張 磊,張玉明

(鄭州鐵路局南陽工務段,河南南陽 473000)

1 概述

經(jīng)六次鐵路大提速后,為使軌檢車檢測資料能更好地指導線路維修,提高養(yǎng)護維修質(zhì)量,結合國外相關經(jīng)驗和我國現(xiàn)場實際,經(jīng)研究和試驗,自 2008年 2月1日起,將軌道動態(tài)管理標準進行了調(diào)整,在對線路質(zhì)量的動態(tài)檢查指標中,增加了對曲率變化率、軌距變化率、橫向加速度變化率三項指標,這樣,對線路質(zhì)量的評價指標達到 10個,其中曲率變化率的基長采用 18 m,單位是(1/m2×10-6)。 v≤120 km/h時 ,曲率變化率Ⅰ級病害管理值 5.0,Ⅱ級病害管理值 6.5;120 km/h＜v≤160 km/h時,曲率變化率Ⅰ級病害管理值 3.0,Ⅱ級病害管理值 4.0;160 km/h＜v≤200 km/h時,曲率變化率Ⅰ級病害管理值 2.0,Ⅱ級病害管理值 2.5;200km/h＜v≤250km/h時,曲率變化率Ⅰ級病害管理值 1.2,Ⅱ級病害管理值 2.0。

因長期以來形成的線路維修保養(yǎng)習慣不能適應新的線路質(zhì)量要求,加之這些新增加的檢測指標在線路幾何狀態(tài)上表現(xiàn)的并不直接,基層生產(chǎn)人員對這些指標的認識還存在一定的差距,在每次動態(tài)檢查的 10個線路質(zhì)量評價指標中,曲率變化率的出分都占了不良出分的絕大多數(shù),制約了線路質(zhì)量的提高,就南陽工務段自 2008年底至 2009年 2月份共 4個月的出分情況看,鄭州鐵路局南陽工務段共管轄正線設備 1 022km,其中寧西線為單線,管轄 315 km,焦柳線為復線,管轄里程 346 km。2008年 10月份動態(tài)檢查,寧西線共出分 2290分,其中曲率變化率 1 423分,占 62.14%;焦柳上行共出分 3 337分,曲率變化率出 2 502分,占74.98%;焦柳下行共出分 3 705分,曲率變化率出分 2 136分,占 56.95%;

2008年 11月,寧西線共出分 2 158分,其中曲率變化率 1 183分,占 54.82%;焦柳上行共出分2 800分,曲率變化率出分 2 522分,占 90.07%;焦柳下行共出分 3 387分,曲率變化率出分 2 182分,占64.42%;

2008年 12月,寧西線共出分 2 050分,其中曲率變化率出分 1 409分,占 68.73%;焦柳上行共出分 2 831分,曲率變化率出分 2 532分,占 89.44%;焦柳下行共出分 3 176分,曲率變化率出分 2 112分,占66.5%;

2009年 2月,寧西線共出分 2422分,其中曲率變化率出分 1 307分,占 53.96%;焦柳上行共出分2 759分,曲率變化率出分 2 468分,占 89.45%;焦柳下行共出分2 842分,曲率變化率出分 2 260分,占 79.52%;

在以上出分統(tǒng)計中,總出分因行車及維修保養(yǎng)的原因,呈現(xiàn)一定的波動,但曲率變化率卻呈現(xiàn)出相對的穩(wěn)定,并在部分區(qū)段呈現(xiàn)出增加的趨勢,如焦柳下行,自 2008年 10月至 2009年 2月,總出分分別為 3 705、3 387、3 176、2 842分 ,曲率變化率出分分別為 2 136、2 182、2 112、2 260分,所占比例分別為 56.95%、64.42%、66.5%、79.52%。可以看出,總的出分趨向于下降,但曲率變化率出分卻存在上升趨勢,所占總分比例則更是明顯上升。

