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1、高速铁路轨道维修理论高速铁路轨道维修理论 主讲人：王主讲人：王 平教授平教授 高速铁路运营条件的变化需要新的维修理论作指导：高速铁路运营条件的变化需要新的维修理论作指导： 高速铁路轨道动力学维修理论：轨道不平顺维修理论、轮轨关系维修 理论、轨道刚度维修理论、无缝线路维修理论、轨道减振降噪维护等 高速铁路轨道安全管理理论：高速脱轨理论、系统安全工程、安全评 价理论、事故分析与再现理论、安全风险管理理论等 高速铁路轨道可靠性维修理论：RAMS维修理论（可靠性、可用性、 可维修性、安全性统一）、可信性工程、全寿命周期维修理论等 高速铁路轨道现代维修管理理论：高速轨道维修成本与安全控制理论 、从故障修
2、、计划修、状态修到可靠修的维修体制及机制等 高速铁路轨道信息化管理理论：数字工务、基于物联网的监控平台等 一、轨道不平顺控制理论 1 1、1HZ1HZ现象现象 列车一阶竖向自振频率在1HZ左右 共振频率范围为 对应于350km/h的不平顺共振波长为68.7137.5m 采用70120m弦长 对应于250km/h的不平顺共振波长为49.198.2m 采用5080m弦长 对应于200km/h的不平顺共振波长为39.378.6m 采用4060m弦长 对应于160km/h的不平顺共振波长为31.462.8m 采用3050m弦长 对应于120km/h的不平顺共振波长为23.647.1m 采用2030m弦
3、长 对应于80km/h的不平顺共振波长为15.731.4m 采用1020m弦长 高速铁路首先要控制长波长不平顺！ 法国、日本高速铁路经历了近 十年的不明原因晃车困扰！ 一、轨道不平顺控制理论 1、1HZ现象 钢轨为100m定尺 区域沉降或软基沉降 18号道岔69m 连续刚构32+64+32、48+80+48 路桥过渡段60m左右 均是引起高速列车振动的根源！ 160200km/h铁路上32m简支梁也是引起振动的根源！ 某车站某车站6#6#道岔各项几何尺寸采用常规方道岔各项几何尺寸采用常规方 法检测均在维修标准内，但是直向过岔时仍法检测均在维修标准内，但是直向过岔时仍 有晃车现象，采用轨检小车对
4、道岔前后线路有晃车现象，采用轨检小车对道岔前后线路 及岔区直股高低和方向结果如下：及岔区直股高低和方向结果如下： 高低不平顺 方向不平顺 不平顺进行检测后发现，该道岔正好位不平顺进行检测后发现，该道岔正好位 于波长为于波长为8080米的高低不平顺中，不平顺幅度米的高低不平顺中，不平顺幅度 约为约为4mm4mm，同时还位于波长为，同时还位于波长为8282米的方向不米的方向不 平顺中，不平顺幅度约为平顺中，不平顺幅度约为5.5mm5.5mm，这就是引，这就是引 起该道岔晃车的主要原因。起该道岔晃车的主要原因。 因此，在高速道岔维护中，首先必须重因此，在高速道岔维护中，首先必须重 视长波不平顺的检测
5、。视长波不平顺的检测。 长波不平顺的检测，需将道岔及其前后长波不平顺的检测，需将道岔及其前后 各各200200米以上的区间线路视为一个独立检测米以上的区间线路视为一个独立检测 单元；单元； 其次，应采用轨检小车、激光测试系统其次，应采用轨检小车、激光测试系统 等先进的检测手段，获取长波不平顺的正等先进的检测手段，获取长波不平顺的正 确量值，有针对性地对道岔几何状态进行确量值，有针对性地对道岔几何状态进行 养护控制。养护控制。 3.3m17.5m 偏心矢方向 传感器 测定框 车体长=25 受光部1受光部2受光部3Laser 发光部 Laser 基准线 轨道不平顺轨道不平顺 弦测法动态测量，波长弦
