重載鐵路綜合檢測車在鋼軌修理方面的應用探討

彭麗宇，楊文，張曉暉

(1.北京交通大學，北京100044;2.朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北肅寧062350)

重載鐵路綜合檢測車在鋼軌修理方面的應用探討

彭麗宇1，2，楊文2，張曉暉2

(1.北京交通大學，北京100044;2.朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北肅寧062350)

2011年5月朔黃鐵路引進SF03-FFS型鋼軌銑磨車，2014年世界首列用于重載鐵路檢測的高集成度綜合檢測車在朔黃鐵路上線運用。鋼軌銑磨車和綜合檢測車給朔黃鐵路鋼軌檢養(yǎng)修提供了科技支撐，給優(yōu)化檢養(yǎng)修模式提出了新課題。本文探討如何利用鋼軌波浪磨耗檢測系統(tǒng)、軌道巡檢系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)指導鋼軌銑磨車作業(yè)，并對其作業(yè)質量進行驗收，同時總結鋼軌波磨發(fā)展規(guī)律，探索鋼軌修理的合理周期。

重載鐵路 鋼軌銑磨 綜合檢測 鋼軌波磨規(guī)律

1 概述

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，東至河北省黃驊市黃驊港口站，正線總長近600 km，是我國主要的重載鐵路之一。朔黃鐵路于2000年5月18日正式建成通車，當年完成運量524萬t，隨后運量逐年大幅增長，到2014年已達到2.53億t。隨著運量的不斷增長及列車密度的增大，固定行車設備的檢養(yǎng)修壓力巨大。為此，引進了國外的鋼軌銑磨車，并使用了朔黃鐵路聯(lián)合中國鐵道科學研究院和英美德等國家的相關企業(yè)共同研發(fā)的世界上首列重載鐵路綜合檢測列車，使朔黃鐵路逐步實現(xiàn)“動態(tài)檢測、靜態(tài)監(jiān)控、綜合分析、立體養(yǎng)護、狀態(tài)檢修、壽命管理”的檢養(yǎng)修模式。

1.1 鋼軌銑磨車

隨著運量的不斷增長，小半徑曲線鋼軌傷損及磨耗嚴重，鋼軌表面狀態(tài)的惡化趨勢不斷加快，為延長鋼軌的使用壽命，引進了鋼軌銑磨車。該車2011年上線運用，對消除鋼軌的表面病害、延長鋼軌的壽命、改善輪軌關系起到了重要作用。

鋼軌銑磨車采用銑削刀盤銑削，刀盤上安裝有多面刀粒，利用鋼軌整形圓周銑的方式修復鋼軌橫斷面輪廓缺陷、縱向波磨以及軌面病害，鋼軌橫斷面輪廓可精確成型。該車控制操作簡單，釋放作業(yè)單元可開始作業(yè)。首先，光電定位系統(tǒng)完成作業(yè)單元的水平定位，作業(yè)單元以液壓方式降低，并由仿形指完成最終精確的橫向定位。啟動作業(yè)控制，系統(tǒng)會按照預設的銑削量完成作業(yè)深度的最終調整。

鋼軌銑磨車有以下特點:①銑削質量高，可獲得光滑的軌頭輪廓線、高精度的斷面輪廓加工精度、縱向平順性及表面光潔度;②工作效率高，一遍作業(yè)完成的銑削深度大，可清除各種鋼軌表面病害;③作業(yè)限制少，可在道口、有護軌橋梁線路上作業(yè);④沒有飛濺的火星，采用特殊設計避免了火災隱患;⑤低噪音、無塵粒污染，環(huán)保性好;⑥消耗成本較低。

鋼軌銑磨車結構見圖1。

圖1 鋼軌銑磨車結構示意(單位:mm)

鋼軌銑磨車采用兩銑一磨的作業(yè)方式，在車體兩側均勻布置兩個銑削單元和一個打磨單元。其中每個銑削單元(圖2)安裝22組共198個刀頭，每組刀頭包括8個普通刀頭和1個弧面刀頭，共同形成鋼軌軌廓。

圖2 銑削單元示意

1.2 綜合檢測車

1.2.1 綜合檢測車波磨檢測系統(tǒng)

鋼軌波浪磨耗檢測系統(tǒng)是利用慣性基準法原理，在檢測車的軸頭兩側安裝加速度傳感器，對其感受到的加速度信號進行抗混迭濾波處理后，由計算機對上述信號進行在線采集、經(jīng)二次積分和濾波處理，最后獲得左右兩根鋼軌波浪磨耗的幅值或RMS(均方根)值。