2 曲率變化率的現(xiàn)場處理

2.1 曲率變化率不良的原因分析

對于曲率變化率超管理值的原因分析時,因該指標是上級有關部門為提高養(yǎng)護維修質(zhì)量,結合國外相關經(jīng)驗和我國現(xiàn)場實際,經(jīng)研究和試驗,才確定加入動態(tài)評定指標對線路質(zhì)量進行考核的,所以基層設備管理部門對其存在的合理性便未產(chǎn)生任何懷疑,首先從自身找原因,可能是自己管理的線路確實存在問題。為此,專門對曲率變化率不良地段進行了比較分析,發(fā)現(xiàn)大多出現(xiàn)在曲線頭尾附近,而且在為變更線間距而設置的反向曲線(圖1)中出現(xiàn)的曲率變化率超限數(shù)量、位置及幅值都相當接近,與行車方向密切相關。鑒于此,我們便選擇了一對反向曲線進行整正,使曲線及兩端直線方向消除可能存在的方向偏差,為避免整正時出現(xiàn)的測量誤差,在曲線測量時放棄使用經(jīng)緯儀直接測量偏角的方法(根據(jù)實踐,利用經(jīng)緯儀直接對一對反向曲線進行放線,需要在其交點處進行兩次置鏡,并且角度上的少許偏差將會導致對點時橫向位置出現(xiàn)較大的偏移),而是利用經(jīng)緯儀對其臨線的直線方向進行訂正,保證其任意點的直線方向誤差不大于±1mm,然后以臨線為測量基準,利用曲線的轉(zhuǎn)角 α、兩側(cè)平行段的線間距 H1、H2計算出曲線上各點到臨線的距離,然后再在現(xiàn)場確定出曲線兩端 30m范圍內(nèi)直線、兩曲線及其中間夾直線的平面坐標準確位置,按計算及現(xiàn)場確定的線路平面位置對該兩條曲線及夾直線進行了細致的撥正,此做法足以保證線路可以恢復到準確的設計位置。

圖1 變更線間距反向曲線示意

但在以上作業(yè)對曲線進行了徹底的整治之后,當月動態(tài)檢查仍然出現(xiàn)了 4處曲率變化率超限記錄,與改造前比較并無明顯改觀,該 4處曲率變化率不良地點分別出現(xiàn)在進入曲線 20m左右,長度為 32m,間隔約 10m又出現(xiàn)另一處曲率變化率超限,長度也是 32 m。另一條曲線的曲率變化率也出現(xiàn)在進入曲線約 20 m的位置,間隔是 9m,后又出現(xiàn)一處曲率變化率不良記錄,長度也是 32m。對以上試驗觀察進行了 3組,結果都相似,通過向動態(tài)檢查車技術人員請教后發(fā)現(xiàn),關于曲率變化率參數(shù)的設置完全是按規(guī)定進行的,其值是后期通過計算機處理得到的,而計算機處理所用的數(shù)據(jù)在評價曲線狀態(tài)時所得到的指標也與現(xiàn)場吻合。在這種情況下,決定對曲率變化率這個評價參數(shù)的設置初衷和理論依據(jù)進行了仔細的研究,以期找到問題的癥結所在。

2.2 曲率變化率的模擬分析

為找到軌道線路中曲率變化率不良地點對應的現(xiàn)場線路幾何狀態(tài),按《GJ-4型軌道檢查車的原理與應用》中所介紹的軌道檢查車對曲率變化率的檢測原理,對焦柳線下行 K332+009曲線進行了曲率變化率的模擬分析,該曲線的半徑為 4 000 m,轉(zhuǎn)向角為0°29′00″,曲線長為 33.743m。

軌道動態(tài)檢查車在對曲線曲率檢測時,采用的是一定弦長曲線所對應的圓心角,軌檢車通過曲線時,測量其通過 30m后車體方向角的變化值,即曲率,測量范圍 ±23°/30m,測量精度 ≤0.05°/30m,度數(shù)小,曲率小,半徑大;度數(shù)大,曲率大,半徑小。在不良地點的曲率變化率記錄單位是(1/m2×10-6)。

軌道檢查車在線路上行駛時,其車體轉(zhuǎn)向角的變化是由前后兩轉(zhuǎn)向架上的盤心決定的,兩盤心的連線轉(zhuǎn)向角便為車體的轉(zhuǎn)向角,GJ-4型軌檢車其盤心距為18m。軌檢車通過曲線時每 2 m的曲率、曲率變化率數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 靜態(tài)曲率變化率計算