6、测法动态测量，波长30m30m 高速铁路轨道不平顺虚拟弦线法空间曲线检测 方法 2次积分器 方式 II 2次积分器轨道不平顺 轨道不平顺 加速度计 位移计 钢轨 加速度计 钢轨 方式 I 高频滤波器 惯性基准法动态测量，波长惯性基准法动态测量，波长 70m70m 基于基于CPCP网静态绝对测量网静态绝对测量 轨道空间线型，速度慢轨道空间线型，速度慢 部分路局采用的具有部分路局采用的具有 静态绝对及相对测量功能静态绝对及相对测量功能 的轨检仪，误差较大的轨检仪，误差较大 激光准直仪，精度低激光准直仪，精度低 北 天线1 天线2 方向角倾斜角 利用GPS载波差分技术精密测量两天线在三维空间中的 相
7、对位置，并以此推算出基线的方向角和倾斜角。优点是， 角度测量值十分准确，没有漂移。缺点是，噪声误差较大， 卫星信号接收易受外界的干扰和遮挡，有效率不能得到保证 。 双轨测量小车单轨测量小车 短基 线单 轨小 车 9次轨向不平顺测试结果比较与传统测试结果比较 主要技术指标：最高检测速度 20km/h；测量精度0.1mm； 波长0.6300m。 检测原理：检测原理：动静拟合、动态跟踪实现快速测量；建立基动静拟合、动态跟踪实现快速测量；建立基 于弦线倾角的曲线递推算法得到轨道空间曲线于弦线倾角的曲线递推算法得到轨道空间曲线 分析理论：分析理论：虚拟弦长得到长波不平顺虚拟弦长得到长波不平顺 评估理论：
8、评估理论：研究考虑波长影响的轨道质量指数分析法研究考虑波长影响的轨道质量指数分析法 控制理论：控制理论：研究长、中、短波不平顺的最佳控制方法研究长、中、短波不平顺的最佳控制方法 现场试验：现场试验：优化检测系统并在现场测试验证优化检测系统并在现场测试验证 2 2、短波不平顺控制、短波不平顺控制 高速行车条件下，幅值微小的轨面不平顺也高速行车条件下，幅值微小的轨面不平顺也 可能引起轮轨强烈的冲击振动，产生很大的轮轨可能引起轮轨强烈的冲击振动，产生很大的轮轨 作用力。作用力。 以以0.1mm0.1mm低凹焊缝为例：低凹焊缝为例： 如如160km/h160km/h的轮轨作用力约为的轮轨作用力约为20
9、6kN206kN，则，则 300km/h300km/h时的轮轨作用力就已达到了时的轮轨作用力就已达到了490kN490kN。 由此可见：由此可见： 列车速度越高，各项动力学指数列车速度越高，各项动力学指数 大致呈单调上升趋势，且增大速度较快。大致呈单调上升趋势，且增大速度较快。 轨面短波不平顺不仅会引发强烈的轮轨面短波不平顺不仅会引发强烈的轮 轨冲击，还可导致轮重减载率下降、钢轨轨冲击，还可导致轮重减载率下降、钢轨 断裂，乃至恶性脱轨事故，在高速条件下断裂，乃至恶性脱轨事故，在高速条件下 ，它还将引起很大的轮轨噪声。同时，波，它还将引起很大的轮轨噪声。同时，波 长短于长短于2 2米的焊缝不平、
10、轨面剥离、擦伤、米的焊缝不平、轨面剥离、擦伤、 波形磨耗等各种微小的轨面短波不平顺均波形磨耗等各种微小的轨面短波不平顺均 是发展形成更大的严重不平顺、恶化轨道是发展形成更大的严重不平顺、恶化轨道 几何状态的重要根源。几何状态的重要根源。 当动车组以当动车组以 250km/h250km/h的速度直的速度直 向过岔时：向过岔时： 尖轨跟端焊接不平尖轨跟端焊接不平 顺在顺在0.2mm/m0.2mm/m范围范围 内，减载率不超过内，减载率不超过 0.30.3； 尖轨跟端焊接不平尖轨跟端焊接不平 顺达到顺达到0.7mm/m0.7mm/m时时 ，减载率已超过了，减载率已超过了 0.60.6的安全限度。的安
11、全限度。 焊缝不平顺为0.7mm/m时的减载率 焊缝不平顺为0.2mm/m时的减载率 3 3、轨道不平顺评估方法、轨道不平顺评估方法 幅值法 TQI法：需要深化考虑波长 轨道谱法；科学的方法 不平顺幅值、波长的关系 单个、区段、整条线路的关系 京津高铁轨道谱 常规方法已很难使TQI值进一步降低 在轨道不平顺谱估计中应用 1 数据来源 合武线麻城工务段管辖内，里程为712729的动检数据。 合武线，设计时速为250km/h，东起安徽合肥，西至湖北 武汉，是我国“四纵四横”快速客运网的重要组成部分。 15.3km的数据，采样间隔为0.25m，总共65300个数据点 ，每小段取4096，重叠2048
