第第 1 页页 共共 24 页页 利用等腰直角三角形原理测量高速铁路动态位移利用等腰直角三角形原理测量高速铁路动态位移 摘摘 要要 本项目利用等腰直角三角形的几何特性，实现了激光测距仪从单一的测距功能转换本项目利用等腰直角三角形的几何特性，实现了激光测距仪从单一的测距功能转换 成能够测量列车通过钢轨时的综合动态位移。这项测量技术可以为高速铁路的动态成能够测量列车通过钢轨时的综合动态位移。这项测量技术可以为高速铁路的动态 位移测量提供准确数据，减小高速列车动态冲击力对钢轨的损害，延长钢轨使用寿位移测量提供准确数据，减小高速列车动态冲击力对钢轨的损害，延长钢轨使用寿 命及改善高速铁路的旅行舒适度具有重要意义。命及改善高速铁路的旅行舒适度具有重要意义。 关键词关键词 高速铁路、动态位移、等腰直角三角形、几何特性、测量、激光测距仪高速铁路、动态位移、等腰直角三角形、几何特性、测量、激光测距仪 引言引言 每当我们坐在火车上，望着从车窗渐渐远去的田野、村庄，脑海里总是出现电影里法国、每当我们坐在火车上，望着从车窗渐渐远去的田野、村庄，脑海里总是出现电影里法国、 日本等国家高速列车飞驰而过的情景，那种既快速又舒适的列车我国什么时候能够出现呢？日本等国家高速列车飞驰而过的情景，那种既快速又舒适的列车我国什么时候能够出现呢？ 这一天终于来了，这一天终于来了，2007 年年 4 月月 18 日，我国铁路成功实施了第六次大面积提速，列车运日，我国铁路成功实施了第六次大面积提速，列车运 行时速达到行时速达到 250 公里，如蚌埠到上海从原来的公里，如蚌埠到上海从原来的 7 个小时左右，到目前只需个小时左右，到目前只需 3 个半小时，时间个半小时，时间 大大缩短。但是每当我们坐在高速运行的动车组列车上，发现列车车箱显示板上显示的列车大大缩短。但是每当我们坐在高速运行的动车组列车上，发现列车车箱显示板上显示的列车 速度并没有全部达到速度并没有全部达到250km/h， 有的地段甚至只有， 有的地段甚至只有 80km/h， 大部分运行速度都在， 大部分运行速度都在 160km/h 200km/h，只有快到上海时有一小段的时间显示列车时速达到，只有快到上海时有一小段的时间显示列车时速达到 250km/h；列车运行期间有时；列车运行期间有时 还出现了列车明显摇晃，降低了旅客列车旅行舒适度，这是什么原因呢？为什么列车大部分还出现了列车明显摇晃，降低了旅客列车旅行舒适度，这是什么原因呢？为什么列车大部分 运行速度都在运行速度都在 160km/h200km/h， 而不是， 而不是 250km/h？列车摇晃情况是否会给列车和旅客带？列车摇晃情况是否会给列车和旅客带 来安全隐患，是不是铁路线路高低、左右不稳定或列车车轮不圆等因素造成的，是否能够检来安全隐患，是不是铁路线路高低、左右不稳定或列车车轮不圆等因素造成的，是否能够检 测呢， 铁路部门为什么没有全部解决这些问题？带着这些问题， 我和我的同学杨白雨商量后，测呢， 铁路部门为什么没有全部解决这些问题？带着这些问题， 我和我的同学杨白雨商量后， 决定打开这些迷团，为此开始了我们的调查研究。决定打开这些迷团，为此开始了我们的调查研究。 一、问题的提出一、问题的提出 在老师的支持下，我们走访了安徽省蚌埠铁路工务段的铁路线路维修工人，同时又查阅在老师的支持下，我们走访了安徽省蚌埠铁路工务段的铁路线路维修工人，同时又查阅 大量的文献资料，特别是我们在“中国铁道论坛大量的文献资料，特别是我们在“中国铁道论坛1”中的“工务专区”上得到很多我们不了”中的“工务专区”上得到很多我们不了 解的知识，比如铁路轨道是整个运输系统的基础，而轨道的几何状态包括轨距、水平和不平解的知识，比如铁路轨道是整个运输系统的基础，而轨道的几何状态包括轨距、水平和不平 顺等等。列车高速运行时，轨道存在着轨距递减、钢轨接头（焊缝） 、线路不平顺（由于轨枕、顺等等。