高速铁路轨道维修理论

➢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、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
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
脱轨理论 古典脱轨理论：NADAL准则，脱轨系数与 减载率
H P 1.0
P 0.6 P
垂向力
3
横向力
内
脱轨系数
轮
垂向力
4
横向力
外
脱轨系数
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712~729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2048，30~31次平均
➢ 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
使用调整软件，可同时控 制各种波长的不平顺！
➢ 长波不平顺靠修，影响行车平稳性
3
2
调整前实测值 调整后模拟值
调整后实测值
1
水平 /mm
0
-1
-2 0
20
40
60
80
100
岔枕号
武广线水平调整实例
二、轮轨关系控制理论
1、轮轨关系的重要性 ➢ 影响行车安全性 ➢ 影响行车平稳性
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
某车站6#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 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：
高低不平顺/mm 方向不平顺/mm
4
3
2
1
0
-1 -50
0
50
100
150
岔枕号
高低不平顺
1 0 -1 -2 -3 -4 -5
-50
0
50
100
150
高速铁路轨道维修理论
主讲人：王 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
2、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 可能引起轮轨强烈的冲击振动，产生很大的轮轨 作用力。
以0.1mm低凹焊缝为例： 如160km/h的轮轨作用力约为206kN，则 300km/h时的轮轨作用力就已达到了490kN。 由此可见： 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。
经过上述研究，我国高速道岔采用了
特有的缩短轮载过渡范围设计，轮轨过渡 范围由过去常规的顶宽20~50mm缩短至顶 宽15~40mm。这种创新设计与德国道岔 FAKOP轨距加宽设计具有相同的行车舒适性。
由此，在高速道岔制造、铺设技术条 件中对尖轨及心轨顶宽20、35mm等控制断 面与基本轨、翼轨的相对高差做了严格规 定，其偏差不得超过1mm。
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 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 间的横向蠕滑力不均作用时间长，列车直向过岔 时的平稳性就越低。
机理：横向接触点变化引起横向蠕 滑力，导致车轮趋向尖轨移动
合武轨道谱
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轨向得到明显 改善，且低于德国低干扰谱；
➢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。
1
10 规范要求控制下 建议要求控制下
0
10
-1
10
10-2
10-3
10-4
-4
-3
-2
-1
0
10
10
10
10
10
空 间 频 率 （ 1/m）
图1 人体器官固有频率
谱 密 度 PSD（ mm 2/(1/m)）
2、道岔轮轨关系不良是引起晃车的主要原因
至钢轨顶面高/m
等效锥度 至尖轨尖端距离/m
0.02
0.00
-0.02
-0.04
0.68
0.72
0.76
0.80
至轨距线距离/m
尖轨顶宽20mm处轮轨接触
0.5
0.0
-0.5
-10
-5
轮对横移量0/mm 5
10
10 8 6 4 2 0
转辙器部分等效锥度分布
道岔动力学研究表明：尖轨与基本轨的顶面高
高速铁路首先要控制长波长不平顺！
2: 2 2
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！ 160~200km/h铁路上32m简支梁也是引起振动的根源！
表现形式：尖轨侧磨、列车横向移 动而晃车
规律：横蠕滑力越大，晃车越严重
竖向不平顺/mm 横向不平顺/mm
1.6 1.2 0.8 0.4 0.0
0
TB踏面 LM踏面 LMA踏面
2
4
6
8
10
至尖轨尖端距离/m
30 20 10
0 -10
0
TB踏面 LM踏面 LMA踏面
2
4
6
8
10
至尖轨尖端距离/m
转辙器部分竖向不平顺 转辙器部分横向不平顺
2: 2 2
一、轨道不平顺控制理论
1、1HZ现象
法国、日本高速铁路经历了近 十年的不明原因晃车困扰！
➢ ➢
列车一阶竖向自振频率在1HZ左右
共振频率范围为 2 : 2
f0
1 2
k 1Hz, k 1.60MN / m, m 48t m
2
f1
V 3.6l
➢ 对应于350km/h的不平顺共振波长为68.7~137.5m 采用70~120m弦长 ➢ 对应于250km/h的不平顺共振波长为49.1~98.2m 采用50~80m弦长 ➢ 对应于200km/h的不平顺共振波长为39.3~78.6m 采用40~60m弦长 ➢ 对应于160km/h的不平顺共振波长为31.4~62.8m 采用30~50m弦长 ➢ 对应于120km/h的不平顺共振波长为23.6~47.1m 采用20~30m弦长 ➢ 对应于80km/h的不平顺共振波长为15.7~31.4m 采用10~20m弦长
