轨道检测列车介绍.ppt

轨道检测车介绍,蔡小培北京交通大学2011年11月,轨道检测车介绍,第一部分 国外轨检车的发展概况,第二部分 我国轨检车的发展现状,第三部分 轨道检测的内容,第四部分 多功能安全综合检测车简介,第一部分 国外轨检车的发展概况,轨道检查车是检查轨道病害、指导轨道维修、保障行车安全的大型动态检测设备，也是实现轨道科学管理的重要手段，为此各国铁路都重视轨检车的开发和应用。至今，轨检车的发展已有百余年的历史,1877年第一辆轨检车诞生，至20世纪40年代，瑞士、联邦德国、美国、法国、日本都有了轨检车。这个时期的轨检车主要为接触式机械轨检车，测量速度低、项目少、技术落后、采用弦测法检测。50及60年代，轨检车向电气式转变，测试仪表电子化、项目增加、速度提高，并开始应用惯性原理检测方法。,70年代以来轨检车发展极快，欧美、日本等许多发达国家相继研究各种先进的轨道检测技术和新的测量原理，如：惯性原理、光电、电磁、电容等无接触传感器，伺服跟踪、自动补偿及修正技术在轨检车上广泛应用，车载计算机进行轨检数据处理，提高了检测精度和速度，增加了检测功能。,80年代以来，激光、数字滤波、图像处理等在轨检车上应用更加广泛。以计算机为中心，对轨检信号进行模拟及数字混合处理，保证轨检结果不受列车速度和运行方向的影响。采用数字滤波技术扩大了轨道不平顺可测波长的范围，改善了轨检系统的传递函数特性，大大提高了检测的精确性和可靠性。,日本轨检车发展,Easti综合轨检车,日本自1964年建成东海道高速新干线，已先后建成山阳、东北、上越、山形、秋田、长野等新干线，共计2049公里。日本铁路为确保新干线的安全运行，从1975年开始先后装备了4列电气化轨道综合试验车，承担对新干线的电气化和轨道状态的动态检查，每列车由7辆车组成，其中第5辆为轨检车，其他检测车检查电力、通信信号、接触网、电源回路状态，最高检测速度为210km/h。1998年以后轨检车又有了较大的技术进步，车辆转向架由3台改为2台，从而将传统的弦测法由等弦改为不等弦测量，传递函数有了明显的改善。日本在原有轨道检测技术的基础上，研制开发出适用于新干线高速铁路的电气轨道综合检测列车，称为“黄色医生”。Easti是日本完全利用其国内技术开发的综合检测列车，由6辆检测车组成，可以检测轨道几何参数、接触网、通信信号、轮轨作用力、环境噪声等，最高检测速度可达 275km/h。该轨道检测系统安装在列车的第3号车辆上，这个车辆采用了与实际运行车辆相同的两个二轴拖动转向架结构。,日本轨检车发展,日本电气轨道综合检测列车“East-i”（i表示Inspection检查、Intelligent智能和Integrated综合）由六辆检测车组成。Easti可在一次运行过程中实现对线路的综合检测功能，但各检测项目之间的检测数据并不综合到一个统一的中心，各检测单元有各自独立的数据显示、记录、转储和地面分析、处理、维护管理决策等系统，全系统仅有位置、时间和速度是统一的。一般认为，弦测法传递函数收敛性差，Easti采用了相应的修正方法。由于弦测法不能全部真实反映轨道状况，在复原及逆滤波处理时仅能换算到40m波长的测值，因此该方法存在一定的缺陷。惯性基准法受速度影响较大，不适宜低速检测，在高速时更具优势。另外，Easti整套设备及软件均为日本的品牌和自主开发的产品，与我国设备和软件的兼容性差，不利于系统的后续使用和二次开发。,日本轨检车发展,意大利轨检车发展,“阿基米德号”综合检测列车,1966年意大利成为开始筹建高速铁路的国家之一。