列车高速运行时，轨道存在着轨距递减、钢轨接头（焊缝） 、线路不平顺（由于轨枕、 道床、垫板及焊接等状态不良造成线路或钢轨接头（焊缝） 、道岔处的横向和垂向相对位移量道床、垫板及焊接等状态不良造成线路或钢轨接头（焊缝） 、道岔处的横向和垂向相对位移量 过大）等，从而导致列车的横向加速度和垂向加速度突变。这种现象会影响旅客乘坐的舒适过大）等，从而导致列车的横向加速度和垂向加速度突变。这种现象会影响旅客乘坐的舒适 度，严重时会增大列车脱轨系数，等等。度，严重时会增大列车脱轨系数，等等。 同时我们在铁路科研技术人员的帮助下，调阅了部分列车事故、故障案例，如据上海铁同时我们在铁路科研技术人员的帮助下，调阅了部分列车事故、故障案例，如据上海铁 路局南京桥工段管内线路统计，路局南京桥工段管内线路统计，2007 年，每月发生年，每月发生级严重超限地段约级严重超限地段约 5 次以上（由于严次以上（由于严 重晃车造成紧急停车一次重晃车造成紧急停车一次8） ，） ，级超限地段约数十次以上，给线路维修带来非常大的困难。级超限地段约数十次以上，给线路维修带来非常大的困难。 通过我们的实际调研和查新，并通过电话咨询了铁道部科技司计量处专家冯双洲处长，据他通过我们的实际调研和查新，并通过电话咨询了铁道部科技司计量处专家冯双洲处长，据他 介绍： “高速铁路和高速列车在我国刚刚起步，很多测量设备没有研究生产，目前铁道部制定介绍： “高速铁路和高速列车在我国刚刚起步，很多测量设备没有研究生产，目前铁道部制定 的技术规范基本上是依据静态检测数据结合现场检修经验制定的，铁路部门在高速铁路的横的技术规范基本上是依据静态检测数据结合现场检修经验制定的，铁路部门在高速铁路的横 向、垂向动态位移量检测等重要项目测量手段滞后” 。因此，如何能够在火车高速运动中，快向、垂向动态位移量检测等重要项目测量手段滞后” 。因此，如何能够在火车高速运动中，快 速准确的检测轨道的状态变化显得极为重要。速准确的检测轨道的状态变化显得极为重要。 造成铁路线路横向、垂向动态位移量过大的主要原因造成铁路线路横向、垂向动态位移量过大的主要原因 由于铁路道床经过长期的雨水渗透和列车的重荷运行通过，造成道碴粉碎，形成道床由于铁路道床经过长期的雨水渗透和列车的重荷运行通过，造成道碴粉碎，形成道床 板结甚至翻浆，道床弹性降低，列车经过时，钢轨垂向位移逐渐加大；另外由于道床弹性严板结甚至翻浆，道床弹性降低，列车经过时，钢轨垂向位移逐渐加大；另外由于道床弹性严 重不均匀，造成列车通过时线路垂向位移瞬间突变而超限；重不均匀，造成列车通过时线路垂向位移瞬间突变而超限； 在维护轨道线路时，捣固道碴不均匀（松散） 、造成轨枕下面的道碴密实度不一致，部在维护轨道线路时，捣固道碴不均匀（松散） 、造成轨枕下面的道碴密实度不一致，部 分线路和接头处出现空吊情况，产生横向或垂向位移；分线路和接头处出现空吊情况，产生横向或垂向位移； 由于基床原因，轨道发生整体下沉，线路不均匀下沉，造成线路整体发生位移；由于基床原因，轨道发生整体下沉，线路不均匀下沉，造成线路整体发生位移； 由于钢轨扣件不紧固、钢轨表面不平顺等原因造成列车通过瞬间发生轨道线路横向、由于钢轨扣件不紧固、钢轨表面不平顺等原因造成列车通过瞬间发生轨道线路横向、 垂向动态位移量的动态变化和增大；垂向动态位移量的动态变化和增大； 以上原因是造成线路横向、垂向位移量过大的主要原因，其中不良处尤以曲线、道岔、以上原因是造成线路横向、垂向位移量过大的主要原因，其中不良处尤以曲线、道岔、 接头焊缝处为甚。列车速度的提升、线路横向、垂向位移量过大，直接影响高速铁路运行安接头焊缝处为甚。列车速度的提升、线路横向、垂向位移量过大，直接影响高速铁路运行安 全及旅行舒适度。全及旅行舒适度。 