（道路与铁道工程专业论文）考虑权重和速度影响的轨道质量的指数及其应用的研究.pdf

本文通过对世界各国轨道不平顺的管理项目、动力测试结果和 养护维修等方面的分析，指出轨道的各项几何不平顺对轨道质量的影 响大小是不同的。并从轨道质量指数指导养护维修的角度分析，指出 在其计算式中考虑权重和速度的影响是很有必要的。为此，本文根据 现有轨检车的检测能力建觅了一个新的考虑权重和速度影响的轨道 质量指数计算式：并依据动力测试资料确定了各几何不平顺的权重和 速度影响因子的计算公式。 7i 作者通过对轨道变形规律的分析得出了依据轨道质量指数确定 大中修周期的两个指标轨道质量指数变化率6 及其超过管理值 的比例g 。此外，还从经济角度出发，提出了确定最经济的轨道质量 指数管理值的方法。) 厂 、 ! 关t t i - l l 轨道质量指数养护维修速蘑轨道几何不平黛权重 c h 0 0 14 0 9 19 63 两南交通大学研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t t h i s p a p e r , b y t h e a n a l y z i n g s o l n ec o u n t r i e s c o n t r o l i t e mo ft r a c k i r r e g u l a r i t y , w h e e l r a i ld y n a m i c t e s ti n f o r m a t i o na sw e l la sm a i n t e n a n c e p r a c t i c e ，p o i n t so u t t h a tt h ei n f l u e n c eo fe a c ht r a c kg e o m e t r i ci r r e g u l a r i t yt oi t s q u a l i t y i sd i f f e r e n t b yt h ea n a l y z i n go ft r a c kq u a l i t yi n d e x ( t q i ) 9 1 1 i d e m a i n t e n a n c e , t h ep a p e ra l s op o i n t so u tt h er e q u i s i t eo f t a k i n ga c c o u n to f w e i g h t a n di n f l u e n c eo fs p e e di nt h ef o r m u l ao ft q l f o rt h i sr e a s o n , t h ea u t h o r a c c o r d i n g 1 0t h et e s tc a p a c i t yo f l r a c k - i n s p e c t i o n - c a rs e t su pan e wf o r m u l ao f t q lw h i c hc o n s i d e r sb o t hw e i g h ta n dt h ei n f l u e n c eo fs p e e d ；o nt h ew h e e l r a i l d y n a m i c t e s ti n f o r m a t i o nd e t e r m i n e st h ew e i g h to fe a c ht r a c ki r r e g u l a r i t ya n d t h es p e e di n f l u e n c ed i v i s o r b a s eo nt h ea n a l y s i so ft r a c kd e f o r m a t i o nr e g u l a r i t y , t w og u i d e l i n e sw e r e o b t a i n e dw h i c ha r eu s e dt og o v e r nt h eh e a v ya n dm i d d l em a i n t e n a n c ep e r i o d s p e n d i n g o nt q i t h es c a l eo f t q lb e y o n dc o n t r o lv a l u eg a n dv a r i e t yr a t e o ft 0 16i na d d i t i o n , f r o mt h ep o i n to fv i e wo f e c o n o m y , t h ep a p e rp r e s e n t sa m e t h o d o f d e f i n i n gm o s t e c o n o m i cc o n t r o lv a l u eo f t q i k e y w o r d s ：t r a c k q u a l i t y i n d e xm a i n t e n a n c e s p e e d t r a c k i r r e g u l a r i t yw e i g h t c h o o l4 0 9 19 63 西南交通大学研究牛学位论文第l 页 第一章概述 第一节本文研究的意义 铁路是国民经济的大动脉，中国铁路承担着全国运输总量中货 物周转量的7 0 ，客运周转量的6 0 。