截至目前，意大利建成或正在筹建连接南北和东西两个方向1200km两条高速铁路。其中，南北高速线（米兰-那不勒斯），全长740km，最高运行速度250km/h。东西高速线（热那亚-米兰-威尼斯），全长460km，最高运行速度270km/h。意大利的MER MEC公司主要致力于铁路维修、养护、基础设施检测行业，由MerMec公司制造为路网公司（RFI）的“阿基米德”（Archimede）高速综合检测车由双流制E402B系机车、4辆拖车和1辆驾驶车组成。,意大利轨检车发展,意大利高速铁路使用“阿基米德号”综合检测列车已经形成了一整套检测和维修养护体制。综合检测列车各子系统有独立的存储数据库，在速度、时间、空间上保持同步，所有子系统的检测数据集成到车载中央数据库，由中央数据库将数据通过无线网络传输到地面的RFI数据处理中心进行综合分析、比较，从而制定科学的维修保养计划，指导养护维修。其轨道检测在较低速度时采用弦测法，在较高速度时采用惯性基准法，较好地发挥了两种测量原理的优势。为更好发挥“阿基米德号”综合检测列车的作用，在轨道管理方面，意大利铁路基础设施检测中心与MERMEC公司共同开发研制与“阿基米德”号综合检测列车相关检测技术方面有关的合作项目。实现铁路基础设施现代化检测，科学管理、科学预测，从而满足铁路长期高速、安全、平稳、舒适的运输需要。,意大利轨检车发展,意大利“阿基米德号”综合检测列车测量、分析及保养规划,法国轨检车发展,冲击有碴轨道列车时速新纪录的法国“V150”列车,法国国营铁路公司自1981年已建成东南、大西洋、北方、地中海线高速铁路，正在建设的东部线东西两段，共计1760km。,2003年法国国营铁路公司（SNCF）开始改装一列三流制TGV路网型列车，经过一年多的车辆调试，改造成为基础设施高速检测列车IRIS 320（命名为MGV），2006年投入使用。,法国SNCF安全综合检测列车“MGV”,MGV检测周期预计为两周一次，设计目标是在列车正常运行条件下检测各项基础设施参数。该车检测项目比较齐全，主要检测功能：（1）轨道检测（安装在第一节车辆上）：轨道几何（采用激光检测）；车体加速度；轴箱加速度，车辆噪声；钢轨表面图像记录；线路环境数字图像采集；扣件、枕木、道碴检测。（2）接触网检测（安装在第二节车辆上）：受流检测（电弧、电压、电流、以及弓网图像）；接触网动态参数（冲击与硬点，垂向加速度，接触网高度和拉出值）。下一步研究接触导线磨网厚度测量。（3）信号检测（安装在第三节车辆上）：机车信号传输参数（TVM）（机车信号）；列车速度控制信标参数（KVB）（列控信息）；轨道上的点式应答。下一步研究ERTMS 标准和。（4）通信检测部分（安装在第四节车辆上）：车-地通讯的无线覆盖；GSM和GSM-R的无线覆盖。（5）其他检测项目（安装在第四节车辆上）：列车定位，速度，气象条件，风速，道口。,一是在高速铁路上，综合检测列车越来越受到重视，日本的East i、意大利的“阿基米德”、法国IRIS320和我国高速综合检测列车都为高速铁路、既有线提速区段的安全和高效运营提供保障。二是综合检测列车技术思路，是保持各专业检测相对独立的同时，通过共享时间、里程和速度信息，实现检测信息时间和空间的同步。三是检测内容越来越丰富，从工务道床、轨枕、扣件、钢轨、轨道几何、隧道限界，到电气化设备和通信信号设备，都开发了相应的检测技术及设备。四是激光和摄像检测技术获得了广泛应用，提高了检测速度、精度和可靠性。,小结轨检车的发展趋势,随着我国铁路提速战略的实施，对列车的安全、舒适性提出了更高的要求，同时运行速度的提高和重载列车的开行，对轨道的破坏作用加大，导致轨道状态的恶化加剧。