0 引言
随着我国城市轨道交通行业的迅猛发展，路网规模已经由初期个别超大城市拥有零星地铁线路，快速发展到目前已经有40多个大中型城市拥有超过200条城轨线路，总计长度已经超过5 500 km。在这些已经建成或正在建设的城轨线路中，除少数线路采用了单轨、磁悬浮等新类型外，绝大部分仍采用的是传统轮轨运输方式。城市轨道交通线路的最高运营速度达到甚至超过了160 km/h。面对如此庞大的城市轨道交通运营网络，如何更好地保障列车运行安全性和平稳性，提高线路养护的经济性，是城市轨道交通领域面临的一个关键问题。
为了在确保城市轨道交通列车安全运行的基础上进一步综合评价轨道线路的质量，在充分借鉴现有干线铁路和高速铁路综合检测技术的基础上[1-3]，研发了具有多专业综合检测能力的城市轨道交通基础设施检测列车，其中轮轨力检测系统对于保障城市轨道交通列车运行安全、提高线路养护维修精准性和经济性能够发挥重要作用（图1）。本文从轮轨作用机理、检测系统构成、基本原理、评价方法等若干方面对该检测系统进行了详细介绍[4-6]。
图1 城市轨道交通(3B)综合检测列车轮轨力检测系统
1 轮轨力检测系统的效用
1.1 轮轨相互作用决定了车辆运行安全性
与干线铁路一样，采用传统运输方式的城市轨道交通仍以轮轨相互作用为基本特点，列车与线路之间各个方向的作用力传递都是通过轮轨相互作用来实现，因此轮轨力是车辆车轮与轨道之间相互作用最直接的综合结果，车辆运行安全性和平稳性从本质上来说取决于轮轨间相互作用关系是否正常[7]。
用于评价车辆运行安全性的脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力等指标均是通过对轮轨垂向力、横向力测量并计算得到，这些指标能够对车轮爬轨、悬浮、跳轨、挤轨等不同类型脱轨危险性进行评价。
1.2 轨道线路激励引起的响应决定了车辆运行平稳性
车辆通常由车体和转向架构成，通过一系、二系悬挂系统组成了减振结构，车辆的垂向振动绝大部分源自于线路激扰，车辆的横向振动部分来自于轨道线路的横向挤推力，另一部分来自于车辆的横向离心力或惯性力。轮轨力检测系统同时检测同一时刻轮轨作用力以及车体、构架、轮对的振动加速度，一方面可以对车辆振动状况和运行平稳性做出准确评价，另一方面可以分析导致车辆运行平稳性差异的主要原因是来自于轨道线路的作用力传递还是源自于车辆自身悬挂系统的响应特性。
标准转换是职业标准的课程化环节，是对职业标准进行解构与重组，将其转换为课程标准诸要素的过程。其操作步骤是：通过对涉外岗位的职业分析，编制涉外岗位职业标准，并通过筛选对比、交叉分析，提炼出与国际商法课程相关的内容；依据职业概况，确定国际商法课程定位；依据职业功能，确定国际商法课程目标；依据工作内容，确定国际商法课程项目体系；依据工作要求，进行国际商法课程设计；模拟工作过程，进行国际商法课程实施；依据项目权重，制订课程考核标准。[2]最终将涉外岗位职业标准转换为国际商法的课程标准，实现职业标准各要素与课程标准各要素之间相互渗透、合理对接。
2)在有效应力和时间的共同作用下，强度参数在蠕变过程中不断劣化，总体上黏聚力C下降了16.89%，内摩擦角φ下降了7.93%，岩石在外荷载作用下的损伤主要由黏聚力下降引起。因此，在工程实际中，防止巷道围岩损伤破坏主要从控制黏聚力下手，其次考虑控制内摩擦角变化。