12、，3031次平均 包括左右轨高低、方向、轨距、水平、车体横向加速度、 垂向加速度七项 在轨道不平顺谱估计中应用 合武线轨道谱特性 高低不平顺功率谱 在轨道不平顺谱估计中应用 方向不平顺功率谱 在轨道不平顺谱估计中应用 水平、轨距不平顺功率谱 在轨道不平顺谱估计中应用 加速度功率谱 两个峰值，竖向3.5m、32m；横向2.9m，26m 波长1-3.5m范围内高低功率谱密度较去年大，说明此波长范围内线路高低有 恶化趋势，且高于德国低干扰谱，需加强整治； 波长3.5m以上区段较稳定，且低于德国低干扰谱，说明轨道整体平顺性较好 。 合武轨道谱 波长1-7m范围内功率谱密度较去年小，说明此波长范围内线路
13、轨向得到明 显改善，且低于德国低干扰谱； 波长7m以上区段较稳定，且低于德国低干扰谱，说明轨道整体平顺性较好 。 合武轨道谱 波长1-4m范围内高低功率谱密度较去年大，说明此波长范围内线路高低有 恶化趋势，且高于德国低干扰谱，需加强整治； 波长4m以上区段较稳定，且低于德国低干扰谱，说明轨道整体平顺性较好 。 武广轨道谱 波长1-2m范围内功率谱密度较去年小，说明此波长范围内线路轨向得到明 显改善，且低于德国低干扰谱； 波长2m以上区段较稳定，且低于德国低干扰谱，说明轨道整体平顺性较好 。 武广轨道谱 孟宝线于今年11月对K0K60范围内对钢轨进行打磨，从功率谱密度图 上可以看出在波长13m范
14、围内打磨对高低有明显改善效果。 孟宝线打磨前后轨道谱 动态分析系统 4 4、轨道不平顺控制方法、轨道不平顺控制方法 长、短、中波均要控制 我国高速铁路设计规范（试行）中对轨道高低和方向的控制指标 有三个：10m弦的正矢差、30m弦5m校核值、300m弦150m校核值。 建议相隔1枕校核值1mm、相隔8枕校核值2mm、相隔240枕校核值 10mm。分别用于控制轨道短波、中波、长波不平顺。 图1 人体器官固有频率 武广线水平调整实例 短波不平顺靠磨，影响行车安全性 中波不平顺靠调，影响乘坐舒适性 长波不平顺靠修，影响行车平稳性 使用调整软件，可同时控 制各种波长的不平顺！ 二、轮轨关系控制理论 1
15、、轮轨关系的重要性 影响行车安全性 影响行车平稳性 表现形式 光带不良：轨底坡、踏面轮廓 道岔降低值不良 基本理论： 竖向为赫兹接触 蠕滑理论 曲线通过理论；2000m以下轮缘导向、5000m以下蠕滑导向、5000m以 上轮径差导向 高速铁路工务安全新理论高速铁路工务安全新理论 脱轨理论脱轨理论 古典脱轨理论：古典脱轨理论：NADALNADAL准则，脱轨系数与准则，脱轨系数与 减载率减载率 适用于低速爬轨情况 高速脱轨：多为 跳轨脱轨 车轮脱轨系数与横向力作 用时间t有关 ，当t0.05 s时，其限度 值为0.8； 当t0.05 s时，脱轨系 数限界值应满足以下条件 (Q/P)max0.04/
16、t 式中，t为横向力作用时间 维修中应特别注意引起车轮跳动 的凸型不平顺，如接头台阶，应 严格控制和监测断轨发生。 2 2、道岔轮轨关系不良是引起晃车的主要原因道岔轮轨关系不良是引起晃车的主要原因 转辙器部分等效锥度分布 尖轨顶宽20mm处轮轨接触 道岔动力学研究表明：尖轨与基本轨的顶面高道岔动力学研究表明：尖轨与基本轨的顶面高 差决定着轮载在两钢轨间过渡的范围大小和轮载差决定着轮载在两钢轨间过渡的范围大小和轮载 转换的快慢程度，尖轨顶面纵坡越小，轮载过渡转换的快慢程度，尖轨顶面纵坡越小，轮载过渡 的范围就越长，尖轨完全承受列车荷载的断面就的范围就越长，尖轨完全承受列车荷载的断面就 越大，但是因轮载转换的速度较慢，左右侧轮轨越大，但是因轮载转换的速度较慢，左右侧轮轨 间的横向蠕滑力不均作用时间长，列车直向过岔间的横向