因此，加强轨道动态检测力度，及时掌握轨道质量状态，正确指导线路养护维修，确保铁路运输安全，已成为铁路工作中的一项重要基础工作。截至2004年，我国铁路现役轨检车按检测系统类型划分为四类：GJ-3型、GJ4型、GJ4G型、GJ5型。,第二部分 我国轨检车的发展现况,GJ-3型轨检车的技术特点是采用惯性基准原理、运用传感器技术和计算机技术，直接以传感器电压信号作为不平顺超限根据，计算机直接采集超限等级和数量计算扣分，笔式绘图仪记录不平顺波形，可以检测高低、水平、三角坑、车体垂直和水平振动加速度，但轨距、轨向尚无法检测。GJ3 轨检车的电路大多采用20世纪70年代末至80年代初的分离式元件，稳定性差，加之安装时间跨度大，即使同一种仪器使用的元器件也不尽相同，接口也不完全一样，造成了备件选择和备用上的极大困难，养护维修难度很大。GJ4型轨检车在美国T10型轨检车的基础上，采用惯性基准原理，应用“传感器模拟信号处理数字信号处理”组成的综合补偿系统对各种误差信号进行补偿修正，检测项目比较齐全，除评价线路质量状态的轨距、轨向、高低、水平、三角坑以及车体水平和垂直振动加速度等指标外，还可识别道岔、道口、桥梁等地面具有显著特征的标志物，方便工务人员查找轨道病害处所。,GJ-4轨道检测车外观,GJ-4轨检车组成,GJ-4型轨检车检测系统采用了先进的模拟数字混合处理系统。传感器信号首先进入信号转接及监视装置后，送入信号模拟预处理装置进行预处理。预处理后的信号再通过信号转接及监视装置后进入计算机数据处理系统，根据数学模型进行信号解偏、修正、补偿、滤波、合成计算出轨道几何参数，同时进行检测数据统计分析、摘取超限值、打印报表、存贮显示。几何参数经DA变换，再经信号转接及监视装置后送到绘图仪记录波形。,为克服 GJ4型轨检车轨距吊梁存在的上述问题，本世纪初我国铁路从美国ImageMap公司引进了装备 Laserail轨道测量系统的GJ5型轨检车。GJ5型轨检车采用惯性基准法、非接触式测量方式，由基于摄像原理的轨距轨向测量系统取代光电伺服机构，所有传感器均安装在悬挂于转向架构架上的检测梁内，取消了轨距吊梁。由于经过一系列减震，检测梁工作时所受的振动和冲击大大降低，安全性显著提高，同时也消除了检测设备在特定检测速度下产生共振的可能性。由于不存在伺服机构的往复运动，检测设备的故障率也大大降低。,GJ5型轨检车,轨检车的组成,GJ5型轨检车的基本检测原理是：由光纤陀螺和加速度计构建该检测梁的惯性空间基准，通过激光摄像传感器和图像处理技术获得左右钢轨距检测梁的横向和垂向偏移值，通过坐标变换、数字滤波、合成处理等得到各项轨道几何参数。检测项目更加齐全。可以进行轨距、轨向、高低、水平、三角坑、曲率、车体加速度、钢轨波磨和钢轨磨耗及断面等项目的测量，其计算机系统由一台VME计算机和数台Windows平台计算机组成，采用TCP/IP协议组成车上局域网。VME计算机负责数据采集和轨道几何数据的合成，由一台运行Windows2000系统的计算机作为服务器，负责与VME计算机的通讯，获取检测数据，同时进行数据存储以及超限判别等工作。其余Windows平台计算机可以运行相应的软件，通过网络与服务器通讯，完成几何数据显示、超限编辑、报表打印和里程校核等任务。ImageMap公司提供了WinDBC、DefectEditor、DefectMonitor、OnDemandReport和TermiFlex软件实现相应的操作。