铁路轨道是铁路的主要装各 之一，是行车的基础，它直接承受由车轮传来的巨大作用力，包括横 向力，垂向力和纵向力三种荷载。在这些力的重复作用下，轨道将发 生各种变形，这些变形的存在，不仅会影响列车的高速和平稳运行， 且当变形积累到一定程度，将大大降低和削弱轨道结构的强度和稳定 性，威胁行车安全。 为了确保列车能以规定的最高速度，安全、平稳和不问断地运 行，就必须对轨道在运营过程中出现的各种变形和磨损，采取一系列 措施，包括对轨道的经常维修和定期维修，借以不断保持和提高线路 设备的质量，使轨道经常处于良好状态，符合规定的技术标准，并最 大限度地延长各项设备的使用寿命。由此可见，线路的养护维修工作 在整个铁路运输事业中占有十分重要的地位。高质量的养护维修工 作，不仅是安全运输的必要条件，而且还可以节省国家的大量资金。 高质量的养护维修工作必须通过科学的维修体制来实现。必须 运用科学的管理方法，将有限的人力、物力和作业时间用到最需要维 修的地段，使轨道状态保持良好和均衡，只有这样才能更经济、更合 理、更有效地管理好轨道技术状态，以保障列车运行的平稳和安全。 四十年来，我国的轨道维修体制的演变过程大致可分为三个阶 c h 0 0 14 0 9 19 63 西南交通大学研究生学位论文第2 页 段： l 、5 0 年代初期实行的“事后修”。这种设备坏了再修理的维修 方式，其结果是使设备严重失修，病害逐年增加，难以保障列车的高 速、平稳和安全运行，设备的使用寿命也大大降低。 2 、5 0 年代中到7 0 年代末实行的“每年一遍的定期修”。这种维 修体制不考虑线路的实际状态，无论该不该修一律一年修一次，浪费 大量的人力和物力，并且因维修占用大量的线路时间，无法实现车流 密度的增大。 3 、8 0 年代实期实行的“定期修”。这种维修体制，根据不同轨 道结构，以累计通过总重为依据来确定轨道大、中、综合维修周期， 运量不同，轨道结构不同，维修周期也不同，大约一至三年维修一遍。 由于轨道施工质量、路基和道床的密度、轨面初始不平顺和养 护维修水平等方面的差异，以及气候和地质情况等的影响，轨道状态 的变化往往很不均衡，在同一条线路的不同区段，即使轨道结构类型 相同，行驶的车辆和通过运量也相同，轨道状态也会有很大差异。以 往传统的定期维修方式已很难保证线路各区段能够经常处于良好的 状态。随着高速、重载运输的发展，线路的负荷日益加重，线路状态 恶化加剧，线路维修作业量增加，同时由于行车密度增加，可供维修 作业的列车间隔时间越来越短，使运输与线路维修的矛盾更加突出， 而且高速行车对轨道的平顺性提出了更高的要求，传统的周期性维修 体制已不能适应高速、重载发展的要求。 为适应铁路运输的发展，许多发达国家相继进行轨道维修体制 的改革，其中最重要的内容之一就是改变传统的周期性维修制式，研 究采用根据轨道实际状态实施预防性计划维修的制式。为了实现这一 纳 4 髀 9 6 3 西南交通大学研究生学位论文 第3 页 目标，必须具备能准确测量轨道状态的检测设备和技术，以及科学评 价轨道质量的方法和计算机处理技术，这是两个必不可少的基本条 件。 现代化轨检车等检测设备的研制成功和计算机技术的迅速发展 及广泛应用，为获得大量轨道状态的真实信息提供了物质和技术条 件。另一个重要环节就是如何利用所获得的大量离散的轨道状态数 据，采用什么方法来客观地评价轨道区段的质量状态? 这正是本文要 重点探讨的问题。 第二节轨道质量状态的评价方法 对轨道质量状态进行科学、客观地评价是实行预防性计划维修 的基础。目前，评价轨道质量状态的方法归纳起来可以分为两类： 一、轨道局部不平顺法 这种方法是测量轨道各项几何参数每个测点的幅值大小，判断 幅值是否超过规定的限界，超过哪一级限界，有多少测点连续超过规 定的限界，并摘取连续超限测点中的峰值，在确定的轨道区段范围内， 统计各级超限峰值的个数和长度，熙加权计算方法获得的数值来评价 轨道质量状态。我国轨检车长期采用的就是这种方法，超限峰值分为 三个等级，超限界值和各级超限每处扣分数如表1 1 所示。 轨道区段掘分数的计算公式为： 3“ s = k ，t j ( 1 - l 扛i j = l 式中：s 区段扣分数； n 检测参数的项数。目前，我国检测轨距、高低、水平、 c h 0 0 】4 0 9 i9 63 西南交通大学研究生学位论文 第4 页 左、右轨向、三角坑共七项； k 1 各级超限每处的扣分数； t j 各项检测参数的加权系数。在我国目前加权系数均为l 。 c 日各项检测参数，各级超限峰值的个数。 