铁道工程-第六章-轨道几何形位之轨道不平顺.

六轨道不平顺定义：轨道不平顺是指轨道的几何形状、尺寸和空间位置相对其正常状态的偏差。(1)直线轨道不平、不直，对轨道中心线位置和髙度、宽度正确尺寸的偏差；(2)曲线轨道不圆顺，偏离正确的曲线中心线位置和正确的超高、轨距及顺坡变化数值。6.1轨道不平顺的定义及其基本性质轨道不平顺实例波形轨道不平顺实例波形性质：(1)普遍性：由于铁路轨道结构的复杂性以及在建造、运营、管理等方面各种因素的共同作用，任何轨道结构都普遍存在不平顺，只是幅值大小不同而已。铁路工务部门对线路用轨道检查车进行长期、大量检查，证明无论是有缝线路还是无缝线路，轨道的轨距、高低、方向、水平总是存在不平顺。(2)随机性：轨道不平顺的形成和发展是诸多具有随机性的因素共同作用的结果，这些因素包括：钢轨的初始平直性，钢轨磨耗、损伤，轨枕间距不均、质量不一，线路施工高程偏差，道床的级配和强度不均、松动、脏污、板结，路基下沉不均匀、刚度变化，道床、路基的不均匀残余变形积累，机车车辆时刻变化的动力作用，以及雨雪、气温、地震等自然环境因素，它们综合作用，造成了轨道不平顺的随机特性。所以轨道不平顺波形不能用单一的简谐、三角、指数或抛物线等规则的波形来描述，可以看作是由许多无法预知的不同频率、不同幅值、不同相角的简谐波迭加而成的复杂的随机波。本质上讲，轨道不平顺是一个随机过程，是里程位置的随机函数，任一特定区段的轨道不平顺可看成随机过程的一个样本，波幅（轨道不平顺的深度）和波长（轨道不平顺的长度）都是随机变量。(3)动态性：实际运营中的轨道由于受到各种动态因素的影响，其不平顺都是经常变化的，显得很不规则，通常不同位置的轨道不平顺幅值和波长都各不相同，同一位置的轨道不平顺也随着不同时刻外界影响因素的作用而不同。虽然在无轮载作用的情况下，轨道也存在一定的静态不平顺，但这只是真实完整轨道不平顺的部分、不确定的表象。真正对行车安全、轮轨作用力、车辆振动产生实际影响的是动态不平顺。因此，各国轨道不平顺的各种控制及维修管理标准，尤其是安全管理标准，大多是控制动态不平顺(4)波长特性：轨道随机不平顺具有波状变化特征，其波幅值在几毫米到几十毫米甚至更大数值之间变化，且包含许多不同的波长成分，0.01~200m波长的不平顺均常见，其值与线路的状态和等级有关，变化范围很广。通常长波的幅值大，短波的幅值小。由于不平顺的随机性，有可能在不平顺的波形中组合出现几个波长相等或接近的联系波。当车辆以对应此波长的临界速度运行时，会产生大振幅的共振现象，从而导致运行平稳性能下降和产生大的轮重增减载变化。这种短时间（通常几秒钟）的车体以某一自振频率进行大振幅的共振现象可在试验波形中测得。6.2轨道不平顺的类型轨道不平顺的种类很多，可按:（1）它们对机车车辆激扰作用的方向；（2）按轨道不平顺波长特征；（3）按按轨道不平顺形状特征；（4）显现记录时有无轮载作用。（1）根据对机车车辆激扰作用的方向，轨道不平顺可分为垂向、横向，和垂向、横向复合（简称复合）三类。①高低不平顺②水平不平顺③扭曲不平顺④轨距不平顺⑤轨向不平顺⑥复合不平顺①高低不平顺钢轨顶面长度方向的垂向凸凹不平，简称为高低不平顺，包括钢轨表面不平，轨道弹性变形和残余变形不均匀，部件间隙不一致，路基不均匀下沉等形成的垂向不平顺。