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
高低频数分布对比图
2000000
1500000
频 数10Βιβλιοθήκη 00005000000
2010年12月 2011年11月 2011年12月
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
高低
常规方法已很难使TQI值进一步降低
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。
孟宝线打磨前后轨道谱
孟宝线于今年11月对K0~K60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1~3m范围内打磨对高低有明显改善效果。
动态分析系统
4、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。
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t≥0.05 s时，其限度 值为0.8； 当t＜0.05 s时，脱轨系 数限界值应满足以下条件 (Q/P)max≤0.04/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。
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 确量值，有针对性地对道岔几何状态进行 养护控制。
高速铁路轨道不平顺虚拟弦线法空间曲线检测 方法
Laser 发光部 受光部1
受光部2 受光部3
轨道不平顺
Laser 基准线
车体长=25ｍ 测定框 传感器
3.3m
17.5m
偏心矢方向
当尖轨与基本轨
顶面高差远低于设计 值时，轮载过渡范围 为尖轨顶宽40~65mm， 因此直尖轨侧面有较 明显的轮缘贴靠痕迹， 说明轮对横移量较大， 范围较广，从而导致 行车平稳性较差。更 换合格的新尖轨后， 晃车现象立即消除了。
铁路道岔尖轨顶面超差 京沪线黄渡车站道岔例子
3、以芜湖东编组场驼峰下6号对称道岔脱轨事故分析 为例
当动车组以 250km/h的速度直 向过岔时：
尖轨跟端焊接不平 顺在0.2mm/m范围 内，减载率不超过 0.3；
尖轨跟端焊接不平 顺达到0.7mm/m时， 减载率已超过了0.6 的安全限度。
焊缝不平顺为0.7mm/m时的减载率
3、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
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 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，波长 短于2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。
焊缝不平顺为0.2mm/m时的减载率
弦测法动态测量，波长<30m
加速度计
2次积分器 钢轨
轨道不平顺
方式 I
加速度计 位移计
2次积分器
钢轨
高频滤波器
轨道不平顺
方式 II
惯性基准法动态测量，波长 <70m
基于CPⅢ网静态绝对测量 轨道空间线型，速度慢
部分路局采用的具有 静态绝对及相对测量功能 的轨检仪，误差较大
激光准直仪，精度低
双轨测量小车
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。
武广轨道谱
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；
OC3(ZC3) XC3
YC3
OC2(ZC2) XC2
YC2
OC1(ZC1) XC1
YC1
13号车钩平面变位示意图
13号车钩立面变位示意图
工况
轮
垂向力
1
横向力
外
脱轨系数
轮
垂向力
1
横向力
内
脱轨系数
轮
垂向力
2
横向力
外
脱轨系数
轮
2 抬内 升 力轮
3 外
垂向力 横向力 脱轨系数 垂向力 横向力 脱轨系数
轮
岔枕号
方向不平顺
不平顺进行检测后发现，该道岔正好位
于波长为80米的高低不平顺中，不平顺幅度 约为4mm，同时还位于波长为82米的方向不 平顺中，不平顺幅度约为5.5mm，这就是引 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 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 各200米以上的区间线路视为一个独立检测 单元；
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0.6~300m。
检测原理：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 分析理论：虚拟弦长得到长波不平顺
评估理论：研究考虑波长影响的轨道质量指数分析法 控制理论：研究长、中、短波不平顺的最佳控制方法 现场试验：优化检测系统并在现场测试验证
OI(ZI) YI
XI
岔前曲线长为
上股
部缓出口接头
XI
OI(YI)
曲线起点
ZI
下股
部缓出口接头
XI
OI(YI)
曲线起点
ZI
导曲线
岔后曲线
曲线终点 曲线起点
曲线终点
曲线终点
曲线起点
部缓入口接头
曲线终点 导曲线起点
导曲线终点 曲线起点
曲线终点
部缓入口接头
OI(ZI) XI
YI
不考虑道岔时的列车动力仿真分析