,软件的自主研发,2004年，铁道部已经引进了5辆GJ-5型轨检车，分别配属给铁道部基础设施检测中心、兰州铁路局和乌鲁木齐铁路局使用。在应用GJ-5型轨检车进行轨道检测工作的过程中，发现外方提供的部分软件不能满足实际工作需求，存在超限编辑软件功能单一、报表生成软件效率低等问题，严重影响了正常检测工作。针对这些问题研发了超限编辑器、报表生成、超限数据分发和几何波形数据分发等车上数据处理软件。（1）超限编辑器GJ-5型轨检车超限数据存储在服务器计算机的Access数据库中。超限编辑器采用ADO数据访问引擎。通过网络访问数据库，目前可以完成超限数据的检索、过滤、删除和恢复、公里超限扣分的计算、超限数据的导出和打印功能。配合车载GSM短信模块还可以实现严重超限信息的即时发送。,软件还具有数据导出功能，可以将表格内显示的超限数据以Excel的格式导出，便于其他应用。过滤显示后的数据也可以通过打印功能以所见即所得的方式打印出来。本软件还可以多实例运行，即同时运行多个超限编辑器，分别打开不同的检测数据，这样可以在检测过程中查看历史数据，以便更好地进行超限的确认工作。,（2）报表生成软件报表生成软件可以完成报表的生成、预览、打印，区段数据的导出等功能。可以对于数据库中任何的历史数据进行汇总，生成相应的严重超限报表、曲线数据报表、超限公里小结报表、轨道质量指数报表、波浪磨耗报表和区段汇总报表。,（3）轨道几何波形查看软件ImageMap公司提供给轨检车上使用的WinDBC软，可以在计算机屏幕上显示波形数据，并提供数据测量、打印输出等功能，而且可以进行历史数据的比较，功能十分强大。但是，由于我们不具有相应的知识产权，不能够将该软件分发给工务段等部门使用，而且ImageMap公司特有的GEO文件形式比较复杂，不仅包括波形数据还包括其他的一些数据，导致文件较大，平均检测100km对应60MB的波形数据，不利于数据的分发。,第三部分 轨道检测的内容,检测坐标系的定义,轨检车检测项目正号定义,轨距（偏差）正负：实际轨距大于标准轨距时轨距偏差为正，反之为负；高低正负：高低向上为正，向下为负；轨向正负：顺轨检车正向，轨向向左为正，向右为负；水平正负：顺轨检车正向，左轨高为正，反之为负；曲率正负：顺轨检车正向，右拐曲线曲率为正，左拐曲线曲率为负；车体水平加速度：平行车体地板，垂直于轨道方向，顺轨检车正向，向左为正；车体垂向加速度：垂直于车体地板，向上为正。,轨检车正向：检测梁位于轨检车二位端，定义二位端至一位端方向为轨检车正向，轨检车行使方向与轨检车正向一致时为正向检测，反之为反向检测。,轨检车动态检查项目,中国轨检车检查项目主要包括左右高低、左右轨向、水平、三角坑、曲线超高、曲线半径、轨距、车体水平和垂直振动加速度、左右轴箱垂直振动加速度等。轨检车根据轨道动态不平顺和车辆动态响应综合评价轨道状态。新型轨检车还增加了钢轨断面、波磨、断面磨耗、轨底坡、表面擦伤、道床断面、线路环境监视等项目检测。,轨道不平顺动态检查的主要设备是轨道检查车，检查包括轨道动态不平顺和车辆动态响应。,轨道不平顺定义：轨距,同一轨道横截面内左右钢轨两轨距点之间的最短距离。目前轨检车检测16mm点间距离。,轨道不平顺定义：轨向,钢轨内侧轨距点垂直于轨道方向偏离轨距点平均位置的偏差。分左右轨向两种。轨向也称作方向。,轨道不平顺定义：高低,钢轨顶面垂直于轨道方向偏离钢轨顶面平均位置的偏差。分左右高低两种。,轨道不平顺定义：三角坑,轨道平面的扭曲，沿轨道方向前后两水平代数差。也称作扭曲,轨道不平顺定义：水平、超高,中国水平：同一轨道横截面上左右钢轨顶面所在水平面的高度差。