由于左、右两根钢轨高低的起伏变化趋势不完全相同，可区分为左轨高低不平顺和右轨高低不平顺。②水平不平顺钢轨顶面长度方向各个横截面上左右轨对应点的高差，简称为水平不平顺。水平不平顺的幅值，在曲线上是指扣除正常超高值的偏差部分。③扭曲不平顺轨道平面扭曲不平顺（有些国家将之称为平面性，我国俗称为三角坑），是指左、右两轨轨顶面（常用四个点确定）相对于相应的轨道平面的扭曲状态，用相隔一定距离的两个横截面水平幅值的代数差度量。④轨距不平顺轨距为两股钢轨头部内侧与轨道中线相垂直的距离，因为轨底坡的缘故，轨距应在钢轨顶面以下某一规定距离处量取，我国铁路标准规定，轨距应在钢轨头部内侧面下16mm处量取，直线轨道距值规定为1435mm。由此可以定义轨距不平顺：在轨道同一横截面，钢轨顶面以下16mm处，左右两根钢轨之间的内侧距离，相对于标准轨距的偏差。⑤轨向不平顺钢轨轨距点沿长度方向相对于基线的横向的凸凹不平顺，简称为轨向不平顺。轨向不平顺包括轨道中心线偏差，轨排横向不均匀残余变形积累，轨头侧面不均匀磨耗，轨道横向弹性不一致等形成的横向不平顺。右、左两根钢轨方向的变化往往不同，可分为左轨轨向不平顺和右轨轨向不平顺，并将左、右轨方向不平顺的平均值作为轨道的中心线的轨向不平顺。⑥复合不平顺实际轨道不平顺一般都是复合型的，即在轨道同一位置上，垂向和横向不平顺共存形成的双向不平顺。大量研究和试验已证实，轨向水平逆相复合不平顺对行车安全有着严重的影响，往往是引起脱轨的重要原因。所谓的轨向水平逆相复合不平顺，是指在同一位置既有轨向不平顺又有水平不平顺，并且轨道鼓曲方向与高轨位置形成反超高状态。（2）按轨道不平顺波长特征区分类型随机性轨道不平顺包含许多不同的波长成分，波长范围很宽，0.01～200米波长的不平顺均常见。而且不同波长的不平顺，其影响也各不相同。按轨道不平顺的波长特征，可分为短波、中波、长波不平顺三类。波长类型波长范围可能出现的幅值范围包含的常见不平顺短波不平顺几毫米至几拾毫米1毫米以内擦伤、剥离掉块、焊缝等轨面不平顺、波纹磨耗几百毫米2毫米以内波浪形磨耗、轨枕间距不平顺中波不平顺1至3.5米0.1～1毫米新轨轨身不平顺3至30米1～35毫米（低等级线更大）高低、轨向、扭曲、水平、轨距长波不平顺30至150米1～60毫米髙低、轨向不平顺（3）按轨道不平顺形状特征区分类型轨道多是由相同标准定尺长度的钢轨焊结或栓结而成，桥梁、路基、轨道等结构以及施工、养护维修方法也大致相同，因此，某些地段，例如接头区、焊缝区、平交道口、道岔区、桥隧路基过渡段等轨道不平顺的形状虽不尽相同，但常有类似性。国内外都对实测的轨道不平顺形状特征进行过大量统计归纳分析，按其近似的形状特征可分为：1．余弦型不平顺（包括局部孤立的，和连续周期性的）；2．正弦形轨道不平顺；3．抛物线形不平顺；4．突台型（包括逆向和顺向台阶不平顺，多为局部不平顺）；5．三角形不平顺（包括局部孤立的，和连续周期性的）；6．S弯形不平顺（包括局部孤立的，和连续周期性的）。一些波形示意图（4）按显现记录时有无轮载作用区分1，静态轨道不平顺：无轮载作用时,人工或轻型测量小车测得的不平顺通常称为静态不平顺。