保障轨道交通安全运行的轨道检测技术及设备

保障轨道交通安全运行的轨道检测技术及设备 瞿 锋1 吴 强1 黄玉纯2 ( 1. 上海地铁运营有限公司工务分公司, 200233, 上海; 2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室, 200092,上海M第一作者,经理, 工程师) 摘 要 随着上海轨道交通运营里程的增加,工务部门检测 的任务也日益繁重。目前的人工检测手段不仅效率低, 而且 容易出现错判、漏判, 从而给安全运行埋下隐患。通过介绍 国内外一些先进检测技术,强调工务部门应着手采用诸如轨 检车和探伤车等大型无损检测设备, 以便对线路的平顺性、 限界及钢材和轨道下部混凝土结构的伤损进行快速检查。 实现工务管理由人工静态型向仪器动态型转变,保证轨道交 通运行的安全、准点、平稳运行。 关键词 城市轨道交通, 运行安全, 轨道检测 中图分类号 U 216. 3 Track Detection Technology and Testing Equipment Qu Feng, Wu Qiang, Huang Yuchun Abstract Wit h t he incr ease of running mileage in Shanghai mass transit, the inspection of maintenance sections is becoming more and more strenuous. A t present, the inspection and main- tenance are still carried out manually, it is not only inefficient, but also tends to make mistakes. On the basis of the advanced inspection technolog y in the world, this paper proposes to im- po rt lar ge-scale facilities like track inspection car and rail detect- ing car, argues that they will guarantee the security and stead-i ness of the vehicle running. Key words urban rail transit, running safet y, track detection Firs-t author. s address Shanghai Metro Operat ion Co. L td. , 200233, Shanghai, China 目前上海市投入运营的几条轨道交通线路大部 分采用的是无碴轨道形式。这是一种/省维修0的轨 道结构。但/省维修0不等于/不维修0。随着日客流 量的不断增长和隧道结构的沉降变形, 线路的几何 形位也会产生变化, 轨道结构也会产生损坏, 这都对 轨道设备的安全性提出了更高的要求。此外, 上海 轨道交通投入运营的里程也在不断增加, 对于工务 管理部门来说, 将面临着越来越繁重复杂的任务。 这其中主要是轨道线路的检测难度及工作量将大幅 度增加。而目前工务分公司的检测手段主要是人工 检测,效率不高,已经无法适应轨道交通快速发展的 需要。 通过参考国内外轨道交通工务设备的各种检测 技术,本文提出应尽快着手引进大型轨道检测机械 设备,如大型轨道检查车、大型钢轨探伤车、轨道限 界及静态轨检仪、雷达检测车等,以便对线路的几何 不平顺、限界,以及钢轨和轨道下部混凝土结构的伤 损进行快速检查, 保证列车的安全、正点、平稳运行。 1 引进大型检测设备的必要性 2004年 11月 9日,香港地铁观塘线石硖尾至 太子站区间钢轨在上班高峰期间被发现出一道约 8 cm 长、1 mm 宽的裂缝, 导致列车服务受阻 3 h, 约 2. 5万名乘客受到影响。这是香港地铁通车 20多 年来的首宗罕见事故,也是香港地铁在 1 个月内发 生的第 10宗事故。事后经过调查发现,出现裂缝的 钢轨仅使用了 5 年, 而钢轨更换周期为 10年,并不 存在钢轨超期服役的现象。而且 10 天前专业人员 还对该段钢轨进行过检查, 并没有发现问题。如果 不是及早发现这条裂缝的话,最终有可能会导致列 车出轨事故。 香港地铁的这次故障提供了一个很好的警示作 用:随着工务部门管理的轨道交通线路越来越长,单 靠人工检查作业不仅速度慢,而且受主观因素影响 较大,精度不高; 有些病害并不能完全检测出来, 这 样就给轨道交通的安全性埋下了隐患。