直过程中，由于扎锟等影响造成轨身垂向周期性的弯曲变形。
（2）横向轨道不平顺：轨道方向不平顺、轨距偏差、轨身横向周期性不平顺等。
轨道方向（轨向）不平顺是指轨头作用边沿钢轨长度方向的横向凹凸不平顺，相对于轨道中心线，可分左股和右股钢轨方向不平顺。
轨距偏差是指轨道同一横截面，在轨顶面下16mm 处，左右两根钢轨之间的最小内侧距离相对于标准轨距的偏差。
钢轨轨身横向周期性不平顺是指钢轨在扎制校直过程中产生的轨身横向周期性弯曲变形。
（3）复合不平顺
复合不平顺是指在轨道同一位置或在影响机车车辆系统性能的长度范围内，共同存在垂向和横向轨道不平顺，形成的双向不平顺；存在两个以上垂向或横向不平顺，形成的单向的叠加不平顺。对行车影响较大的主要有轨向与轨向逆相位复合不平顺、轨向与水平的逆相位不平顺、轨向与轨距的逆相位复合不平顺、水平与轨距的逆相位复合不平顺、高低与水平的逆相位复合不平顺、扭曲与水平的逆相位复合不平顺。
（由于列车蛇行运动和动荷响应，这里将列车在运行过程中因空吊、暗坑等形成的动态水平，纳入水平不平顺进行管理；将列车在运行过程中因扣件离缝外挤、因调高垫片超垫产生钢轨外翻等形成的动态轨距，纳入轨距偏差进行管理。）
2.2轨道不平顺波长特征
轨道几何不平顺是随机的，波长范围较广，不同的波长对列车的平稳性的影响不同，可分为短波、中波和长波不平顺。
波长1m 以下的轨面不平顺为短波不平顺，其幅值较小，多在0.1-2mm ，主要为钢轨波纹或波浪磨耗、焊缝平顺度超标、钢轨不均匀磨耗、剥离掉块和轨枕间距不量等因素产生。
波长1-30m 范围的轨道不平顺为中波不平顺，其幅值在1-35mm 不等，主要为钢轨扎制过程中形成的周期性成分和波浪性磨耗、道床路基的残余变形、道床密实度不均、各部件间隙不等、焊缝平顺度不达标、桥涵刚度变化等引起。目前沪昆线轨面形成的波长2-4m 的幅值在1mm 左右的高低不平顺，主要是因为基建过程中，为提高轨控水平，在路基、道床未经过稳定压实后实施跨无缝线路铺设后钢轨本身形成的塑性变形引起。这种结构病害波形无法通过养修进行修正，也无法通过钢轨打磨进行消除，只有通过大修给予改善。目前沪昆线存在高低、轨向、扭曲、水平、轨距等不平顺，多为中波不平顺。
波长30-150m 范围的轨道不平顺为长波不平顺，其幅值在1-60mm 不等，甚至更大，主要为路基工后不均沉降、路基施工高程偏差、线路纵断面不达标和桥梁动挠度等因素引起。
三、轨道不平顺对高速铁路的影响
1、不同不平顺对行车的影响
轨道不平顺不仅幅值和波长的变化范围大，且其影响也各不相同。短波不平顺可能引起簧下质量与钢轨间的冲击振动，产生很大的轮轨作用力。周期性成分可能引起机车车辆的谐振，而中、长波尤其是敏感波长成分常常是引起车体产生较大振动的重要原因。
2、不平顺幅值、波长、速度的相互影响
波长与速度一定时，幅值越大，引起的车辆振动和轮轨作用力响应越大； 幅值与速度一定时，波长越长，影响越小，非线性递减，但敏感波长、周期性的谐振波长影响较大。
幅值与波长一定时，速度越髙，影响越大，非线性递增。
3、高速轨道不平顺与车辆相互作用特点
幅值微小的轨面不平顺也可能引起轮轨强烈地冲击振动，产生较大的轮轨作用力；
小幅值不平顺对车辆振动舒适性的影响增大；
影响高速铁路行车的轨道不平顺波长范围扩大；
激振频率1Hz 左右的具有谐振波长特征的轨道不平顺影响显著；
高速铁路容易产生的与车辆转向架或车体主振频率相同的周期性轨道不平顺应高度重视。
高速轨道不平顺管理波长范围扩大。高速铁路有影响的轨道不平顺波长范围也随之扩大。长波不平顺对车体振动的影响变得不可忽视，因此必须监控校正的波长范围也大为增加；轨检车可测波长范围需增大；大型养路机具的基线长需加长；中跨桥的挠度需减小（刚度需增大）
四、高速铁路轨道超长波不平顺检测技术