不含圆曲线上设置的超高和缓和曲线上超高顺坡量。UIC水平型轨检车车相对水平超高：曲线地段外轨顶面与内轨顶面设计水平高度之差。,轨道不平顺定义：钢轨断面磨耗,垂直磨耗：标准钢轨断面宽度内侧1/3 处实际钢轨垂向磨耗。侧面磨耗：标准钢轨顶面以下16mm处实际钢轨垂向磨耗。总磨耗：垂直磨耗+1/2侧面磨耗,侧面磨耗,垂直磨耗,轨道不平顺定义：钢轨波磨,波形磨耗是指钢轨顶面上出现的波状不均匀磨耗。按其波长分为短波（或称波纹型磨耗）和长波（或称波浪型磨耗）两种。波纹型磨耗为波长约50100mm，波幅0.10.4mm的周期性不平顺；波浪型磨耗为波长100mm以上，3000mm 以下，波辐2mm以内的周期性不平顺。,新增评分项目,轨距变化率曲率变化率横向（水平）加速度变化率,轨距变化率,只要满足列车通过条件连续不变轨距小轨距有利车辆动力性能。轨距检测受标定误差影响，常产生检测系统误差。由相隔2.5m的两点实际测量的轨距差除以2.5m得到。选择2.5m主要考虑车辆轴距和滤波。轨距变化率直接影响轮轨接触几何，危机行车安全和舒适性。,当钢轨产生位移使轨距变化时，光电传感器感受其变化并输出相关电信号，经调制解调器处理后，成为与轨距变化成线性比例的电压信号。再经信号处理器、功放、驱动马达、使光电传感器在伺服机械的推动下，跟踪钢轨位移。,曲率变化率,曲率定义为一定弦长的曲线轨道(如30m)对应之圆心角(度/30m)。度数大，曲率大，半径小。反之，度数小，曲率小，半径大。轨检车通过曲线时(直线亦如此)，测量车辆每通过30m后车体方向角的变化值，同时测量车体相对两转向架中心连线转角的变化值，即可计算出轨检车通过30m曲线后的相应圆心角的变化值。需要做大量的数据处理，消除测量误差和不需要的成分。曲率变化率主要考虑直线段长波长轨向和曲线段曲线不圆顺，是舒适性控制指标。,横向（水平）加速度变化率,由相隔18m的两点实际测量的横向加速度差除以18m走行时间。选择18m主要考虑车辆定距和滤波。是舒适性控制指标。,多功能安全综合检测车的简介,第四部分 多功能安全综合检测车简介,多功能安全综合检测车是高速铁路配备的专用检测车。其功能是测量轨道几何状态、轴箱构架和车体加速度、钢轨表面状态、接触网以及轮轨作用力、无线通信、信号等项目。线路地貌监测系统和GPS系统作为辅助系统，协助检测人员对检测项目进行定位和分析。同时，能够实现综合检测列车各检测系统间的位置与地面高程同步，并实现自动修正里程。各检测系统的检测数据都能够传输到指挥控制中心。,一、综合检测列车的发展概况,目前我国铁路共有三列综合检测列车。本章主要以0号高速综合检测列车为例进行介绍。,二、综合检测列车的组成,综合检测列车由5动3拖、两个动力单元编组而成，包括通信信号检测车、会议车、接触网检测车、数据综合处理车、轨道检测车、生活车、办公车和信号检测车各1辆。详见编组如图6-1所示。,第二节 综合检测列车的综合系统,一、列车网络系统二、定位同步系统三、数据综合处理系统四、环境视频检测系统,一、列车网络系统,二、定位同步系统,三、数据综合处理系统,数据综合处理系统的目标是建立检测数据组织管理机制，建立综合检测日报处理系统，实现大值报警机制。,四、环境视频检测系统,第三节 轨道检测系统,一、检测系统的功能二、检测原理三、设备安装,一、检测系统的功能,根据国内外多年运用经验，综合检测列车轨道检测系统检测项目一般包括：轨距、轨距变化率、轨向、高低、超高、水平；三角坑、曲线半径、曲率变化率、未平衡超高及其变化率；车体横向、垂向和纵向加速度，构架横向和垂向加速度，左右轴箱横向和垂向加速度。