一旦出现象 香港地铁这样的故障, 那将会造成极其恶劣的影响。 在日常维护过程中,工务管理部门一定要以客 观事实为依据, 依靠科学的手段来实施养护维修。 在轨道检测作业方面, 绝不能单纯依靠人工手段,而 是要依靠现代化的大型轨道检测机械设备,把人在 常规检查中不能发现的病害检测出来, 同时也把人 从繁重的体力劳动中解放出来。只有依靠科学技 术,才能养护好轨道线路,确保轨道交通运营的绝对 #21# 第 3期 百家论坛 安全。可以说, 引进大型轨道检测机械设备, 已经成 为目前工务部门亟待解决的问题。 2 几种检测技术 2. 1 激光光电技术 在测量轨道几何形位变化及限界检测中(如大 桥、长隧道的宽度有无变化) , 激光光电技术是主要 测量技术。其主要原理是: 激光器发出的激光经被 测物体反射后, 由线性扫描接收器根据光点位置变 化确定被测物体的外形情况。 2. 2 图象处理技术 图象处理技术用于轨道各种不平顺的检测。另 外在轨道部件状态的检测中, 采用该技术可全面地 监测轨道部件状态,如扣件脱落、螺栓松动、鱼尾板 断裂、钢轨磨耗、道床路基水侵、坍落等异常状况。 2. 3 计算机技术 计算机技术的发展极大地推动了轨道检测技术 的发展,不仅扩大了检测项目, 而且提高了检测精 度、工作稳定性和可靠性,实现了同步检测。它起到 了两方面的作用:一是与传感器、模拟处理系统构成 统一的模拟数字混合处理检测系统,完成轨道的检 测;二是对测量结果进行统计分析及评价,为科学管 理和维修决策提供科学依据。 2. 4 超声波探伤技术 超声波在固体、液体中有不同的传播速度,但在 空气中则几乎不能传播。超声波探伤原理就是利用 声波在不同介质中的传播特性进行工作。将 20 万 Hz的声波射入钢轨中, 当遇到钢轨伤损时, 根据反 射回来的讯号, 即可判断伤痕的大小及位置。 2. 5 雷达测试技术 除了军事上的用途之外, 现在雷达无损检测技 术还广泛应用于隧道衬砌以及地质情况的检测方 面。其实质是一种特高频电磁波发射与接收技术: 利用自身激振产生的雷达波直接发射到道床和路基 中,通过波的反射与接收得到道床和路基的采样信 号,再经过硬件与软件及图文显示系统得到检测结 果,可分析道床和路基的病害发生地点及变化趋势。 3 需要采用的设备 3. 1 大型轨道检查车(以下简称轨检车) 根据国内外轨道养护维修的多年成熟经验, 用 大型轨道检查车[ 1] (简为/轨检车0)检查线路是最 有效的动态检查手段。它能为工务部门提供轨道状 态信息,评价工作质量,为轨道设备经常保持均衡良 好状态,确保列车按规定速度安全、平稳、不间断运 行提供技术保障。目前工务分公司对线路检查采用 的只是人工的静态检查, 受各项因素干扰大。随着 运营里程不断增加, 对线路轨道采用轨检车进行动 态综合检查已经成为十分必要的检查手段。目前轨 检车在北京、广州、深圳地铁上已经被广泛采用, 值 得借鉴。 相比人工检测手段,轨检车具有以下特点: 1) 可靠度高。传统人工静态检查采用的是接 触式检查,由于仪器本身具有误差或人工操作视线 的误差, 会造成一定量的偏差。而轨检车采用的是 非接触式测量,轨检系统应用了图象传感器、惯性传 感、光、陀螺、自动控制、数字处理、计算机等先进技 术;还采用了信号模拟滤波和数字模拟滤波相结合 的处理方式,轨道几何参数通过计算机合成,动态情 况下检测轨道有很高的精度,不会出现人工检查产 生的偏差。另外, 1 km 线路上人工检测采样点为 320个,而轨检车最高采样点可达到 4000 个, 这就 使得检测数据更能准确、科学地反映轨道的状态,检 测数据可靠度大大增强。 2) 功能全面。轨检车除了能对轨道的轨距、方 向、高低、水平以及曲线超高、曲率进行检测之外,还 能对车体的水平振动加速度、车体垂直振动加速度 等项目进行检测, 并且能对检测数据进行实时分析 处理。它能实时打印公里小节表、区段总结表、曲线 摘要报告表、超限报告表和轨道质量指数表等, 摘取 超限位置、超限项目、超限峰值、超限长度等,并把检 测项目结果实时显示在显示屏和波形纪录纸上; 还 可储存在处理系统中, 以便随时查看对比。 3) 科学性强。相对于轨道的人工静态检查,轨 检车对轨道进行动态检查更能反映出线路上有车体 运行时的实际轨道几何状态,以及在静态状况下难 以发现的线路病害。轨检车动态检查和人工的静态 检查可形成很好的互补。同时, 由于轨检车配置的 先进检测设备、数据处理系统以及先进的检测理念, 能够保证轨检车在高速状态下对线路进行检测(按 照客车行驶的实际速度检测更能反映出线路在该速 度下的实际情况) ,并且都能对检查出的数据进行实 时输出,并对线路作出评判,大大提高了检测的科学 性。 