轨道超限限界及扣分表1 1 、超限等级 i ( 保 测量项目、养) i i ( 计划维修)l ( 紧急维修) 、 轨距( r a m )+ 3 4+ 1 26+ 2 0一l o 高低( 实际波形) ( r a m ) 81 22 0 轨向( 实际波形) ( m m ) 8l o1 6 水平( m m ) 81 21 8 三角坑( 基长2 4 m ) 8l o1 4 ( m m ) 车体 上下o 1 0o 1 50 2 0 振动 加速 度( g ) 左右 o0 6o0 90 】5 扣分数处 l5l o o 图1 1 为该法单项几何参数检测信弓的波形圈，图中l ， l ：，l 3 分别为一、二、三级超限限界。目前轨检车采用等距离采集 轨道数据的方法，采样点间隔as = 2 5 0 m m ，该轨道区段各采样点的幅 值为x 。_ x 。根据摘取超限峰值的原则，只摘出超过限界的x 。、x 1 0 、 x 。x * 四个测点的幅值，其中x 。、x 。和x 。是二级超限，x l 。是一级超 限，然后根据公式1 一l 进行加权计算，得到扣分数，据以评价区段 c h 0 0 1 4 0 9 19 63 西南交通大学研究生学位论文第5 页 轨道质量状态的优劣。其它超过或未超过限界的测点都舍弃不计。 二、轨道区段整体不平顺法 这种方法是测量并记录被测轨道区段中全部测点的不平顺值。例 如图1 1 ( a ) 中的x o x 。它们都作为轨道状态的一个元素参与运 图1 一l c l 0 0 14 0 9 19 6 3 西南交通大学研究生学位论文 第6 页 算，同时选择若干单项几何参数的指数进行加权运算获得综合指数据 以评价轨道的质量状态，即用几何不平顺的统计特征值来评价轨道区 段的质量状态。常用的有：单项几何参数的标准差，多项几何参数的 综合指标轨道质量指数和轨道质量系数等。 三、两种评价方法的比较 1 、轨道局部不平顺法能够找出轨道的局部病害的类型、程度和 位置，特别是对确定需要紧急补修和局部维修的轨道病害非常实用， 因而得到广泛使用。但是，这种方法仅用超限峰值的大小和多少无法 全面、客观地评价轨道区段的平均质量状态，它没有充分地利用检测 数据，既没有反映超限长度的影响，也没有反映轨道不平顺变化率 更无法反映轨道状态的均衡程度，存在明显的缺陷。 例如图1 2 a 、b 分别表示同一轨检车同一检测项目两段相同长 度的轨道几何状态波形图，如果用轨道局部不平顺法评价，图l 一2 ( a ) 有一个三级超限，扣分数s 一1 0 0 分。圈1 2 ( b ) 只有一个一 级超限，扣分数s b = 1 分。按此方法，图a 的轨道质量状态比图b 的 差很多。但是从相对零线的离散性来看，图a 显然比图b 小。采用第 二种方法使所有测点的不平顺值参与运算，其标准差。的计算结果是 a 图比b 圈小，说明轨道区段a 的平均质量比b 区段好，符合轨道的 实际情况。由此可见用轨道整体不平顺的方法评价单元轨道区段的质 量更加准确、合理。 此外，轨道局部不平顺法具有明显的惩罚性，由表卜1 可看出： 当存在1 3 衄的三角坑时扣分为5 分，丽为1 4 衄时扣分就为1 0 0 分， 是前者的2 0 倍。实际上仅仅相差1 蛐，对列车安全和舒适性的影响 并不会如此大幅增加。这种方法对桂绝大的超限，确保歹i j 车安全有一 c h o o l4 0 9 1 9 6 3 西南交通大学研究生学位论文第7 页 定作用，但无法对区段整体质量进行综合评价。 圈1 2 2 、用轨道区段整体不平顺法评价单项几何参数的不平顺情况是 合适的。它能利用所测的全部数据来对该项几何参数的情况进行计算 和评价，但影响轨道质量的因素并非某个几何不平顺，而是诸多因素 共同影响的结果，并且各个因素对轨道质量的影响是不相同的。在相 同不平顺的情况下有的影响大些，有的影响小些。因此，采用该法评 c h 0 0 14 0 9 19 6 3 西南交通大学研究生学位论文第8 页 价轨道质量必须找出影响轨道质量的主要因素和每种因素对轨道质 量的不同影响程度，即权重。此外，列车运行速度不同，产生的轮轨 动力作用、对列车的安全和舒适的影响是不同的，邸动态不平顺是不 同的，因此，还应考虑速度对轨道质量的影响。只有这样，才能充分 利用检测资料，比较准确地评价轨道质量。本文正是从此角度出发， 根据易于检测的要求确定影响轨道质量的主要因素及各自的权重，得 出考虑权重和速度影响的轨道质量指数计算式。 c b 0 0 1 4 0 9 19 63 西南交通大学研究生学位论文 第9 页 第三节世界各国的轨道质量指数 由于采用以局部测点的幅值是否超过限界值的方法来评价轨道 区段的质量状态存在明显的不足，世界各国纷纷采用统计分析方法， 使轨道区段中所有测点的不平顺值都作为轨道状态元素参与运算，用 统计特征值指标来评价轨道区段的平均质量。现将世界各国开发和应 用的轨道质量指数的情况简要介绍如下。 一、国外的轨道质量指数 ( 一) 英国铁路的单项几何参数标准差s d 英国铁路把单元轨道区段定为2 0 0 m ，采用两种方法来评定轨道 质量状态： 1 、利用高速轨检车摘取高低、轨向和水平三项轨道几何参数超 过规定限界值的峰值并统计超限峰值的个数。这主要用于指导日常养 护维修和紧急补修。超限限界值分为两级，分别对应日常养护维修标 准和紧急补修标准。 