第第 2 页页 共共 24 页页 钢轨几何参数（横向、垂向等）位移量大小与列车晃车的关系钢轨几何参数（横向、垂向等）位移量大小与列车晃车的关系 冲击动力系数冲击动力系数 k 计算计算: 我们在我们在 2007 年年 10 月月 1 日国庆节期间， 专门走访了家住安徽蚌埠的上海铁路局工务处周日国庆节期间， 专门走访了家住安徽蚌埠的上海铁路局工务处周 毅高级工程师，根据他提供的铁路线路维修规则毅高级工程师，根据他提供的铁路线路维修规则2，我们了解到：提高行车速度对轨面，我们了解到：提高行车速度对轨面 不平顺敏感性很大，小量的不平顺将导致车轮对钢轨的极大冲击而导致产生裂纹或折断。不平顺敏感性很大，小量的不平顺将导致车轮对钢轨的极大冲击而导致产生裂纹或折断。 设动力系数设动力系数k 表示列车在踏面有局部不平顺的钢轨上运行时，车轮对钢轨作用力的增长表示列车在踏面有局部不平顺的钢轨上运行时，车轮对钢轨作用力的增长 情况，它与行车速度情况，它与行车速度v的平方及比值的平方及比值Lh/成线性关系，并近似用下式来确定：成线性关系，并近似用下式来确定： 式中式中 h不平顺深度（不平顺深度（mm） ；） ；L不平顺长度（不平顺长度（m） ；） ；v列车速度（列车速度（km/h） 。） 。 下面以列车速度为下面以列车速度为 250 km/h，钢轨或线路垂向位移量为，钢轨或线路垂向位移量为 5mm，以，以 1m 的钢轨计算单位的钢轨计算单位 为例（由于车轮冲击动力系数与长度成反比，故以最不利的为例（由于车轮冲击动力系数与长度成反比，故以最不利的 1m 情况计算）进行分析：情况计算）进行分析： 可以看到：冲击力为平顺线路的可以看到：冲击力为平顺线路的 27.56 倍。倍。 根据式，我们计算出列车速度为根据式，我们计算出列车速度为 250 km/h，钢轨为，钢轨为 1m 时，钢轨不平顺深度与冲击力时，钢轨不平顺深度与冲击力 对应表，如下表：对应表，如下表： 不平顺深度（不平顺深度（mm） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 冲击动力系数冲击动力系数 6.31 11.63 16.94 22.25 27.56 32.88 38.19 43.50 48.81 54.13 表表 1 钢轨不平顺深度与冲击力对应表钢轨不平顺深度与冲击力对应表 根据表根据表 1 画出列车速度为画出列车速度为 250 km/h 时，钢轨不平顺与冲击力动力系数关系图，如下图：时，钢轨不平顺与冲击力动力系数关系图，如下图： 旅客舒适度评价旅客舒适度评价 那么如何评价线路不稳造成列车的晃车等级呢？根据周毅高级工程师提供给我们的铁道那么如何评价线路不稳造成列车的晃车等级呢？根据周毅高级工程师提供给我们的铁道 部技术规定既有线提速部技术规定既有线提速 200250km/h 线桥设备维修规则线桥设备维修规则3和车载式线路检查仪暂行和车载式线路检查仪暂行 技术条件技术条件4，可以看到表，可以看到表 2 作为评价机车（动车组）摇晃和线路动态质量容许偏差的管理作为评价机车（动车组）摇晃和线路动态质量容许偏差的管理 值，它是位移测量的技术标准重要参数，这是铁路线路维修和改造的技术标准。值，它是位移测量的技术标准重要参数，这是铁路线路维修和改造的技术标准。 项目项目 级级 级级 级级 级级 轨距（轨距（mm） +4 - 3 +6 - 4 +8 - 6 +12 - 8 水平（水平（mm） 5 8 10 13 波长波长 1.542m，高低（，高低（mm） 5 8 11 14 160km/h 检测时，车体垂向加速度（检测时，车体垂向加速度（g） 0.06 0.10 0.12 0.16 160km/h 检测时，车体横向加速度（检测时，车体横向加速度（g） 0.06 0.10 0.15 0.20 表表 3 火车时速在火车时速在 200km/h250km/h 时，轨道动态质量容许偏差管理值时，轨道动态质量容许偏差管理值5 由此可见，线路的横向、垂