波磨檢測系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。硬件主要包括左右軸箱加速度計、實時采集計算機、高精度數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)應用計算機、前置預處理裝置等。軟件主要包括鋼軌波磨實時檢測軟件、數(shù)據(jù)接收軟件、超限編輯和報表生成軟件及波形察看分析軟件。

在波浪磨耗實時檢測系統(tǒng)中選用QNX操作系統(tǒng)作為實時數(shù)據(jù)處理平臺。鋼軌波磨實時檢測軟件的技術特點:①采用數(shù)字積分及濾波技術，正確選取可測波長，使輸出結果在可測波長范圍內(nèi)傳遞函數(shù)接近于1，并且滿足檢測精度要求，消除了列車速度和運行方向對檢測結果的影響;②采用多任務并行處理技術，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、傳輸、顯示、報表輸出等多項任務的同時處理。

1.2.2 綜合檢測車軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)

圖3 軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)結構

軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)(圖3)基于光學非接觸測量、圖像處理、模式識別等技術。通過設計大容量數(shù)據(jù)存儲機制將圖像數(shù)據(jù)以文件形式存儲到計算機硬盤，存儲前對圖像進行壓縮，將單次采集任務存儲為自定義的數(shù)據(jù)文件。結合圖像處理、模式識別等技術，根據(jù)現(xiàn)場圖像特點，開發(fā)了適用于軌道巡檢的圖像數(shù)據(jù)瀏覽和編輯軟件，提供了對圖像數(shù)據(jù)進行標識與檢索的功能，并具有對鋼軌表面擦傷、扣件缺失等缺陷進行自動識別的功能。

軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)主要由視覺子系統(tǒng)、圖像采集存儲子系統(tǒng)和圖像處理子系統(tǒng)組成。圖像存儲方式(存儲圖像的大文件設計)是圖像采集存儲子系統(tǒng)和圖像處理子系統(tǒng)相互聯(lián)系的關鍵環(huán)節(jié)。圖像識別算法是圖像處理子系統(tǒng)的核心技術。

視覺子系統(tǒng)安裝于車下車體兩側鋼軌正上方，每側采用光源組件提供高亮度的漫反射光學環(huán)境，應用3個高速線陣CCD進行掃描成像，運用自動控制和同步觸發(fā)技術，將圖像數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)綀D像采集存儲子系統(tǒng)。

圖像采集存儲子系統(tǒng)應用高速緩存和多線程控制技術，實現(xiàn)大流量圖像數(shù)據(jù)高速存儲，并運用自主研發(fā)的大文件存儲技術進行圖像數(shù)據(jù)管理。

圖像處理子系統(tǒng)主要應用圖像處理和模式識別技術，開發(fā)適用于鐵路環(huán)境的鋼軌表面擦傷檢測和扣件缺失檢測的識別算法，通過大量數(shù)據(jù)的訓練學習完成工程化應用。

2 綜合檢測車對鋼軌銑磨作業(yè)的驗收

鋼軌銑磨車2014年自3月2日開始施工，確定試驗地段應具有一定的代表性，根據(jù)朔黃鐵路實際情況，選取小覺—古月區(qū)間上行K214+096—K214+722為試驗地段。鋼軌銑磨車作業(yè)前后的鋼軌狀態(tài)采用波磨檢測系統(tǒng)進行對比。3月17日與4月16日局部波形對比如圖4所示?？梢姡撥夈娔ボ囎鳂I(yè)后，該地段的波磨幅值整體低于上月的，波磨情況有了較大改善，該作業(yè)地段波磨RMS值由銑磨前的0.65 mm變?yōu)殂娔ズ蟮?.46 mm，下降24.6%。

圖4 波形對比(局部放大)

圖5是軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)3月和4月對同一地段檢測結果的對比?？梢?，鋼軌銑磨車作業(yè)后鋼軌表面的剝離、掉塊現(xiàn)象已得到根除。

應用綜合檢測車波磨檢測系統(tǒng)和軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)對鋼軌銑磨車作業(yè)前后的鋼軌表面狀態(tài)進行對比的效果證明，綜合檢測車的檢測結果可以作為鋼軌銑磨打磨作業(yè)的驗收依據(jù)。體現(xiàn)在兩方面:①可通過綜合檢測車的波磨檢測系統(tǒng)進行檢測，評價波浪形磨耗的程度;②可通過綜合檢測車的軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)進行檢測，評價鋼軌表面剝離、掉塊、魚鱗傷等病害。