2 、采用计算2 0 0 m 单元轨道区段的单项几何参数的标准差0 的 方法来评价轨道区段的平均质量。英国铁路根据不同的铁路等级和轨 道区段高低和轨向的标准差a 将单元区段的质量状态分成优良、合 格、不良和低劣四级，如表l 一2 所示。 ( 二) 荷兰铁路的轨道质量指数卜指数 荷兰铁路根据不同的行车速度，将轨道质量分为三个等级( q 一 等级) ，如表1 3 所示。 3 、荷兰铁路把单元轨道区段长度定为2 0 0 m ，b m s 轨检车测量并 计算0 5 2 5 m 波段范围内的高低、水平、轨向以及2 5 7 0 m 波段范 围内轨向的标准差0 ，前三项数据和长波长轨向的数据分别作为捣固 c t _ 0 0 l4 0 9 19 63 西南交通大学研究生学位论文 第l o 页 和拨道的重要依据。 英国铁路单元轨道区段标准差。管理值表1 2 速度段 b ( 7 5 c ( 5 0 一 质量段a ( l o o m p h )d ( ( 4 9 m p h ) 9 9 m p h )7 4 m p h ) 高轨高轨高轨高轨 低向低向低向低向 质量段l 一 优良( 不需 1 5 姗 o 9 m m 1 8 姗 1 3 m 船 2 3 姗 1 9 r a m 2 2 衄 4 7 m m 3 3 m m 5 6 m m 5 7 m m 5 6 m m 5 7 m m 出现的轨 道区段) c h 0 0 14 0 9 19 5 3 西南交通大学研究生学位论文 第1l 页 荷兰铁路的轨道质量等级表l 一3 轨道等级最高速度线路类型 卜等级1 1 3 0 k m h主要干线 q 一等级21 0 0 1 3 0 k m h焊接长钢轨线路 卜等级3 6 0 0 时，表示轨道状态良好， t q i ( 4 0 0 时表示状态很差。 ( 六) 法国铁路的平均偏差指数 法国铁路也采用统计特征值方法来评价轨道区段的质量状态， 他们利用m a v z i n 轨检车计算3 0 0 m 单元轨道区段的高低、轨向和水平 三项几何参数的平均偏差指数，计算公式为： t l ( x o ) = 熹7 7 7 ( x ) e x p ( 等) 出 c h 0 0 1 4 0 9 19 53 西南交通大学研究生学位论文 第1 4 页 式中：节。( 工) 各单项几何参数检测信号原始值； x o 啊单项几何参数平均值。 法国国铁根据线路的实际情况，制定了普通线路和t g v 高速线 平均偏差指数的标准。 ( 七) 澳大利亚铁路的轨道状态指数t c i 澳大利亚铁路根据线路标志物来划分单元轨道区段，长度为 1 0 0 5 0 0 m 。采用单元轨道区段中高低、轨向、轨距、三角坑四个单 项几何参数p c i 和综合指标轨道状态指数t c i 来评价轨道质量状态。 p c i 是指上述四项单项几何参数在单元轨道区段中所有峰值的标准 差。t c i 是四项参数的p c i 之和。 二、我国的轨道质量指数t q i 为适应铁路运输的发展，推动线路维修体制的改革，真正做到 根据轨道的实际状态迸行预防性计划维修，实施“状态修”。我国铁 道科学研究院经过多年研究，提出采用标准偏差法来评定轨道区段质 量状态。 我国将单元轨道区段长度设定为2 0 0 m ，分别计算单元轨道区段 上左右高低、左右轨向、轨距、水平、三角坑7 项几何不平顺的标准 差0 ，并计算七项几何参数标准差之和作为评价单元区段质量状态的 轨道质量指数。 t q i 的计算公式为：聊 = o - ， 一廿莓。2 _ _ 1 珏 攀。z ， c h 0 0 l4 0 9 1 9 6 3 西南交通大学研究生学位论文 第l 5 页 式中：o ；单项几何不平顺的标准差( 衄) ； 五单项几何参数在单元区段中连续采样点的幅值平 均值( m m ) ： ) 【i j 单项不平顺采样点幅值( m m ) ； n 采样点数。 我国主要主要干线轨道质量指数( t q i ) 管理值表卜5 l 项目高低轨向轨距水平三角坑t q i i 管理值 2 52 2王61 92 11 5 o 第四节本文研究的思路 从英、日、荷、美、加、法、澳和我国的资料来看，为了能够 准确评价轨道状态，相继研制成功技术先进的轨检车等检测设各，应 用车载计算机系统采取和处理轨道状态数据，有些国家的工务管理或 线路维修部门还配置了地面计算机系统，处理轨检车上记录的数据， 建立轨道状态数据库，输出轨道状态图表，建立轨道维修计划管理系 统。尽管这些国家采用的方法和名称不尽相同，但是应用统计特征值 指标评定轨道质量状态、制定维修计划、实现轨道科学管理的目标却 是完全一致的。而且经过多年实际应用证明：由于采用轨道质量指数 等统计指标，使确定需要维修的轨道区段更加符合实际情况，维修费 用、劳力、材料使用更加合理，轨道平顺性逐渐改善，线路质量逐年 提高，取得了显著的经济效益，因而单项几何参数标准差。或p 值， 综合指数t q i 、t q c 或t c i 等统计指标得到越来越广泛的应用。但由 c h 0 0 14 0 9 19 6 3 西南交通大学研究生学位论文 第1 6 页 于目前人类对轨道变形与安全理论的研究不是十分完善，加之影响轨 道状态和列车安全、平稳运行的因素十分复杂，以及养护维修人员素 质等原因。