由于长波不平顺对高速铁路运行的影响很大，但目前对于轨道不平顺长波检测到超长波的检测技术还很不完善，下面简单介绍几种国内外轨道检测设备概况
1、轨道综合检测列车
国外主要采用大型轨道检测列车对铁路轨道惊醒检测。能在100km/h至300km/h的速度范围内对接触网、通信信号、轨道进行检测，大多综合运用了加速度、激光陀螺仪、噪声计、 摄像头等测试装置。
日本在2000年研制出新一代新干线多功能检测车 ,成为世界上第一个可以在 270 km/h 速度下进行下部结构检测的列车组。德国研制了 GeoRail-Xpress 综合检测车 ,能对线路上的可见和不可见部分进行全数字化测量、 采集和分析 ,设计检测速度为 100 km/h。可进行地震勘察、 隧道检测、 线路和环境检测、 轨道检测、轨枕和无砟轨道检测、 轨头检测和卫星定位等。法国于2003年下半年开始改装TGV 路网型列车 ,改造为高速检测列车(定名为MGV) 。MGV 能够在 300 km/h 速度下对接触网、 通信信号、 轨道等进行检测。我国1998年完成了 GJ-4型轨检车的研发 ,采用惯性基准原理和非接触测量方法 ,可以检测的轨道几何参数有高低、 轨向、 水平、 超高、 曲率、 扭曲等 ,最高检测速度为160 km/h～
180 km/h。大型轨检车运行速度高 ,但制造和使用成本高 ,其检测结果不便于指导施工作业 ,不便于日常线路检测。
2 、国内轨检小车
国内有多个公司生产出便携式轨道平顺检测设备 ,最具代表性的是江西日月明公司的 GJY-H-5 轨道检查仪、山东省激光科学院激光研究所研制的GJJ-3轨道检测仪等。这些检测小车均可以同步检测左右轨道的高低、轨向、 正矢、 轨距、 水平、 三角坑、 轨距变化率和里程等参数 ,其基本原理均是基于1 m 左右弦线为检测基准 ,计算 10 m 弦正矢。但本文认为这些设备都只能解决短波不平顺
,
无法测量波长较长的不平顺。
3、国外轨检小车
比较著名的有瑞士安伯
格公司生产的轨道检查
仪和德国 GEDO轨道测
量系统。这两种检测小
车原理一样 ,均与全站
仪配合使用。其中安伯
格公司与徕卡自动跟踪
全站仪配合 ,而GEDO 使
用的是 Trimble 公司
的全站仪。可以通过全
站仪测量三维绝对坐
标 ,可以检测短波和长波不平顺。该设备在国外高速无砟铁路施工中广泛使用 ,但对于有砟线路与捣固车作业配合使用不多 ,设备较昂贵。
4、EM-SAT 120轨道作业检测车
奥地利普拉塞公司生产的 EM-SAT 120 轨道作业检测车 ,它利用激光基准弦对线路实际几何参数进行测量。它可以较好的检测线路长波不平顺的问题。
5、激光长弦检测仪
结合国内外的现状 ,铁
建所在多年使用激光准
直技术的基础上自主研
发了激光长弦检测仪 ,
它可以直接检测线路的
长波不平顺 。
它由激光发射小车和激光接收小车
组成。在激光接收小车上有专用笔
记本电脑配合软件进行数据的读取
和保存 ,在激光发射小车安装了一
台激光发射器 ,能发射出一束直径
10 mm的激光束。在激光接收小车
上安装了一台两维 CCD 激光接收
器。利用激光接收器直接测出轨道
轴弦相对于基准弦水平和竖直方向
的偏差。
6、基于惯性法的磁浮轨道长波平顺检测及其实现
利用自动化测试系统是检测轨道平顺性的有效手段。提出了一种用于磁浮轨道长波不平顺的惯性检测方法, 结合GPS 技术实现轨道的定位。配置相应的检测系统, 系统中利用多线程并行处理技术实现GPS-OEM 板数据和数采卡数据的同步记录; 由速度信号控制加速度信号和间隙信号的等空间间隔采样;
并且设计了线
性相位IIR 移变滤波器来实现对长波不平顺成分的提取。测试结果表明该检测方法能实现磁浮轨道长波不平顺准确测量, 检测结果不受列车运行速度变化的影响, 可方便的提取特定波长范围内的轨道不平顺成分, 同时使用GPS 能准确可靠的实现梁跨范围内的定