鋼軌銑磨車作為一種新型的鋼軌整形技術，作為朔黃鐵路公司提升軌道維護水平的標志性裝備，在改善波磨及消除鋼軌表面病害方面能夠取得令人滿意的效果。

圖5 銑磨前后的鋼軌表面狀態(tài)對比

3 綜合檢測對鋼軌銑磨作業(yè)的指導作用

綜合檢測車的檢測結果為指導固定行車設備的維修提供了技術支持，具體體現(xiàn)在以下方面。

1)鋼軌狀態(tài)的評定

鋼軌銑磨車的作用是去除鋼軌碾壓層、肥邊、波磨、剝離、魚鱗和擦傷等，重塑鋼軌標準廓型型面。在制定鋼軌修理計劃時須綜合分析波磨檢測和軌道巡檢的結果。首先是檢測結果的統(tǒng)計與分析，應對波磨、巡檢分析軟件做升級，波磨檢測系統(tǒng)要實現(xiàn)能根據(jù)每個檢測點的結果來統(tǒng)計單元設備質量，軌道巡檢系統(tǒng)在導出現(xiàn)有報表的同時實現(xiàn)對單元內(nèi)鋼軌缺陷的統(tǒng)計分析。在兩個系統(tǒng)的檢測結果最終形成后，將每1 km作為一個單元綜合分析該單元波磨和巡檢情況。根據(jù)該單元的波磨整體計算結果制定波磨評分標準，根據(jù)該單元存在表面缺陷的鋼軌長度及缺陷面積制定巡檢評分標準。兩者的評分乘以加權系數(shù)后相加即得到該單元的狀態(tài)評分。

2)根據(jù)評定結果制訂鋼軌修理計劃

單元的狀態(tài)評分可按工隊進行劃分、排序，優(yōu)先選擇評分較大的工隊進行鋼軌修理，作業(yè)完畢后進行檢測。這可有效改善線路總體質量，增加線路狀態(tài)可比性，減少銑磨車頻繁跨(轉)場作業(yè)。

鋼軌銑磨車的作業(yè)特點是銑削量大，效果明顯，但是作業(yè)速度比鋼軌打磨車慢，適合在一定范圍內(nèi)做蛙跳式、修復性的施工。鋼軌打磨車因作業(yè)速度較快，作業(yè)深度小，適合做平推式、預防性或輔助修復性施工。

在長期規(guī)劃上，建議以區(qū)間為單位進行統(tǒng)計，計算各區(qū)間的單元評分平均值，以平均值作為單元評分的補充。若某區(qū)間評分平均值較大，則優(yōu)先銑磨該區(qū)間，而在此區(qū)間內(nèi)具體的銑磨地段，由單元狀態(tài)評分確定。鋼軌打磨車則根據(jù)平均值，或是在平均值中等的區(qū)間進行輔助修復性鋼軌打磨，或是在平均值較低的區(qū)間進行預防性鋼軌打磨，從而實現(xiàn)預防缺陷發(fā)生、控制缺陷發(fā)展、修復嚴重缺陷的目標。

3)為鋼軌銑磨車施工作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持

綜合檢測車的數(shù)據(jù)可以為鋼軌銑磨車提供兩個方面的技術支持:①銑磨量上，經(jīng)過數(shù)據(jù)對比得出單元評分結果，對不同評分結果進行分級，不同級別單元采用不同的作業(yè)量以提高作業(yè)效率，減少鋼軌非正常損耗;②線路是否需要銑磨和銑磨次數(shù)上，根據(jù)評分標準進行選擇，提高銑磨車工作效率。

銑磨車作業(yè)時進行針對性選擇，如波磨評分高，無表面病害，可適當減少銑磨量提高作業(yè)速度;若巡檢評分高，可降低作業(yè)速度提高銑磨量。根據(jù)波磨評分和巡檢評分的結果選擇不同的側重點進行銑磨作業(yè)，從而提高效率，一次性改善鋼軌狀態(tài)。

4)輔助制定銑磨車施工計劃

波磨病害主要發(fā)生在曲線下股，對每條曲線下股的RMS均值進行計算并按降序排列(表1)，從而排出應納入優(yōu)先打磨(銑磨)計劃的地段。

5)探索鋼軌維修周期

為了研究重載鐵路延長鋼軌使用壽命的綜合技術措施，需要現(xiàn)場驗證所采取措施的有效性和實用性?；诖?，針對銑磨地段建立觀測臺賬(表2)，利用波磨檢測系統(tǒng)對銑磨前后的RMS值逐月統(tǒng)計，分析波磨速率與通過總重的關系，探索鋼軌維護周期，預測鋼軌使用壽命。

表2中，4月數(shù)據(jù)代表銑磨前波磨情況，其他月數(shù)據(jù)代表銑磨后波磨的發(fā)展情況。可以看出，銑磨后較銑磨前波磨明顯下降，隨著時間推移波磨RMS平均值逐月上升。通過追蹤觀察，當波磨RMS平均值達到銑磨前數(shù)值時即應該安排下次銑磨，而兩次銑磨的間隔即為該區(qū)段線路的銑磨周期。