目前，用于评价轨道质量状态的方法仍存在下列不足。 1 、单项几何参数的标准差。不能综合评定轨道的质量状态。由 于影响轨道质量状态的因素很多，包括高低、水平、轨距、方向、三 角坑和道床脏污程度等诸多因素，而单项几何参数的标准差仅能反映 单项几何参数的平顺状态，自然无法对轨道的综合质量状态进行综合 评定。 2 、美国、加拿大的t q i ，澳大利亚的t c i 等综合指数用于评价 轨道的综合质量不尽合理。由于上列t q i ，t c i 仅考虑了轨向、水平、 高低等三项或四项几何参数，而影响轨道质量的因素远非如此几项， 所以用它们来评价轨道综合质量不尽合理。 3 、我国的轨道质量指数综合考虑了左右高低、左右轨向、轨距、 水平、三角坑七项几何参数与美国、加拿大和澳大利亚的相比有较大 改进且方法概念明确，有较高的合理性和可操作性，但该方法在计算 t q i 值时每项几何参数的权重都为1 ，即每项几何参数的相同不均衡 对轨道质量状态的影响看作相同的，而实际上，不同的几何参数在相 同的不平顺下对列车的平稳、安全运行的影响是不同的，对轨道和机 车车辆的破坏也是不同的。因此，把七项几何参数的权重看作相同是 不合理的，用这种方法来评价轨道质量是不尽完善的。 4 、评价参数计算公式中来考虑列车速度与轨检车检测时运行 速度差异的影响。轨道质量指数的大小最终应体现列车运行的平稳、 安全和对轨道、机车车辆的破坏，反映轨道的实际状态，据以指导养 护维修。我们知道，相同的轨道不平顺，不同速度的列车行驶时，产 c h 0 0 14 0 9 19 6 3 西南交通大学研究生学位论文第1 7 页 生的振动和冲击是不同的。轨检车检测所得数据并据以计算出的评价 轨道质量的数据仅能较好地反映在轨检车检测时的速度下的轨道质 量状态，当线路上列车的运行速度与此速度有较大差异时，再以此数 来评价轨道质量是不合理的。 5 、在轨道质量指数的应用方面，目前主要用于指导综合维修、 评价轨道质量状态和养护维修质量，并未应用它来指导大、中修，这 远远没有发挥轨道质量指数的作用。 6 、在轨道质量指数管理值的确定方面，目前的做法是根据年维 修作业量占线路总长的百分比，在t q i 频数累计曲线上找出百分比对 应的t q i 值得到的，这是不合理的。从轨道质量指数指导维修的作用 上看，应该是由管理值确定维修工作量，而不应该由维修工作量来确 定管理值。 采用统计分析方法，使轨道区段中所有测点的测值都作为轨道 状态元素参与运算，用统计特征指标来评价轨道区段的平均质量，理 论和实践都证明是较科学和合理的方法，但欲使该法计算出来的轨道 质量指数能真正反映轨道的质量状态，必须具备以下条件： l 、t q i 的计算式中必须考虑对轨道质量有影响的诸多参数，至 少应该是影响较大的参数。 2 、t q i 计算式中各参数应根据它们对轨道质量的不同影响采 用不同的权重。 3 、为使计算出的t q i 值对不同线路适用，公式中应考虑速度的 影响。 4 、单元轨道区段长度应合理。 为使本文所提出的考虑权重和速度影响轨道质量指数计算公式 c h 0 0 14 0 9 l9 6 3 两南交通大学研究生学位论文 第1 8 页 能更准确、客观地反映轨道质量状态，拟从以下几方面入手进行研究： l 、综合分析国外已有资料并结合我国已有条件，确定单元轨道 区段长度。 2 、综合分析影响轨道质量的主要因素并结合我国轨检车的检 测能力，确定指数计算式中应考虑的参数。 3 、在确定了t q i 计算式中各参数后，利用已有实测资料根据各 参数对行车安全、舒适的影响和对轨道的动力作用大小，确定各参数 的权重。 4 、根据同一轨道状态，不同速度歹l j 车运行时的不同动力作用资 料，确定指数计算式中的速度影响因子计算式。 5 、根据线路大、中修特点和线路变形规律，确定用轨道质量指 数确定大、中修周期的方法并得出确定大、中修周期的指标。 6 、根据投入产出比最大的原理得出最经济的轨道质量指数管 理值的确定方法。 7 、根据现场实际情况，提出了根据维修能力和投资来确定t q i 管理值的方法。 c h 0 0 14 0 9 】9 6 3 西南交通大学研究生学位论文 第19 页 第二章在轨道质量指数中考虑权重和速度影响的必要性 第一节考虑权重的必要性 目前我国和多数国家对轨道状态的管理主要是通过对轨道高 低、轨向、水平、轨距、扭曲五种不平顺的管理来实现。以下资料将 表明这五种几何不平顺对轨道质量的影响是不同的，也表明了在轨道 质量指数计算中考虑各几何不平顺权重的必要性。 一、世界各国对轨道几何形位的管理项目 世界各国对轨道几何形位的管理项目如表2 1 所示。 各国对几何形位的管理项目表2 1 项目 国家 高低水平轨向轨距三角坑 英国 荷兰 日本 美国 加拿大 法国 澳大利亚 奥地利 中国 c h 0 0 14 0 9 】9 6 3 西南交通大学研究生学位论文第2 0 页 从上表可看出：高低和轨向九个国家都考虑到，水平项有七个 国家考虑，轨距项有四个国家考虑，三角坑项有二个国家考虑。