如今，一種新型的系統(tǒng)化維護(hù)方法可以及時(shí)測(cè)量、定位和維修鐵路及有軌電車軌道出現(xiàn)的問題。結(jié)合成熟的鐵路工程技術(shù)手段和先進(jìn)技術(shù)，包括Blackfin®處理器和圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，可改進(jìn)和優(yōu)化公共交通。
在過去的十年中，鐵路或有軌電車已成為一種廣受歡迎的公共交通工具。尋求一種舒適及安全的交通工具的旅客不斷增多。運(yùn)輸負(fù)荷提高就需要更高的列車速度并縮短停頓間隔，因而也使鐵軌和電車處于更大的機(jī)械應(yīng)力之下，從而導(dǎo)致不可避免的過早磨損和惱人甚至危險(xiǎn)的故障(圖1)1。處理這些應(yīng)力對(duì)鐵路和有軌電車軌道造成的損害，就需要更加強(qiáng)調(diào)監(jiān)控和維護(hù)。ADI公司的Blackfin處理器2和NI公司的圖形化可編程LabVIEW™3技術(shù)在鐵軌檢查系統(tǒng)中扮演著核心角色，獲取準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)，以便采取進(jìn)一步行動(dòng)，這樣能延長(zhǎng)鐵軌的工作壽命，提高公共交通服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。
圖1：系統(tǒng)化的鐵軌維護(hù)理念包括測(cè)量、定位和維修鐵軌故障
鐵軌：揭開背后的秘密
當(dāng)新的鐵路和電車軌道鋪設(shè)好后，在澆注混凝土之前要進(jìn)行正確的軌道位置校驗(yàn)以確保質(zhì)量。完成安裝后隨著時(shí)間的推移，在日常運(yùn)行中問題不可避免地開始出現(xiàn)、蔓延。這些問題是由車輪與鐵軌之間的機(jī)械接觸應(yīng)力造成的，這些應(yīng)力是極為復(fù)雜的彈簧 -質(zhì)點(diǎn)模型的一部分，其力學(xué)范圍涉及從列車的底盤和負(fù)載到鐵路地基。在歐洲，這些問題的臨界參數(shù)和容差范圍可按照鐵路工程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。4–16鐵路維護(hù)的目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)和測(cè)量這些問題，并使它們保持在可接受的水平。
圖2：鐵軌參數(shù)分為軌道幾何形狀、縱向形貌和橫截面三類
軌道幾何形狀
鐵軌的規(guī)格或者說兩條軌道之間的距離會(huì)影響列車一側(cè)到另一側(cè)的運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)使車輪和鐵軌的接觸點(diǎn)不斷移動(dòng)，以使磨損減至最低。
軌道傾斜度的變化會(huì)帶來搖晃和振動(dòng)。傾斜的缺陷通常由鐵路地基的變形引起，鐵軌表面的起伏不平和孔洞也會(huì)引起傾斜。不過，有些系統(tǒng)性的傾斜面是必要的，這是為了在進(jìn)入和離開彎道時(shí)盡量減少加速對(duì)旅客造成的不適。
恰當(dāng)?shù)能壍杰夐g隔避免了當(dāng)列車高速迎面經(jīng)過時(shí)造成相撞事故的任何可能性。
縱斷面形貌
裂縫和斷裂是最讓人擔(dān)心的缺陷之一，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的結(jié)果，如脫軌。特征波長(zhǎng)為20毫米至100毫米的鐵軌波紋起伏在振幅超過0.05毫米時(shí)會(huì)形成一種煩人的噪聲。另一方面，其波峰為0.3毫米時(shí)，這種振動(dòng)會(huì)對(duì)鐵路路基造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。波紋會(huì)沿著鐵軌蔓延，在科學(xué)意義上目前還弄不清楚它們是如何產(chǎn)生的。單個(gè)孔洞大多由轉(zhuǎn)彎或車輪跳動(dòng)造成，并可用數(shù)學(xué)多項(xiàng)式表達(dá)。它們是造成有軌電車線路突然顛簸的罪魁禍?zhǔn)?。老舊鐵軌上經(jīng)常發(fā)生有規(guī)則的顛簸現(xiàn)象，這歸咎于每18米鐵軌段存在一處焊接接縫。
橫截面
新安裝的鐵軌頭端幾何形狀遵循一個(gè)經(jīng)準(zhǔn)確計(jì)算的觸點(diǎn)幾何尺寸，這樣可優(yōu)化輪與軌道之間的接觸面。該形狀可用切線和特定的半徑進(jìn)行描述，提供了水平基準(zhǔn)，使車輪能經(jīng)濟(jì)、平滑而安全地滾動(dòng)(圖2)。
測(cè)量鐵軌