4) 检测效率高。轨检车行进速度一般情况下 为 60 km/ h,这就比人工检查线路节约了很多时间, #22# 城市轨道交通研究 2007年 大大节省了工作量, 检测效率大幅度提升。 上海的轨道交通已经初步形成网络,其中: 1、2 号线有联络通道; 3、4号线有 9 站共线运营; 1、3号 线则可以利用国铁摆渡相通; 1、5号线也正在规划 建设联络线;将建成的的 6~ 13号线也将相连。这 就为将来轨检车跨线检测提供了联络通道, 从而形 成/一点有障,八方支援0的局面。只要引进约 2 台 轨检车便足以承担整个 13条线路的轨道动态检查 任务。 3. 2 大型钢轨探伤车 钢轨状态的好坏直接决定着线路的质量和运营 的安全。前述香港地铁的故障就是因为钢轨探伤工 作没做好而导致了行车中断。因此,探伤工作也是 工务分公司工作的重点之一。这是一项技术性、责 任性很强的工作,要求探伤人员在探伤期间注意力 保持高度集中。但目前探伤部门使用探伤小车进行 钢轨探伤时易受环境因素和主观因素影响: 对于同 一处损伤,不同的人可能得出不同的结论;当工作量 增大之后,还容易产生探伤人员因疲劳而导致错判、 漏判现象,产生一定的安全隐患。 而大型钢轨探伤车(简为探伤车)则不存在以上 问题。它使用的是计算机控制系统,对钢轨的伤损 会依据设计软件作出正确的判断,一般不会受外界 的影响,能够得出比较准确的结论,具有很高的可靠 度。另外,探伤车在进行探伤作业时,速度一般能够 达到 40 km / h, 最高可达 80 km/ h, 这比人工探伤 2 ~ 3 km/ h的速度提高了很多倍。而且 1 台探伤车 上只需要 3~ 4名工作人员进行计算机操作。而在 人工探伤中,一条线路(单行)至少需要 4 人。这不 仅节约了大量的人力, 而且使探伤人员的工作强度 大大降低。 根据以上特点,工务部门完全可以参照国铁的 探伤车运行 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,采用一动一拖的形式,使用探伤车 来代替钢轨探伤仪进行钢轨母材探伤, 省出人工进 行站场线和焊缝的探伤检测。当然,实际作业情况 下还要考虑作业条件、作业时间、线与线之间的联 络,以及车辆进出库、检测系统的保养等众多因素。 3. 3 雷达检测车 雷达检测车[ 2]是运用雷达无损检测技术的成 果。引进这样一台设备将会给轨道交通的隧道衬砌 和基础检查带来巨大的便利。以上海市轨道交通 1 号线为例,其大部分线路均敷设在地下隧道结构中。 由于隧道限界狭小以及光线等原因, 隧道衬砌出现 的裂缝和结构问题往往很难通过肉眼检测出来; 若 采用人工取样检测,不仅效率低,还要对结构造成损 坏。长此以往,将会给轨道交通的运营带来巨大的 安全隐患。而雷达检测车可以对其衬砌及路基病害 进行快速、无损和连续检测, 不仅大大节省了人工, 提高了工作效率, 还可以排除各种因素的干扰, 获得 真实信息,也不会对结构造成破坏,也不影响行车。 3. 4 检测的有效性问题 引进先进的轨道检测设备之后,如何保证检测 的有效性是工务部门最关心的问题。目前各种大型 检测机械的技术都比较成熟,检测数据能够满足精 度要求, 真实地反映轨道的实际状况。例如北京地 铁在 2005年向美国 ENSCO公司定购的大型轨道 检查车[ 3] ,在正挂和反挂、顺跑和逆跑时不会产生 方向性问题, 可避免误差而且其惯性轨检系统最低 速度是 20 km / h, 可以满足大部分城市地铁速度的 要求。同时, 一些轨道管理相关软件的使用也是完 成检测任务的重要保障, 最终解决检测的有效性问 题。 4 结语 上海市的轨道交通正在快速发展, 运营线路越 来越长, 工务部门的检测和维护任务也日益繁重。 如果还是单靠人工检测,不仅效率低,而且容易出现 错判、漏判等现象, 从而给轨道交通的安全埋下隐 患。参照目前国内外一些先进的检测技术,本文提 出工务部门应引进诸如轨检车和探伤车等大型检测 设备,实现工务管理由经验化转向信息化、由人工静 态型向仪器动态型转变, 从而保证轨道交通的运行 安全。 参考文献 [ 1] 邓学通,叶一鸣.准高速轨检车检测原理及应用[ M ] .北京: 中 国铁道出版社, 2004. [ 2] 郭秀军,韩宇,孟庆生,等.铁路路基病害无损检测车载探地雷 达系统研制及应用[ J] .中国铁道科学, 2006, 27( 5) : 139- 144. [ 3] 上海地铁运营有限公司工务分公司.北京地铁调研报告 [ R] . 上海地铁运营有限公司, 2006. (收稿日期: 2006- 10- 10) #23# 第 3期 百家论坛