很显 然每个国家对管理项目的选定肯定是从项目为影响轨道质量的主要 因素和易于检测这一原则出发的。那么，在五项参数中高低、轨向为 主要的因素，轨距和水平为相对次要的因素。 二、动力测试结果 为了考查高低、水平、扭曲、轨向、轨距的不平顺对车辆振动、 轮轨作用力、行车安全等的影响，铁道科学研究院科研人员曾于1 9 8 4 年月1 0 月和1 9 8 6 年3 月在铁科院环形基地，1 9 8 9 年1 2 月在郑州铝 厂专用线上进行了轨道不平顺对车辆的动力影响试验( 试验条件及结 果参见第三章第二节) ，并得出如下结论： 1 、高低不平顺对车体垂向加速度、轮重减载率有较大影响。 2 、轨向不平顺对车体横向加速度、轮重减载率有较大影响。 3 、水平不平顺对车体垂向、横向加速度、侧向力、脱轨系数、 轮重减载率均有影响。 4 、扭曲不平顺对车体垂向加速度、减载率有较大影响。 5 、轨距不平顺对车辆各项动力参数的影响都较小。 从以上试验所得结论可看出：各项几何不平顺对车辆的动力影 响是不同的，在五项几何不平颓中，高低、轨向、三角坑对车辆的动 力影响较大，水平和轨距影响较小。 三、我国的线路维修评分标准 我国对线路几何尺寸的综合验收评分标准如表2 2 所示 c h 0 0 】4 0 9 19 6 3 西南交通大学研究生学位论文第2 1 页 线路综合维修验收评分标准表2 2 项 内容 编 扣分条件扣分 蛰 目号 正线、到发线其他站线 位 ( 分) 轨距 1 超过验收标准 同左处 4 允许误差 2 超过经常保养 同左 处4 1 轨水平容许误差 道 轨距变化率大轨距变化率大于 几 三角坑 3 于2 0 ( 不含规3 0 ( 不含规定的 处2 何 尺 定的递减率)递减率) 寸 超过验收标准 处4 轨向 4 同左 容许误差 高低 超过经常保养 处4 15 同左 容许误差 从上表看出：轨距的扣分远远低于高低、轨向和三角坑的扣分。 我国经过多年实践并长期使用的线路综合维修验收评分标准虽然不 能准确、客观地反映各项几何形位对行车的和轨道结构的影响，但它 能相对地反映各几何不平顺对轨道质量的影响。所以，从上表也可得 到，高低、轨向和三角坑对轨道质量的影响比轨距、水平的大。 为了弄清各项几何不平顺对轨道质量、列车安全和舒适性的影 响，作者曾到衡阳、株州工务段管内十个工区和段安全室进行调查和 了解，现场人员普遍反映三角坑不易检测，但其对行车安全的影响较 大，很多次列车脱轨和颠覆事故都是由三角坑引起的，他们在实践中 感到现行的线路综合维修验收评分标准中对三角坑的扣分偏低，不能 很好地反映实际情况。综合上述资料可得： l 、商低、轨向、水平、轨距、三角坑对轨道质量的影响程度是 c h o o l4 0 9 19 6 3 西南交通大学研究生学位论文 第2 2 页 不同的，在轨道质量指数t q i 的计算式中考虑各项权重是非常必要 的。 2 、在五项几何参数中，岛低、轨向和三角坑对轨道质量状态的 影响较轨距和水平的大。 从轨道质量指数指导养护维修的目的来看，在轨道质量指数中考 虑各项几何不平顺的权重也是很有必要的。如果不考虑几何不平顺的 权重，维修人员就会根据轨检车的检测结果将标准差大的几何不平顺 作为影响线路质量的主要因素加以重点维修，而实际上也许是标准差 略小但权重较大的几何不平顺为影响线路质量的主要因素，这就会造 成对轨道质量影响大的几何不平顺不加维修而对影响小的加以重点 维修的不合理情况。在轨道质量指数中考虑各项几何不平顺的权重后 就不会出现这样的情况，因为那些标准差大而权重小的乘以权重后数 值变小了，维修人员便可直接根据数值的大小来确定影响轨道质量的 主要因素并加以重点维修，使养护维修工作更加合理。 第二节考虑速度影响的必要性 众所周知，相同的轨道静态不平顺，不同速度的列车经过时，产生 的轮轨动力作用是不同的，对列车安全性和舒适性的影响也是不同的， 这是由于随着列车速度的提高，轨道动态不平顺增大的原因。1 9 8 9 年 1 2 月铁科院在郑州铝厂铁路专用线上进行的动力试验( 详见第三章第 二节) 清楚地反映了相同的静态不平顺在不同速度下的轮轨动力作用和 对列车舒适性和安全性的影响。试验结果如表2 - 3 所示： 由表2 3 可看出，相同的轨道静态不平顺，随着行车速度提高， 轮轨动力作用增加，对列车安全性和舒适性的影响也不断增大。且速 度对它们的影响很大，波长l o m ，波幅2 0 m m 的高低不平顺，当速度 c h 0 0 】4 0 9 19 6 3 两南交通大学研究生学位论文第2 3 页 由3 0 k m h 增至8 0 k m h 时，垂向振动加速度由0 0 3 9 增至0 0 9 9 。轮 轨动力作用、列车的安全性和舒适性是轨道质量状态的具体体现，它 是对轨道动态不平顺的反映。轨道质量指数作为评价轨道状态的指标 应该反映轨道的动态不平顺，丽轨道的动态不平顺是随列车速度的提 高而增大的。目前，我国和世界各国的轨道质量指数都没有考虑行车 速度的影响。它们反映的仅仅是与轨检车检测时的行车速度对应的轨 道动态不平顺而无法反映与其它速度对应的轨道动态不平顺。