结 束 语
随着列车运行速度的不断提高 ,对轨道的平顺性提出了更高的要求 ,尤其是解决轨道的长波不平顺成为当前的一个技术难题。目前除了传统的检测方法，更多的运用激光技术，GPS 技术等高新技术，解决了轨道长波不平顺的检测，精度也达到一定要求，但仍有许多不完善的方面等待着解决。随着科学技术的发展，一定有更好的方法，等着我们去研究，应用。
参 考 文 献
【1】魏世斌 刘伶萍 刘维桢，《提速线路轨道长波不平顺检测技术》，《中国铁道科学》2010年3月第2期 第31卷；
【2】高春雷 王发灯，《利用激光准直技术检测线路的长波不平顺》，《铁道建筑》2009年第一期；
【3】刘百华，《浅议高速铁路轨道的高平顺性》，1999年7月；
【4】郑树彬 林建辉 林国斌，《基于惯性法的磁浮轨道长波不平顺检测及其实现》，《电子测量与仪器学报》 2007年01期。
2012-4-15
高速铁路轨道超长波不平顺的检测
白梦兆 北京交通大学土建学院 09232033
[摘要]: 轨道变形分为弹性变形和永久变形，其表现为轨道不平顺。 轨道不平顺对高速行车安全、车辆振动、噪声、轮轨作用力都有重要影响，是直接限制行车速度的主要因素。实践证明，只有高平顺的轨道才能确保列车高速、安全、平稳、舒适运行品质 。高速铁路运输要求轨道有别于一般铁路的主要特点：高平顺性。
[关键词]:轨道不平顺 高速铁路 高平顺性 超长波不平顺检测。
正文
一、高速铁路轨道不平顺
1、高速铁路定义
高速铁路，简称“高铁”，是指通过改造原有线路（直线化、轨距标准化），使营运速率达到每小时200公里以上，或者专门修建新的“高速新线”，使营运速率达到每小时250公里以上的铁路系统。高速铁路除了在列车在营运达到一定速度标准外，车辆、路轨、操作都需要配合提升。
2、轨道不平顺
轨道不平顺是指轨道的几何形状、尺寸和空间位置相对其正常状态的偏差。凡是直线轨道不平、不直，对轨道中心线位置和高度、宽度正确尺寸的偏差；曲线轨道不圆顺，偏离正确的曲线中心线位置或正确的超高、轨距及顺坡变化数值，通称为轨不平顺。
2.1轨道不平顺的分类
轨道不平顺对机车车辆在空间三维方向上的激扰作用，可分为垂向、横向和复合（垂向与横向复合）不平顺三类。
图例 垂向、横向轨道不平顺示
（1）垂向轨道不平顺：高低不平顺、水平不平顺、扭曲不平顺、轨面短波不平顺、钢轨轨身垂向周期性不平顺等。
高度不平顺是指轨道沿钢轨长度方向，在垂向上的凹凸不平。
水平不平顺是指轨道沿轨道各个横向截面上左右两股钢轨轨顶面高差的波动变化。
扭曲不平顺是指左右股钢轨轨顶面相对于轨道标准平面的扭曲，用相隔一定距离（国际称作用距离）的两个横截面的水平幅值的代数差度量。
轨面短波不平顺是指钢轨轨顶面沿长度方向上的长度较短范围内的不平顺，包括轨面不均匀磨耗、波纹磨耗、擦伤、剥离掉块、焊缝不平、接头错牙等钢轨表面不平顺。
钢轨轨身垂向周期性不平顺是指钢轨在扎制校直过程中，由于扎锟等影响造成轨身垂向周期性的弯曲变形。
（2）横向轨道不平顺：轨道方向不平顺、轨距偏差、轨身横向周期性不平顺等。
轨道方向（轨向）不平顺是指轨头作用边沿钢轨长度方向的横向凹凸不平顺，相对于轨道中心线，可分左股和右股钢轨方向不平顺。
轨距偏差是指轨道同一横截面，在轨顶面下16mm 处，左右两根钢轨之间的最小内侧距离相对于标准轨距的偏差。
钢轨轨身横向周期性不平顺是指钢轨在扎制校直过程中产生的轨身横向周期性弯曲变形。
（3）复合不平顺
复合不平顺是指在轨道同一位置或在影响机车车辆系统性能的长度范围内，共同存在垂向和横向轨道不平顺，形成的双向不平顺；存在两个以上垂向或横向不平顺，形成的单向的叠加不平顺。对行车影响较大的主要有轨向与轨向逆相位复合不平顺、轨向与水平的逆相位不平顺、轨向与轨距的逆相位复合不平顺、水平与轨距的逆相位复合不平顺、高低与水平的逆相位复合不平顺、扭曲与水平的逆相位复合不平顺。