第一項為前盤心進入曲線的長度,在直線地段,車輛不存在偏角的變化,故曲率變化率為 0,自進入曲線后曲率開始變化,曲率變化率也隨之開始改變,如圖2所示。

圖2 軌道檢查車通過曲線時轉(zhuǎn)向示意

第二項為外矢距,計算的是前盤心進入曲線后對應曲線長度的外矢距,分以下幾種情況。

在緩和曲線地段,外矢距其值為:(前盤心進入緩和曲線長度)3/(6×R×緩和曲線長);

緩圓點至圓緩點間外矢距值為:(前盤心進入曲線長度)2/2R+(緩和曲線長度)2/24R;

自圓緩點至緩直點間外矢距值為:(前盤心進入曲線長度)2/2R+(緩和曲線長度)2/24R-(前盤心進入緩和曲線長度)3/(6×R×緩和曲線長)。

第三項 18m盤心距對應外矢距,為計算某一時刻盤心連線的偏角,需要計算出前后盤心對應曲線長度的外矢距,在后盤心進入曲線前,18m盤心距對應的外矢距就是前盤心進入曲線所對應的外矢距,當后盤心也進入曲線后,其對應的外矢距 h=前盤心經(jīng)過曲線長對應的外矢距 -后盤心經(jīng)過曲線長對應的外矢距。也就是表中前 18m外矢距與第二項相等,以后外矢距應為對應處外矢距與 18m前的外矢距之差。

第四項為車長對應偏角,以度的形式表示,其值為第三欄數(shù)據(jù)除盤心距(18m)的反正弦值。

第五項為 30m距離對應的曲率值,按軌檢車檢查原理,曲率是以車輛經(jīng)過 30m長度偏角的變化量確定的,其值在進入曲線 30m之前與第四項,車長對應偏角相等,當進入 30m后,其對應的曲率值應等于該處曲率與 30m前的曲率之差。

第六項為車輛經(jīng)過 30m距離偏角變化的弧度值,單位是 rad×10-4。

第七項為 18m曲率變化值,曲率變化率選定的計算基長為 18m,其值在車輛進入曲線 18m以前,其曲率變化值為第六項,30m對應的曲率值,當進入 18m以后,其值為對應曲率值與 18m以前的曲率之差。

第八項為每 18m的曲率變化率,其值為對應第九項值除以 18。

第九項為每 18m的曲率變化率,單位為 1/m2×10-6。以盤心距所對應的曲線弧長除以其對應的曲率變化率的弧度值,即第六項弧度值除以盤心距 18m,它所表示的是盤心距對應曲線平均半徑的倒數(shù)變化情況。

通過上表中的模擬計算結果可以發(fā)現(xiàn),在車輛前盤心進入曲線第 16m時,其曲率變化率便超過了規(guī)定的Ⅱ級病害管理值,為 5.487,其超限長度為 30 m,中間間隔 8m,便進入了另一個超限地段,其最大超限值為 13。這個模擬結果與現(xiàn)場經(jīng)過準確定位后恢復到設計狀態(tài)的曲線動態(tài)檢查結果相吻合,因此,可以理解為目前動態(tài)檢查中的曲率變化率超限值的確定,已經(jīng)大于大部分現(xiàn)場曲線自身所固有的結構曲率變化率。