由仿真计算可知，对于呈“θ”型布置的垂直排列线路，极导线遭受绕击的概率趋近于0，因此只需考虑水平排列方式。当绕击雷电流大于150 kA时，正极导线遭受雷电绕击的概率趋近为零，当绕击雷电流大于60 kA时，负极导线遭受雷电绕击的概率趋近为零。所以本文分别取正极绕击雷电流150 kA和负极绕击雷电60 kA，绕击耐雷性能计算如表4所示。
1.3 轮轨异常作用力反映了轨道结构性缺陷
城市轨道交通通常用于市区内或城市间的短途旅客运输，受地形条件和建设成本等条件制约，一般采用轻型钢轨，线路平纵断面变化较大，采用小半径曲线、小号码道岔，并且较多采用短轨有缝线路。随着城轨线路投入长期运营，轮轨垂磨和侧磨加剧，轨缝和道岔有害空间冲击严重，钢轨波形磨耗等常见轨道结构性病害不断萌生和发展，导致轮轨作用力愈加剧烈，造成轨道结构和车辆部件在大幅度高频率循环载荷环境下极易产生材料时效、疲劳伤损甚至结构破坏，并且剧烈振动和摩擦作用也使得列车运行噪声急剧增高[8]。与此同时，轨道线路病害及不平顺激扰通过轮轨力的作用传递给车辆，也会引起车辆走行部、车体等关键部件不同频率的振动和疲劳。这些车辆与轨道耦合振动问题在轮轨作用力层面上都会有所反映。
2 采用轮轨力检查轨道线路状态的创新技术
2.1 轮轨力检测系统的基本要求
配备于城市轨道交通检测车上用于对轨道线路检查的轮轨力检测系统必须采用高精度连续测量测力轮对技术。
测力轮对是一种用于测量轮轨间相互作用力的特殊传感器，通常是在现车运用轮对的基础上进行适应性改造而成。利用轮轨接触点处作用力在车轮特定部位所产生的应力（应变）变化关系，经过一系列测量电桥设计和贴片标定等整备过程，使其成为能够检测车辆运行过程中轮轨之间相互作用力的一种特殊轮对，具备检测轮轨间作用力的大小及其变化全过程的能力。
3）可以通过搜索引擎，在百度、搜狐上搜索一些熟知的英文新闻网站和英文学习网站，了解最新国内外大事和与四、六级考试相关的资讯。
轮对作为一个旋转运动部件，作用于车轮踏面上的垂向力和横向力的作用点沿车轮圆周方向和踏面横向始终处于不断运动变化之中，这使得测力轮对较其他一般的传感器更为复杂。早期研发的测力轮对大都采用间断测量法，即通过在车轮特定的几个角度位置上布置应变片并且获取标定系数，实现车轮旋转一周范围内有限几个峰谷位置上轮轨力的测量。这种方法仅适用于进行车辆动力学性能检测与评价。
而存在于轨道线路上的缺陷表现为短波至长波各种类型，尤其是大量存在的短波不平顺，如轨缝、焊缝、道岔有害空间、钢轨侧磨、轨面擦伤、剥离、波形磨耗等等，这些短波不平顺缺陷对车辆运行安全性、平稳性和摩擦噪声影响最为显著。由于间断测量法不具有沿轨道走向持续检测能力，因而不适用于对轨道线路的检查，必须采用连续测量测力轮对技术。
作为轮轨力检测系统的核心，用于轨道线路检查的测力轮对采用了由中国铁道科学研究院集团公司机车车辆研究所自行研发、拥有完全自主知识产权的连续测量技术方案，其突出特点是桥路数量最少、不需要角度测量等任何辅助装置、电桥测量灵敏度高、信号通道数和配套设备精简、数据流程简单、测量精度高、频响特性好。
针对城市轨道交通车辆所用轮对的轮径较小、辐板应力分布变化梯度大、测量电桥分布空间受限等特殊条件，在测量单元设计过程中创新地采用了新研究的测量电路内组桥和外组桥相结合的方法，突破了传统设计思路，克服了现实困难，完全能够满足系统供货技术条件所规定的测量精度。
轮轨力间断测量和连续测量在同一车轮上同时检测的实际效果对比如图2所示。从图中可以明显看出，在连续测量所获取的检测数据中，高、中、低频各成分的轮轨力都能得到真实反映。而间断测量的最佳结果（排除其他误差影响因素的理想状态下）相当于对连续测量数据的等距离间隔采样，并且采样间隔距离远远大于轨缝、波磨等被测短波不平顺的波长。