（由于列车蛇行运动和动荷响应，这里将列车在运行过程中因空吊、暗坑等形成的动态水平，纳入水平不平顺进行管理；将列车在运行过程中因扣件离缝外挤、因调高垫片超垫产生钢轨外翻等形成的动态轨距，纳入轨距偏差进行管理。）
2.2轨道不平顺波长特征
轨道几何不平顺是随机的，波长范围较广，不同的波长对列车的平稳性的影响不同，可分为短波、中波和长波不平顺。
波长1m 以下的轨面不平顺为短波不平顺，其幅值较小，多在0.1-2mm ，主要为钢轨波纹或波浪磨耗、焊缝平顺度超标、钢轨不均匀磨耗、剥离掉块和轨枕间距不量等因素产生。
波长1-30m 范围的轨道不平顺为中波不平顺，其幅值在1-35mm 不等，主要为钢轨扎制过程中形成的周期性成分和波浪性磨耗、道床路基的残余变形、道床密实度不均、各部件间隙不等、焊缝平顺度不达标、桥涵刚度变化等引起。目前沪昆线轨面形成的波长2-4m 的幅值在1mm 左右的高低不平顺，主要是因为基建过程中，为提高轨控水平，在路基、道床未经过稳定压实后实施跨无缝线路铺设后钢轨本身形成的塑性变形引起。这种结构病害波形无法通过养修进行修正，也无法通过钢轨打磨进行消除，只有通过大修给予改善。目前沪昆线存在高低、轨向、扭曲、水平、轨距等不平顺，多为中波不平顺。
波长30-150m 范围的轨道不平顺为长波不平顺，其幅值在1-60mm 不等，甚至更大，主要为路基工后不均沉降、路基施工高程偏差、线路纵断面不达标和桥梁动挠度等因素引起。
三、轨道不平顺对高速铁路的影响
1、不同不平顺对行车的影响
轨道不平顺不仅幅值和波长的变化范围大，且其影响也各不相同。短波不平顺可能引起簧下质量与钢轨间的冲击振动，产生很大的轮轨作用力。周期性成分可能引起机车车辆的谐振，而中、长波尤其是敏感波长成分常常是引起车体产生较大振动的重要原因。
2、不平顺幅值、波长、速度的相互影响
波长与速度一定时，幅值越大，引起的车辆振动和轮轨作用力响应越大； 幅值与速度一定时，波长越长，影响越小，非线性递减，但敏感波长、周期性的谐振波长影响较大。
幅值与波长一定时，速度越髙，影响越大，非线性递增。
3、高速轨道不平顺与车辆相互作用特点
幅值微小的轨面不平顺也可能引起轮轨强烈地冲击振动，产生较大的轮轨作用力；
小幅值不平顺对车辆振动舒适性的影响增大；
影响高速铁路行车的轨道不平顺波长范围扩大；
激振频率1Hz 左右的具有谐振波长特征的轨道不平顺影响显著；
高速铁路容易产生的与车辆转向架或车体主振频率相同的周期性轨道不平顺应高度重视。
高速轨道不平顺管理波长范围扩大。高速铁路有影响的轨道不平顺波长范围也随之扩大。长波不平顺对车体振动的影响变得不可忽视，因此必须监控校正的波长范围也大为增加；轨检车可测波长范围需增大；大型养路机具的基线长需加长；中跨桥的挠度需减小（刚度需增大）
四、高速铁路轨道超长波不平顺检测技术
由于长波不平顺对高速铁路运行的影响很大，但目前对于轨道不平顺长波检测到超长波的检测技术还很不完善，下面简单介绍几种国内外轨道检测设备概况
1、轨道综合检测列车
国外主要采用大型轨道检测列车对铁路轨道惊醒检测。能在100km/h至300km/h的速度范围内对接触网、通信信号、轨道进行检测，大多综合运用了加速度、激光陀螺仪、噪声计、 摄像头等测试装置。
日本在2000年研制出新一代新干线多功能检测车 ,成为世界上第一个可以在 270 km/h 速度下进行下部结构检测的列车组。德国研制了 GeoRail-Xpress 综合检测车 ,能对线路上的可见和不可见部分进行全数字化测量、 采集和分析 ,设计检测速度为 100 km/h。可进行地震勘察、 隧道检测、 线路和环境检测、 轨道检测、轨枕和无砟轨道检测、 轨头检测和卫星定位等。法国于2003年下半年开始改装TGV 路网型列车 ,改造为高速检测列车(定名为MGV) 。MGV 能够在 300 km/h 速度下对接触网、 通信信号、 轨道等进行检测。我国1998年完成了 GJ-4型轨检车的研发 ,采用惯性基准原理和非接触测量方法 ,可以检测的轨道几何参数有高低、 轨向、 水平、 超高、 曲率、 扭曲等 ,最高检测速度为160 km/h～