为了使 轨道质量指数能反映不同速度下的轨道动态不平顺、线路的动态状 态，应该在轨道质量指数t q i 的计算式中考虑速度因素的影响。 不同速度下高低、水平、轨向、不平腰的实测动力学指标值表2 3 项 速度波长波幅 h z c a ) a v a oc t j a b 目 3 0 0 1 3 90 0 3 9 2o 1 90 3 l 高4 5 0 1 9 90 0 3 6 9 2o 2 2o 2 4 l o m2 0 嗍 6 0 0 2 4 90 0 4 2 9 2 2o 2 70 4 3 低 8 0 0 ，3 】g0 o o g 3 3o 3 20 4 0 3 0 0 1 2 90 0 3 9 2 】o 2 90 3 5 水 4 5 0 】3 90 0 5 9 2 7o 4 0o 3 7 1 0 m1 6 衄 6 0 0 0 9 90 0 7 9 2 4o 4 l0 4 3 平 8 0 0 1 5 90 1 l g 3 50 4 9o 4 7 3 0 o 1 l g0 0 5 9 5 1o 5 8o 2 0 方4 5 0 1 2 90 0 6 9 4 5o 4 3o 2 8 1 0 m1 8 m m 6 00 o o g 0 0 9 9 6 10 5 3o 3 2 向 8 0 0 1 4 90 1 1 9 5 6o 4 80 3 1 c h 0 0 14 0 9 1 9 63 西南交通大学研究生学位论文 第2 4 页 表中：a ：一一车辆竖向振动加速度； a 。车辆横向振动加速度； 卜轮轨横向力； a 脱轨系数； b 偏载系数。 从轨道质量指数指导养护维修和评价轨道质量状态的作用来看 在轨道质量指数计算式中考虑速度的影响也是很有必要的。如果轨检 车对某段线路检测，检测前面某一区段时行驶速度为4 0 k m h ，检测 后面某一区段时行驶速度为l o o k m h ，检测结果按目前使用的不考虑 权重和速度影响的轨道质量指数公式计算，后面区段的比前面区段的 略大。这样就会得出这样的结论：后面区段的轨道质量状态比前面区 段的差，安排维修时先维修后面区段。而实际上当列车以8 0 k m h 的 速度经过这段线路时，后面区段产生的振动和冲击、对列车的安全性 和舒适性的影响远较前面区段的小，列车行经反映出的实际情况是后 面区段需维修。这与前面依据不考虑权重和速度影响的轨道质量指数 公式计算所得结论相反。因为轨检车检测所得结果对前面区段而言反 映的是车速4 0 k m h 下的动态不平顺，对后面区段而言则是车速 l o o k m h 下的动态不平顺，当时速8 0 k m h 的列车经过时产生的动态 不平顺在前面区段就比检测所得的大，而在后面区段则比检测所得的 小，这样就产生了这样的结果。如果在轨道质量指数中考虑速度的影 响后，就能根据线路上列车运行时速与检测时轨检车时速的差异大 小，在前面区段乘以相应的大于1 的影响系数，在后面区段乘以相应 的小于l 的影响系数，最后所得的考虑速度影响的轨道质量指数的数 值就能与实际情况相符，直接用于评价轨道质量状态和指导维修，真 正达到评价轨道质量状态和指导维修的目的。 c h 0 0 14 0 9 19 6 f 3 西南交通大学研究生学位论文 第2 5 页 第三节确定权重和速度影响因子k ，的技术依据 考虑权重的轨道质量指数计算式中各几何不平顺的权重应根据 各几何不平顺引起的轮轨动力作用的大小和对列车安全性和舒适性 的影响大小来确定。引起轮轨动力作用大的、对列车安全性和舒适性 影响大的几何不平顺权重应较大，反之，权重应较小。同样，速度影 响因子的确定也应根据行车速度的变化对轮轨动力作用和对列车安 全性和舒适性的影响来确定。由于列车横向和垂向加速度、轮轨侧向 力、轮重减载率和脱轨系数能全面地反映轮轨动力作用和列车的安全 性与舒适性。因此，本文选取它们作为确定各几何不平顺权重和速度 影响因子的技术依据。 一、脱轨系数q ( q p ) 脱轨系数0 p 是轮轨问侧向力q 与垂直力p 的比值。它是用来 评定车轮是否可能脱轨的重要动力学指标。 对于在非冲击性侧向力作用下，轮缘逐渐爬上轨头而脱轨的脱 轨系数限度值，许多国家均按经典的n a d a 公式确定。即： q t g 理一” 尸 l + z t g a 式中：a 车轮轮缘角； p 轮轨问摩擦系数。 我国“铁道车辆动力学性能评定办法和试验鉴定规范”规定： q p 1 2 对于车轮在作用时间很短的冲击性侧向力作用下，跳上轨头而 脱轨时的脱轨系数其允许值较大。根据日本的研究，当铡向力的作用 时问小于o 0 5 秒时，脱轨系数的允许值按下式确定。 c h 0 0 l4 0 9 19 6 | 3 西南交通大学研塞竺兰垡堡窒 笙兰鱼夏 盟 3 0 k m h 时，p p o 一 d b 不平谕 平均值最大值平均值最大值平均值最大值 水平 o 4 74 9 00 0 5 30 8 2 10 0 8 80 3 6 3 轨距0 4 42 9 40 0 6 30 6 8 40 0 8 80 3 2 3 方向 0 6 l3 9 20 0 6 2o 3 1 20 0 9 20 3 2 7 三角坑 o 7 l5 8 80 0 9 20 6 4 9o 1 4 60 3 7 6 高低 0 7 85 8 80 0 9 4o 5 8 lo 1 3 60 3 2 7 实测轨枕和道床振动加速度表3 6 位置 不平癌 轨枕道床顶面 距接头位置 1 3 8 m0 2 9 m1 9 l mo8 7 m 三角坑6 2 | 3 9 8 6 9 91 6 2 93 4 7 9 高低 6 4 ，3 99 0 8 91 7 - 3 93 0 6 9 由于表3 5 提供的q ，n 、b 的实测资料无竖向振动资料，主 要反映的是横向动力作用，所以仅能用来确定方向和轨距对轨道质量 的相对影响关系。 