2.2 轮轨力检测系统的硬件构成
轮轨力检测系统的硬件主要包括高精度连续测量测力轮对、集流环、振动加速度计、速度脉冲信号、里程校对信号、曲率信号、信号采集调理设备、网络交换机、数据采集工控机和数据分析工控机等。
菁菁花丛，劳劳园丁；殷殷学子，感恩师情。这几年，每到教师节，我的儿子忙着做贺卡，又和同学们商量着教师节送给老师礼物。当然，礼物中包含的情谊老师全部收下了，礼物又悄悄回到孩子们的书包里。我感受得到教师节的空气中弥漫着感念师恩的情绪。从孔孟始，尊师重教就一直是中华民族的美德，但愿这种美德永恒下去。过去的、现在的、将来的，所有的教师都应该享受到全社会的崇敬与祝福。当年，我中学毕业时，老师为了不耽误课程，强忍着胃癌剧烈的疼痛，额头上冒着豆大的汗珠，为我们认真讲课直至晕倒在讲台，至今回想起来仍然历历在目，这就是老师的奉献情节。
其中，除了前述连续测量测力轮对设计外，适用于城轨检测车的集流环装置也进行了创新设计。原有传统集流环安装方案需要切除测力轮对基础制动，因此对于编组辆数和轮对轴数较少的城轨车辆，传统安装方案在特殊情况下会导致列车紧急制动距离不满足相关规定。另一方面，部分城轨车型的测力轮对轴头原安装的功能设备会占用其轴头位置且难以撤除，从而影响传统集流环安装方案实施。为此，在传统接触式集流环安装方案的基础上还研发了采用无线感应技术的非接触式旋转信号传输装置。
经过压缩的奏鸣曲式，主题在弱拍上有突强，第20至34小节重复了一次。左手持续的断奏，需要弹得短促有力，声音均匀。副部以ff的力度在F大调上爆发，然后转入降B、降E大调。发展部，又出现了第一主题，但是它在F大调上，然后是在C大调上（第83小节）。尾声的最后十一个小节，左右手形成单声部，基本上都是断奏，轻声，需要如节拍器一般地精准。
轮轨力检测系统的硬件构成如图3所示。
3.面膜当心荧光增白剂。由于皮肤具有屏障功能，很多号称有“保湿”作用的面膜，其实很难让水分进入皮肤深处;再加上不少面膜添加了荧光增白剂，有致癌风险。
2.3 轮轨力检测系统的软件构成
轮轨力检测系统需要测力轮对上8～12个应变电桥同时参与测量，互相之间形成协调配合关系，所获取的测量信号必须经过计算机进行迭代处理方能还原出轮轨力物理量。
通过测力轮对直接测量获取以下参数：轮轨垂向力、轮轨横向力，区分左右两侧车轮各获得两项测试量。
通过计算可以获得的间接测试参数：脱轨系数、轮重减载率，区分左右侧车轮分别计算得出。
动态轴重、轮轴横向力，由左右侧轮轨垂向力和横向力综合计算得出。
预警发布模块主要实现预警消息的发布及推送，由预警发布服务端、预警接收客户端、配置文件以及日志文件所组成。
上述参数中，脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力直接用于评判车辆运行安全性，其他参数经过进一步分析处理用于识别轨道线路的异常状态。
轮轨力检测系统软件由信号采集软件和数据分析处理两个软件构成。信号采集软件的功能是完成各传感器原始电压信号的同步采集并将其存储为数据文件，数据分析处理软件的功能是读取数据，将传感器原始电压信号计算为物理量，再通过频谱分析、滤波分析和统计分析等处理方法，对轨道线路的缺陷进行评判。
3 采用轮轨力进行轨道线路质量评价的创新方法
3.1 运行安全性和平稳性评价方法