180 km/h。大型轨检车运行速度高 ,但制造和使用成本高 ,其检测结果不便于指导施工作业 ,不便于日常线路检测。
2 、国内轨检小车
国内有多个公司生产出便携式轨道平顺检测设备 ,最具代表性的是江西日月明公司的 GJY-H-5 轨道检查仪、山东省激光科学院激光研究所研制的GJJ-3轨道检测仪等。这些检测小车均可以同步检测左右轨道的高低、轨向、 正矢、 轨距、 水平、 三角坑、 轨距变化率和里程等参数 ,其基本原理均是基于1 m 左右弦线为检测基准 ,计算 10 m 弦正矢。但本文认为这些设备都只能解决短波不平顺
,
无法测量波长较长的不平顺。
3、国外轨检小车
比较著名的有瑞士安伯
格公司生产的轨道检查
仪和德国 GEDO轨道测
量系统。这两种检测小
车原理一样 ,均与全站
仪配合使用。其中安伯
格公司与徕卡自动跟踪
全站仪配合 ,而GEDO 使
用的是 Trimble 公司
的全站仪。可以通过全
站仪测量三维绝对坐
标 ,可以检测短波和长波不平顺。该设备在国外高速无砟铁路施工中广泛使用 ,但对于有砟线路与捣固车作业配合使用不多 ,设备较昂贵。
4、EM-SAT 120轨道作业检测车
奥地利普拉塞公司生产的 EM-SAT 120 轨道作业检测车 ,它利用激光基准弦对线路实际几何参数进行测量。它可以较好的检测线路长波不平顺的问题。
5、激光长弦检测仪
结合国内外的现状 ,铁
建所在多年使用激光准
直技术的基础上自主研
发了激光长弦检测仪 ,
它可以直接检测线路的
长波不平顺 。
它由激光发射小车和激光接收小车
组成。在激光接收小车上有专用笔
记本电脑配合软件进行数据的读取
和保存 ,在激光发射小车安装了一
台激光发射器 ,能发射出一束直径
10 mm的激光束。在激光接收小车
上安装了一台两维 CCD 激光接收
器。利用激光接收器直接测出轨道
轴弦相对于基准弦水平和竖直方向
的偏差。
6、基于惯性法的磁浮轨道长波平顺检测及其实现
利用自动化测试系统是检测轨道平顺性的有效手段。提出了一种用于磁浮轨道长波不平顺的惯性检测方法, 结合GPS 技术实现轨道的定位。配置相应的检测系统, 系统中利用多线程并行处理技术实现GPS-OEM 板数据和数采卡数据的同步记录; 由速度信号控制加速度信号和间隙信号的等空间间隔采样;
并且设计了线
性相位IIR 移变滤波器来实现对长波不平顺成分的提取。测试结果表明该检测方法能实现磁浮轨道长波不平顺准确测量, 检测结果不受列车运行速度变化的影响, 可方便的提取特定波长范围内的轨道不平顺成分, 同时使用GPS 能准确可靠的实现梁跨范围内的定
结 束 语
随着列车运行速度的不断提高 ,对轨道的平顺性提出了更高的要求 ,尤其是解决轨道的长波不平顺成为当前的一个技术难题。目前除了传统的检测方法，更多的运用激光技术，GPS 技术等高新技术，解决了轨道长波不平顺的检测，精度也达到一定要求，但仍有许多不完善的方面等待着解决。随着科学技术的发展，一定有更好的方法，等着我们去研究，应用。
参 考 文 献
【1】魏世斌 刘伶萍 刘维桢，《提速线路轨道长波不平顺检测技术》，《中国铁道科学》2010年3月第2期 第31卷；
【2】高春雷 王发灯，《利用激光准直技术检测线路的长波不平顺》，《铁道建筑》2009年第一期；
【3】刘百华，《浅议高速铁路轨道的高平顺性》，1999年7月；
【4】郑树彬 林建辉 林国斌，《基于惯性法的磁浮轨道长波不平顺检测及其实现》，《电子测量与仪器学报》 2007年01期。
2012-4-15