2.3 曲率變化率的現(xiàn)場狀態(tài)確定

根據(jù)以上分析,曲率變化率所表示的位置及對應數(shù)據(jù),并不表示一個點的線路狀態(tài),而是間隔一定長度的兩種線路狀態(tài)的比較結果,在現(xiàn)場確定時,應根據(jù)其檢查原理結合檢查時的行車方向,在現(xiàn)場復查表示點前方約 20m左右的線路方向,而此時的線路方向也不是該處的現(xiàn)場方向狀態(tài),而是指該處前后線路方向所可能導致的車輛方向狀態(tài),因在檢查時所測定的線路里程存在一定的誤差,所以按此檢查結果嚴格查找,難以找到現(xiàn)場與檢查相吻合的線路狀態(tài)。對于此種情況,也并不是說就無法查找到檢查結果所表示的線路狀況,在直線地段,可以用長弦繩(為使判定結果盡可能客觀準確,應使用較長的弦繩,但較長的弦線會出現(xiàn)中部下垂,在下垂量不影響測量結果的情況下,采用如40m長度較妥)沿鋼軌外側(cè)拉緊,兩頭距鋼軌距離相等,逐根枕量取線繩到鋼軌的距離,便可得到 40m范圍內(nèi)線路方向的準確偏差情況,如此再測量 40m,便可得到 80m范圍內(nèi)線路方向的準確偏差情況,再與檢查結果相比較,導致檢查結果的線路狀態(tài)便會明顯地顯現(xiàn)出來,此時便可制定相應的整改措施。在曲線地段,因傳統(tǒng)考察的是 10m范圍的連續(xù)正矢差,這個控制指標不能準確描述出車輛的即時方向狀態(tài),所以即時狀態(tài)在一定長度內(nèi)的變化量,也就是曲率變化率也不可能通過傳統(tǒng)的曲線方向判斷辦法來判別,因而在曲線中所發(fā)生的曲率變化率在現(xiàn)場找到對應的線路狀態(tài)時,要分幾步走。第一應確定出各種半徑的曲線、各種長度的緩和曲線在各點所對應的結構曲率變化率;第二步判斷出現(xiàn)場線路狀態(tài)所對應的曲率變化率數(shù)值,將此數(shù)值扣除其結構數(shù)值后才是線路方向不良所造成的曲率變化率數(shù)值。就像在判定線路方向不良時那樣,直線按 10m弦量取其全長范圍內(nèi)的最大矢度值,曲線根據(jù)不同的半徑確定出對應的正矢允許連續(xù)差,而不是用一個固定的指標來判定所有線路的方向狀態(tài)優(yōu)劣。所以在曲線中判別線路方向狀態(tài)時,利用測量正矢的辦法已經(jīng)不能適用,應利用一定長度的曲線控制樁,在保證控制樁對應處線路平面狀態(tài)正確后,利用長弦繩逐點(如間隔 1m)測量曲線、緩和曲線的矢距值[1],用此辦法可準確判定出曲線中任一點相對于設計位置的偏差狀態(tài),從而找到對應的曲率變化率超限處所。

3 結論

在對線路曲率變化率超限處所進行現(xiàn)場確定時,首先要認識這個指標的形成過程,知道該指標是一個比較數(shù)據(jù),在以前常用的線路狀態(tài)評判指標中,比較接近于三角坑的評判,三角坑是指一定長度內(nèi)水平的變化值,與行車方向無關。而曲率變化率則是指一定長度內(nèi)線路方向的變化所造成的車輛轉(zhuǎn)向角的變化值,不同的行車方向?qū)l(fā)生不同的曲率變化率記錄地點。三角坑中水平的測定可以直觀地在現(xiàn)場測量出來,而曲率變化率中線路狀態(tài)所引起的車輛轉(zhuǎn)向角的變化值則難以在現(xiàn)場測出,所以判斷起來比較困難。因此在判斷曲率變化率時,最直觀簡便的辦法便是測出線路中任意點與一定線路長度范圍內(nèi)理論位置間的偏差,消除其偏差就會影響到車輛轉(zhuǎn)向角的變化,進而使曲率變化率趨于合理。而對曲率變化率的影響因素除線路幾何狀態(tài)不良會引起曲率變化率超限病害外,在曲線地段,因曲線本身存在曲率,車輛由直線進入曲線及由曲線進入直線都會引起曲率的變化,從而引起曲率變化率超限。這種超限屬于設備本身的特性,在統(tǒng)計線路狀態(tài)不良的記錄時應考慮剔除,剔除曲線固有的曲率變化率數(shù)據(jù)后的值才是因線路狀態(tài)不良所引起的,而曲線本身的曲率變化率受曲線半徑、緩和曲線長度的影響,與曲線的轉(zhuǎn)向角無關,所以在判定線路曲率變化率超限時,應根據(jù)現(xiàn)場具體情況,計算出不同半徑、不同緩和曲線長本身的曲率變化率。

[1]鐵道部運輸局基礎部組織編寫.鐵路線路修理規(guī)則條文說明[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

[2]張 未.GJ-4型軌道檢查車的原理與應用[M].北京:中國鐵道出版社,2001.

[3]易思蓉.鐵路選線設計[M].成都:西南交通大學出版社,2005.

[4]王進峰,張玉明.一弦法整正曲線的理論探討[J].鐵道標準設計,2008(11).