c h o o i4 0 9 1 、9 63 西南交通大学研究生学位论文 第3 5 页 利用3 5 ，3 6 资料计算出方向与轨距，高低与三角坑各项动 力学指标的比值如表3 7 ，3 8 。 方向与轨距q 、旺、1 t 的比值表卜7 l 指标 q 0三项平均 j i比值 】3 9o 9 8】0 4】4 i 高低与三角坑q 、b 、振动加速度的比值表3 8 l 指标q q b振动加速度四项平均 l r 比值 1 1 01 0 20 9 2l0 51 o o 由表3 7 ，3 8 得： 1 、方向不平顺对轨道质量状态的影响为轨距不平顺的1 1 4 倍， 与前得的方向和高低相对于水平的倍数相同，所以轨距和水平不平顺 对轨道质量的影响可看作相同。 2 、高低与三角坑的比值平均值为1 o o ，因此，三角坑和高低对 轨道质量的影响可看作相同。 三、实测资料确定的权重c 。 由本节一、二可得：方向、高低和三角坑三项不平顺对轨道质 量的影响相同，权重相等；轨距和水平不平顺对轨道质量的影响相同， 权重为方向、高低和三角坑的l 11 5 倍。 设轨距和水平的权重为x ，则高低、方向、三角坑的权重为1 1 5 x 。 五项指标权重之和等于7 即： 4 1 。1 5 x + 1 1 5 x + 2 x x ：7 解得：x = o 9 0 c h o o l4 0 9 j9 5 3 两南交通大学研究生学位论文第3 6 页 各不平顺的权重列于表3 9 不平颅的权重表3 9 l 不平顺高低方向三角坑水平轨距 i i权重 1 0 4l0 4l0 4o 9 00 9 0 l 第三节速度影响因子k 。的确定 我们知道，在相同不平顺的情况下，不同速度的列车经过时，机 车车辆、轨道结构产生的振动和冲击是不同的，列车的安全、平稳性 和旅客的舒适性也是不同的，因此，利用轨检车检测数据计算所得的 轨道质量指数t q i 仅能较好地反映轨检车运行速度下的动态轨道质量 状态，当列车的运行速度与轨检车速度有较大差异时，若直接用轨检 车检测所得的t q i 来反映列车运行速度下的动态轨道质量状态就不尽 合理了。在这种情况下，应考虑行车速度对轨道质量状态的影响。 为了求得速度因子k ，利用表2 3 瓷料先求得高低、水平、方 向三项不平顺在3 0 、4 5 、6 0 、8 0 k m h 速度下对轨道质量影响的相对 比值，如表3 1 0 、3 一1 1 、3 1 2 所示。计算时以3 0 k m h 的各指标 作为对比的基础，其余各速度均与之作比较。表中五项动力学指标相 对比值的平均值即为该速度下的轨道质量状态与3 0 k m h 下的相对比 值。 c h o o l4 0 9 19 63 西南交通大学研究生学位论文第3 7 页 高低在不同速度下各项动力指标的相对比值表3 一l o 速度a z a vq d 8 五项平均值k v l 3 0】0 0】0 0】0 0】o o】o o】0 0 4 5 1 4 61 2 01 0 01 1 6o 7 71 1 2 6 0 1 8 5l4 0li ol4 21 3 91 4 3 8 02 3 82 3 31 6 51 6 81 2 91 8 7 水平在平同速度下各项动力指标的相对比值表3 一l l 速度a za vq d 1 3 五项平均值k v 2 3 01 0 01 o o1 0 0lo o1 o o1 0 0 4 5 1 0 81 6 71 2 813 81 0 61 2 9 6 00 7 s2 f 3 3l1 41 4 11 2 31 3 7 8 01 2 53 6 71 6 71 6 91 3 41 9 2 方向在不同速度下各项动力指标的相对比值表3 一1 2 速度a za vq q b 五项平均值k v 3 3 01 0 01 0 01 o o1 o o1o o1 o o 4 51 0 91 2 0o 8 80 7 41 4 0】0 6 6 0o 8 21 8 01 2 0 o 9 l1 6 01 2 7 8 01 2 72 2 01 1 008 21 5 513 9 将高低、水平、方向三项不平顺对轨道质量影响的相对比值与 速度的关系以速度为横坐标、相对比值为纵坐标作于圈3 2 上。 为便于确定高低、水平、方向三项不平顺在不同速度下对轨道 质量影响的相对比值，利用3 1 0 、3 1 1 、3 一1 2 资料作速度与相对 比值关系的曲线拟合。 c h o o l4 0 9 l9 6 3 西南交通大学婴塞生兰垡堡塞 箜! ! 鉴 一 相对比值 z 王二三囊孥 声 j 一c 方向