對(duì)于系統(tǒng)化和以目標(biāo)為導(dǎo)向的鐵路維護(hù)來說，其關(guān)鍵需求是要全面了解對(duì)當(dāng)前鐵路或電車軌道網(wǎng)絡(luò)的幾何結(jié)構(gòu)狀態(tài)。這可通過一種智慧的測(cè)量策略來實(shí)現(xiàn)，這種策略是將里程測(cè)量結(jié)果(測(cè)距)、軌道幾何形狀、縱向形貌和橫截面與精確的GPS定位相結(jié)合。所有這些參數(shù)通過移動(dòng)測(cè)量設(shè)備或裝備良好的測(cè)量車輛獲得。測(cè)量數(shù)據(jù)先通過ADI公司的Blackfin處理器進(jìn)行預(yù)處理，最后轉(zhuǎn)入分析軟件，在電子地圖上實(shí)現(xiàn)后期分析和精確的測(cè)量和故障定位(圖3)。
圖3：測(cè)量結(jié)果與 GPS數(shù)據(jù)相結(jié)合，以確定它們?cè)诘乩硇畔⑾到y(tǒng)(GIS)中的精確位置
軌道幾何形狀
采用精度在0.01毫米范圍內(nèi)的無觸點(diǎn)感應(yīng)傳感技術(shù)進(jìn)行軌距測(cè)量?；谲浖腇IR(有限脈沖響應(yīng))低通濾波器可抑制高頻噪聲，而隨后的移動(dòng)平均濾波器確保期望為連續(xù)值的結(jié)果中沒有“偽峰值”出現(xiàn)。類似的方法也應(yīng)用于傾斜傳感器，工作時(shí)就像一個(gè)電子液位儀，具有± 10°的角范圍，精確度0.025°以內(nèi)。所用的物理原理將頻率范圍限制在1 Hz以內(nèi)。
測(cè)量軌到軌距離需要一套復(fù)雜且要求大量運(yùn)算的浮點(diǎn)算法，以便計(jì)算出絕對(duì)的水平和垂直距離(圖4)。
在車輛一側(cè)安裝高精度激光束，在1米到5米的距離內(nèi)其搖晃幅度為±5°，由Blackfin處理器控制。鄰近鐵軌的測(cè)量信號(hào)經(jīng)低通和中值濾波，并從極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)。在采用模式匹配算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算之前，要經(jīng)過進(jìn)一步的處理，如矢量旋轉(zhuǎn)和重采樣。其目的是在鐵路線內(nèi)找到幾何特征的一個(gè)準(zhǔn)確特征矢量。因?yàn)殍F路上存在許多障礙物，如石塊或雜草，這個(gè)矢量要采用真實(shí)性檢查器和跟蹤算法進(jìn)行運(yùn)算，以確保得出可靠和有效的結(jié)果。所有這一切都是在實(shí)時(shí)條件下由一個(gè)5 Hz循環(huán)完成的。
圖4：測(cè)量軌到軌距離(水平和垂直 )需要實(shí)時(shí)的高性能數(shù)字信號(hào)處理算法
縱向形貌
高速電渦流傳感器以微米級(jí)精度對(duì)鐵路表面情況進(jìn)行記錄(圖5)。線性編碼器處理來自磁環(huán)的信號(hào)，該信號(hào)作為里程表和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的觸發(fā)器。這個(gè)信號(hào)再經(jīng)過 FIR帶通濾波器進(jìn)行濾波，可減少其特征波長(zhǎng)的頻譜。除了表面形貌，與冶煉相關(guān)的不規(guī)則處如局部淬火和焊接點(diǎn)也被一一記錄。
圖5：鐵軌縱向形貌由非接觸式渦流傳感器和磁性編碼器來采集
橫截面形貌
激光技術(shù)是當(dāng)今最先進(jìn)的非接觸式測(cè)量方法，可獲得準(zhǔn)確的鐵軌橫截面形貌。根據(jù)所需的精確度或捕獲速度，無論是穿越激光束還是激光“幕”(圖6)都可用來進(jìn)行這項(xiàng)工作。對(duì)原始形貌信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)線性化、縮放處理，并濾除毛刺。
圖6：采用高速激光掃描儀捕獲的鐵軌形貌
老一代技術(shù)—計(jì)量設(shè)備
直到最近，維修人員仍在使用許多不同的測(cè)量設(shè)備來確定軌道上的裂縫和異樣。每種方法適合某一特定軌道缺陷，但除了少數(shù)例外以外，這些機(jī)械的方法缺乏足夠的精確度和可重復(fù)性的結(jié)果。最近幾年，工業(yè)解決方案供應(yīng)商，如Schm id Engineering，將先進(jìn)的處理器技術(shù)和最先進(jìn)的元件嵌入到他們的設(shè)計(jì)中。鐵路基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)中的此類進(jìn)步逐漸將行業(yè)引向采用智能計(jì)量設(shè)備的移動(dòng)和多功能鐵軌測(cè)量時(shí)代。
鐵軌監(jiān)控設(shè)備(圖7)使用最先進(jìn)的技術(shù)來同步測(cè)量鐵軌橫截面形貌、頭端高度、軌距、傾角、深度和周圍環(huán)境溫度，所有這些都是在特定的可識(shí)別的位置進(jìn)行檢測(cè)和記錄的。
圖7：在惡劣的環(huán)境和緊迫的時(shí)間要求下，人們需要輕便、易于使用和富有成效的計(jì)量設(shè)備
所有關(guān)鍵特性現(xiàn)場(chǎng)就可處理和可視化，并可存儲(chǔ)在移動(dòng)存儲(chǔ)器中。隨著操作者或車輛沿鐵軌拉動(dòng)，RailSurf雪橇式計(jì)量設(shè)備就在連續(xù)監(jiān)測(cè)和記錄縱向軌道參數(shù)。