表1 朔黃線上行曲線下股波磨RMS均值排序

表2 朔黃線上行鋼軌銑磨作業(yè)地段波磨(RMS平均值)發(fā)展情況統(tǒng)計mm

4 未來鋼軌銑磨車與綜合檢測各系統(tǒng)的配合設想

1)與鋼軌磨耗檢測系統(tǒng)的配合

綜合檢測車的磨耗檢測系統(tǒng)尚處在研發(fā)階段，磨耗檢測系統(tǒng)可以檢測鋼軌相對于標準形狀的磨耗量。此系統(tǒng)對于鋼軌銑磨來說有兩方面作用:①鋼軌銑磨車對于數(shù)值較大的不均勻磨耗處理能力較差，鋼軌斷面磨耗檢測系統(tǒng)可提供銑磨依據(jù);②對于修理后的軌型驗收提供一種新的驗收方式。

2)與軌檢、路基道床檢測系統(tǒng)的配合

鋼軌波磨多發(fā)于道床板結地段，其中小半徑曲線波磨尤為突出。由于下股鋼軌軌面不平順造成車輛輪對垂向振動作用增大，線路下股水平不易保持，波磨地段水平超限較多，又因波磨地段暗坑較多，動態(tài)下極易形成三角坑。曲線鋼軌波磨地段道床板結、泛白、翻漿冒泥多，波磨地段道床受到上部荷載的作用加大，促使道砟粉碎加劇，造成道床污染、板結，最后導致道床彈性變差，加劇了列車對軌道結構的破壞，軌道幾何尺寸難以保持，加大了地面保養(yǎng)工作量，縮短了道床清篩周期。

通過鋼軌銑磨消除軌面病害有利于水平、三角坑病害的整治，并可減緩道床病害的發(fā)展速度。利用軌檢和路基道床系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)，對于水平和三角坑偏差較多和路基道床病害嚴重的地段應綜合考慮，優(yōu)先進行銑磨施工。這對于輔助制定鋼軌銑磨計劃具有積極的意義。

3)與探傷系統(tǒng)的配合

通過銑磨前后鋼軌型面的接觸幾何特性及對車輛動力學性能影響的分析發(fā)現(xiàn)銑磨后的鋼軌型面能夠有效降低輪軌間的接觸壓力和運行噪聲。探傷檢測系統(tǒng)在檢測中輪軌摩擦產(chǎn)生的噪聲頻譜較寬，接近超聲波部分會被探輪里晶片接收，干擾數(shù)據(jù)采集，影響后續(xù)分析。

通過鋼軌銑磨，可輔助減緩輪軌噪聲干擾，提高探傷系統(tǒng)的檢出率。此外，鋼軌病害多發(fā)生于小半徑曲線地段，小半徑曲線又是養(yǎng)護的重點，尤其是冬季“防斷”監(jiān)控的關鍵部位，通過鋼軌銑磨可達到:①去除鋼軌碾壓層、肥邊、波磨、剝離、魚鱗和擦傷等病害，消除鋼軌疲勞源，降低斷軌的可能性;②大大降低探傷小輪的破輪率，進而減少未探區(qū)段，增強對小半徑曲線地段傷損的監(jiān)控。

4)與巡檢系統(tǒng)的配合

波磨地段道床板結，軌道彈性不良，軌面不平順，造成列車對整個軌道結構的沖擊力增加，表現(xiàn)在:①軌枕上部受力不均，從而造成軌枕失效現(xiàn)象較多;②連接零件受到的作用力增大，軌枕錨固螺栓、彈條出現(xiàn)折斷的現(xiàn)象較多。對此，每月巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析時重點關注扣件缺失較集中地段，追其原因是因施工造成還是因彈條折斷造成。這可作為波磨病害輕重程度的輔助判斷條件之一，利于優(yōu)化銑磨施工作業(yè)計劃。

5 結語

綜合檢測車與鋼軌銑磨車配合作業(yè)一年多來，積累了大量指導鋼軌修理的數(shù)據(jù)，對評定修理作業(yè)質量和分析不同曲線半徑下鋼軌波磨發(fā)展與通過總重的規(guī)律提供了數(shù)據(jù)支撐。下一步應加強鋼軌銑磨數(shù)據(jù)與綜合檢測車其他檢測系統(tǒng)如鋼軌磨耗檢測、路基道床檢測和探傷系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的關聯(lián)分析，建立大數(shù)據(jù)平臺，得出更加準確、合理的維修周期。

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(責任審編李付軍)

U216.65

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.31

1003-1995(2015)05-0124-05

2015-01-12;

2015-02-26

彭麗宇(1979—)，男，山西大同人，工程師，博士研究生。