由于钢轨、轨枕都有一定的刚度，无轮载作用时，在不长的距离内不会紧随道床不均匀残余变形、暗坑等弯曲。因此，静态轨道不平顺不能反映暗坑吊板和弹性不均匀等形成的不平顺，只能部份反映道床路基不均匀残余变形积累形成的不平顺。所以，静态不平顺只是真实完整的轨道不平顺在无列车轮载时，部份的、不确定的表象。用水平仪、经纬仪测量因路基不均匀沉降等形成的轨道长波不平顺，所得的静态长波不平顺波形，经去除线路坡度变化的基线修正后，能较好地反映实际情况。2，动态轨道不平顺：用轨检车测得的在列车车轮荷载作用下才完全显现出来的轨道不平顺通常称为动态不平顺。真正对行车安全,轮轨作用力，车辆振动产生实际影响的轨道不平顺是动态不平顺。因此，各国轨道不平顺的各种控制及维修管理标准，尤其是安全管理标准，大多是控制动态不平顺值。6.3轨道平顺状态的评估方法评定诊断轨道平顺状态好坏和恶化程度的依据，是轨道不平顺对机车车辆响应的影响和经验。我国对轨道不平顺状态的评价方法主要采用局部不平顺幅值超限评分法（即峰值扣分法）和轨道质量指数法（TQI）：1、即峰值扣分法；2、TQI。1、峰值扣分法峰值扣分法从轨道几何尺寸指标、动力学指标的角度出发，根据轨道局部不平顺超限等级，以一公里为单位计算总扣分的方式来评价轨道的质量。检查评定项目包括轨距、水平、高低、轨向、三角坑、车体垂向振动加速度和横向振动加速度共七项。局部不平顺幅值超限评分法把轨道动态几何尺寸允许偏差管理值按线路允许速度分为四级：Ⅰ级为保养标准，每处扣1分；Ⅱ级为舒适度标准，每处扣5分；Ⅲ级为临时补修标准，每处扣100分；Ⅳ级为限速标准，每处扣301分。每公里扣分总数按下式计算：2、TQITQI从统计学（离散性），物理学（轨道质量均衡性）的角度（相对峰值扣分法）反映轨道状态的恶化程度，是衡量轨道区段整体质量状态的综合指标，可以作为工务部门编制轨道维修、养护计划，指导作业的依据，是对轨道质量状态进行宏观管理和质量控制的重要手段。以200m轨道区段作为单元区段，分别计算单元区段内左、右高低、左、右轨向、轨距、水平、三角坑七项几何参数的标准差。各单项几何不平顺幅值的标准差称为单项指数，七个单项指数之和作为评价该单元区段轨道平顺性综合质量状态的轨道质量指数。其计算公式为：711271)(1injiijiixxnTQI局部不平顺幅值超限评分法与轨道质量指数评价法的比较局部不平顺幅值超限评分法能够找出轨道的局部病害及病害的类型、程度和所在位置，作为指导现场紧急补修非常实用，但仅用超限点峰值的大小、超限的数量及扣分多少，不能全面地评价轨道区段的质量状态，比如不能反映周期性不平顺所产生的谐波的影响。轨道质量指数评价法能够判别轨道质量的均衡性，能做出更为符合实际情况的评价。但是这两种方法都是从轨道不平顺幅值的角度出发来评价轨道平顺状态的，因此都具有一些局限性。轨道不平顺的功率谱密度能清楚地表明某一段轨道不平顺所包含的波长成份及各波长成分的均方值密度，能够提供轨道不平顺幅值和波长两方面的信息，可以对利用局部不平顺幅值超限评分法和轨道质量指数评价法对轨道平顺性进行评定时做出有益的补充。在我国，许多科技人员已经做了大量工作，但是还没有形成较为通用的轨道谱，铁路平顺状态的评定和管理应用中，轨道谱的应用也十分有限。