采用传统轮轨运行方式的城轨车辆，其运行安全性和平稳性的评判方法可以借鉴现行车辆动力学性能评定规范，主要包括脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等运行安全性指标，以及车体垂向和横向平稳性指标。这些指标对于确保城市轨道交通列车的运行安全平稳至关重要，尤其是采用连续测量的轮轨力检测系统可以按照相关标准对所获取的轮轨力及其衍生参数进行数字滤波、移动平均等处理，能够完全满足GB5599、UIC518或EN14363等标准中所规定的数据处理流程，客观准确地评价车辆在线路上的运行安全状况，具有不可取代的检测技术优势[7-9]。
但我们也应该认识到，在轨道线路已有相关建设标准和维修质量标准的前提下，检测车辆的上线检查频度有限，如果仅仅是将轮轨力检测系统用于检查这几项安全性和平稳性考核参数，实际只发挥了该检测系统的一小部分作用。该检测系统更大的作用在于日常检查过程中通过对异常轮轨力的捕捉和分析，及时发现导致轮轨作用力异常或引起车辆运行平稳性降低、产生异常噪声的激扰源，这是发现轨道线路缺陷和隐患的有效手段。
图2 测力轮对间断测量与连续测量对比
3.2 轮轨力识别和判定轨道缺陷的基本原理
图3 轮轨力检测系统硬件构成框图
采用轮轨力检测轨道状况的方法基于车辆动力学特性。在特定检测车辆上，其悬挂系统、各部分重量及结构布置都已经固定，因此轨道线路激扰引起的轮轨力和振动加速度响应特性亦已固定。这一响应特性可以基于理论计算和实际试验得以验证，例如在直线地段运行时，轮轨垂向力的低频分量应与其静轮重相符合且此时的两侧轮轨横向力基本保持为基准零位状态。而当车辆通过一段理想曲线时，由于外轨超高所造成的未均衡离心力会使左右两侧车轮出现增减载，同时会在车轮上产生与其导向力相应的轮轨横向力和轮轴横向力。这些都是车辆在理想运行状况下的基准参数。
在此基础上，该车辆运行在具有不同类型轨道病害的线路工况时会表现出不同的轮轨力响应特征。例如，在通过轨缝时会在静轮重的基础上迭加形成很大的瞬间冲击力；在波浪形磨耗的线路上会在静轮重基础上出现持续一段距离的高频垂向力震荡；在缓和曲线或不均匀侧磨轨道上，轮轨横向力会在其恒定分量的基础上迭加出现波动，导致车辆出现摇晃；轨道中长波变形会引起垂向力和横向力的低频波动。借助于轮轨力和轴箱、构架、车体振动加速度联合分析，结合与轨道线路基础资料相对照，以及相同线路工况下的检测数据比较就能够发现哪些地点的轨道线路可能存在异常，指导现场勘查整治。
3.3 轨道状况识别与评判的创新方法
在城市轨道交通检测车上安装轮轨力检测系统，利用连续测量测力轮对实时检测车轮与钢轨间相互作用力的大小及其变化过程，经过专用分析模型进行数据处理，筛选出轮轨间的异常作用现象，及时发现和准确判明轨道线路上可能存在的缺陷或有害不平顺，有助于及时消除线路病害对车辆运行安全性、平稳性的影响。
但是需要注意到，这种评价方法不能简单套用既有的车辆动力学性能评定指标。实践证明，当轨道线路已经存在明显缺陷甚至已经达到重伤维修标准时，测得的轮轨力已经存在异常响应，但用安全性评价指标来衡量却远远达不到限度值，原因是这些伤损或缺陷对轮轨相互作用有较大的影响，但却不构成安全性参数的恶化。例如，波磨线路在轮轨力响应中能够被准确发现，但由于此时所产生的仅仅是轮轨垂向力的高频振荡，一旦经过了滤波和平滑处理，无论脱轨系数、轮重减载率或是轮轴横向力都不会达到安全限度值，不涉及运行安全。但实际风险点仍然存在，一是造成了越来越严重的异常噪声和振动，强振环境下车辆走行部零部件易产生早期疲劳失效；二是长期高频力作用下，钢轨容易产生内部核伤、表面疲劳或断轨。