,二、检测原理,轨道检测系统采用惯性基准法、激光摄像测量方式、计算机网络技术，设备结构简捷、可靠性较高，适于高速长波长不平顺的检测。轨道几何动态检测系统利用高速网络连接数据采集系统、数据处理显示系统、控制系统以及数据存储系统。,三、设备安装,轨道检测系统在综合检测车1、8号车一位端转向架外一位侧装有车体加速度计、一位端转向架的1、2位轴轴头装有轴箱加速度传感器、一位端转向架1位轴轴箱上方的构架上装有构架加速度传感器。,第四节 轮轨力检测系统,一、检测项目二、技术参数三、设备安装,一、检测项目,轮轨作用力测量系统安装于轨道检测车上，由2个测力轮对、分布式数据采集设备和数据处理单元组成，可连续测量轮轨垂直力、横向力、纵向力、轮轴横向力、脱轨系数、减载率等。轮轨力主要是反映车辆运行的动力学响应，作为车辆运行安全性评价的主要指标，其基本检测项目有垂直力、横向力和纵向力。其余各项都是基于以上3项的计算量评价。,二、技术参数,测量范围：垂向力0-400kN输出范围可选择；横向力160kN；纵向力160kN。相对精度：4。测力轮对工作寿命：10年。最高测量速度：300km/h。数据处理软件能实时连续输出轮轨间的垂直力、水平力、轮重减载率、脱轨系数等数据波形，数据处理软件能够再现各种原始数据，并具有数据检索查询和统计分析的功能。,三、设备安装,轮轨力检测系统在综合检测车5号车一位端转向架的一位轴和四位轴的轴头各安装一个测力轮对。,第五节 信号检测系统,一、检测项目二、检测系统的安装,一、检测项目,根据我国客运专线的特点，信号检测系统主要检测项目包括：轨道电路绝缘节位置及绝缘破损补偿电容（有/无）牵引电流及不平衡率谐波分析应答器报文信息及位置CTCS2级ATP系统运行状态。,二、检测系统的安装,信号检测系统由天线接收部分和数据处理部分组成。天线有：CTM（电容测试）天线包括两个CTM-S（发射天线）和CTM-R（接收天线）；BTM天线包括数据接收天线BTM-D和模拟量检测接收天线BTM-T；ASTM（电流传感器）天线；STM（感应信号）天线；高速GPS接收天线。,第六节 通信检测系统,一、检测系统组成二、检测项目三、设备安装,一、检测系统组成,无线通信检测系统主要由两部分组成第一部分是测试数据采集、处理和分析设备，包括测量接收机、无线通信系统测试终端、系统控制器等；第二部分是检测系统辅助设备，包括计距脉冲发生器、测试天线、输出设备等。,系统组成如图6-11所示。,二、检测项目,通信检测系统检测项目包括：（1）GSM-R移动通信系统无线场强覆盖测试和450MHz列车调度无线场强覆盖测试，同时测量GSM-R系统服务小区和列车运行方向相关相邻小区的场强覆盖；（2）GSM-R移动通信系统通信质量QoS测试，包括话音通信和分组数据通信、列车调度应用数据传输质量；（3）为GSM-R网络优化所需的各项参数测试；（4）GSM-R移动通信系统电路域数据通信质量QoS测试。,三、设备安装,通信检测系统的检测天线安装在1号车和2号车的车顶导流罩上，导流罩上预埋了安装有丝套的铝板，天线安装时通过螺栓与丝套连接，实现天线的固定。天线安装完成后，需要用密封胶密封天线底座与铝板的间隙。铝板上有接地线连接到铝结构表面，天线底座与铝板导电连接，实现天线的接地。1、2号车车顶检测设备的馈线由粘接在车顶铝结构表面上的线卡固定，所有线束汇聚在车顶的下线孔处进入车内，该口使用了ROXTEC密封件，保证了车体的气密性。数据处理子系统安装在车内。,谢 谢！,