创新的评价方法针对轨道线路缺陷所造成轮轨力激扰响应特性来制定。对于焊缝、轨缝、轨面低塌、道岔有害空间这类缺陷，可以采用高通滤波截取高频冲击力、用其幅值大小进行衡量的方法，冲击幅值越大表明缺陷越严重；对于轨面波形磨耗类缺陷，可以采用带通滤波的方法提取特殊频率段内的震荡数据，并以振动能量积分的方法通过该段线路单位长度上累积振动能量进行考核，累积能量越大，表明波磨程度越严重；对于钢轨不均匀侧磨或中长波轨道基础变形，可以采用低通滤波提取低频部分检测数据，考察其波动幅值及持续距离，同时结合平稳性指标的计算评估其对车辆运行平稳性的影响。这种新的评价方法基于我国铁路自主研发的轮轨力检测系统，能够有效弥补以往传统轨道线路检测方法的欠缺。
4 轮轨力检测系统的应用
4.1 对于新建线路动态验收大有裨益
以往干线铁路的运用实践表明，在轨道线路建设完工阶段，采用轮轨力检测系统参与工程质量验收测试，可以早期发现轨道线路设计或施工缺陷，特别是能够及时排查出可能造成车辆运行安全性降低的隐形因素。例如，平面几何设计中是否有个别小半径曲线轮轨横向力异常，在日后运营中会造成轮缘磨耗和钢轨磨耗加剧，造成维修成本增大；通过道岔时是否有个别道岔上的轮轨作用力异常，这会造成运营中道岔结构的过早失效甚至造成突发事故威胁行车安全；另外，还可以检查出是否存在焊缝或轨缝异常，是否存在初始轨面波磨，是否存在道床弹性丧失等。对于检查发现的缺陷在开通运营之前得以整改克缺，使建设工程质量真正达到设计要求。
4.2 高效准确检查运营线路缺陷
面对已经开通运营的庞大城市轨道交通路网，依靠传统的人工检查手段已经无法应对。天窗作业时间短，难以开展大规模的实地检查和维修作业。而基于轮轨力检测系统的轨道状态检查方法能够高效地对线路全程开展轮轨力检测，及时发现超出常规的异常作用力，准确地发现影响运行安全性和平稳性的线路缺陷及具体地点，有助于采取针对性的改善措施，确保列车运行的安全性和平稳性。
设计存在着因果关系，因为需要，才有了设计。许多“坏”设计是因为设计师没有理解这其中的因果关系，不理解设计的目的，没有进行深入的调研，便从一开始就错在了起点。设计师真正存在的意义在于，了解因，得出果。项目设计师从民众调研出发，以解决问题为出发点，好的设计来源于生活，更介入生活改变生活。
4.3 利于组织分级管理实行精准施修
城市轨道交通线路主要存在轨缝、焊缝冲击、钢轨波磨、不均匀侧磨、钢轨廓形欠佳等典型轨道病害。不同类型的轨道病害对应的轮轨力响应特征也存在明显差异，可以根据检测到的轮轨力信号，通过信号滤波、统计处理等手段对其响应特征进行分析，从而准确识别轨道病害具体类型及其发展趋势，为实施精准施修提供技术指导。为了更好地实现检测自动化和简便性，可以对各个评价指标在每公里范围内按照设定的分等级指标标准进行评分，待检测结束后可方便快捷地根据指数统计直方图对病害类型和位置进行准确识别，这将有助于组织分级管理的科学养护和整修策略。
在制定维修策略和施修计划时，可以根据各条线路运营状况的不同特点加以优化。例如，可以根据车型特点、运量特点、运行速度、地面地下、振动水平、噪声限度等因素综合考虑维修施工的轻重缓急。
5 结束语
城市轨道交通检测车的研制适应了我国城市轨道交通快速发展对线路基础设施检测技术的需求。本文所介绍的轮轨力检测系统装备于城轨交通综合检测列车上，即将开展对城轨线路的检查运用。采用轮轨力检测系统对城轨线路质量进行状态检查和评判的方法具有独特的技术优势，将在城市轨道线路状况检查中发挥重要作用。
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