铁路铁轨振动与尺寸检测三维光学测量方案

振动测量与试验一直工程技术界重视的课题，对于速度和舒适感要求严苛的交通运输来说尤为重要。振动直接影响高铁动车的运行稳定性、安全性和人体感觉的舒适性，也对于结构设备生产的精确性和有效性产生直接影响。

近年来，随着动车和高铁的提速，对铁路的稳定运行提出了新的要求，而铁轨受到机车的激励而产生受迫振动，振动量级过大会使铁轨产生裂纹、疲劳、断裂；铁路钢轨的三维尺寸，包括轨向、高低和轨距等平顺性指标，直接影响着列车行车安全。

铁轨测量需求

铁轨具有承受车轮的巨大压力并将其传递到轨枕上，同时引导机车车辆车轮前进的功能。铁轨为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面，并提供更能较好的粘着牵引力。及时检测负载过程中铁轨的振动情况，防止因过激振动出现裂缝和断轨的情况，有助于确保铁路运输的安全和畅通。

铁轨的平顺性直接影响列车运行的质量。使用新拓三维XTOM三维扫描仪，可以对结构复杂的接驳轨道进行三维数据采集，得到设计值与测量值之间的偏差，通过检测分析出轨道的中线坐标、轨面高程、轨距、超高、扭曲等参数；并在以上参数的基础上，自动计算出轨道的轨向、高低等平顺性指标，准确查找出需要进行维修的里程点。

轨检小车

铁轨部件测量难题

对于列车的轨道负载的振动，铁轨的平顺性，行业都有严格的控制标准，如何准确测量这些参数，是铁路领域科技工作者关心的技术难题。采用试验场景模拟测试、三维尺寸精度验证是目前主要测量方法和手段。

传统振动测量方法主要是在铁轨的中性截面上粘贴上应变片，通过测量铁轨局部变形，来检测结构件的振动情况；通过测量负载过程中弹条的位移来检测振动情况。

应变片方法的主要缺点在于铁轨、弹条上粘贴的应变片容易脱落，故障率高，且应变片反映的是钢轨、弹条的局部应变，测量精度受到了限制。

对于铁轨三维尺寸检测来说，通常采用铁轨检测小车，检测铁轨的几何状态，轨道调整量计算，查找出需要进行维修的里程点进行轨道维护，但复杂结构轨道数据结果波动大，需要进行精度验证。

三维光学测量方案

新拓三维光学测量方案，是结构振动、三维尺寸检测的理想分析工具，高分辨率XTDIC系统可记录结构件在各种情况下（从静态荷载到动态荷载条件）的振动位移情况，数据稳定，操作简便。XTOM三维扫描仪测量精度高，即使是结构复杂的接驳处铁轨，也可以通过扫描获取精确的三维数模，测试数据直观地呈现，以便做进一步的偏差分析评估。

1、铁轨振动检测

在模拟高铁列车驶过铁轨的场景下，测量铁轨振动过程中表面关键点坐标及位移，对激励下铁轨结构件振动特性进行分析。

铁轨标志点布置

测量幅面为400mmX300mm，XTDIC测量头搭配高速相机（2048X1536）进行观测，人为施加上下方向载荷、前后方向载荷，模拟高铁驶过加载过程，测量关键点的三维坐标及位移变化。（相机采集频率5000帧）

铁轨振动模拟测试现场

（1）上下敲击

给铁轨施加向下的载荷，上下方向位移变形明显，最大峰值0.6mm左右，载荷施加后振动逐渐衰减，直到振动停止。

铁轨上下方向位移

（2）前后敲击

给铁轨施加前后方向的载荷，上下方向位移变形明显，最大峰值0.1mm左右，载荷施加后振动逐渐衰减，直到振动停止。

铁轨上下方向位移

2、铁轨三维尺寸检测

使用新拓XTOM三维扫描仪，对铁轨进行快速扫描，用于对新的轨道铺装进行分析验证，以及为运行中的轨道检修提供数据依据，同时验证铁轨检测小车扫描的精度。

铁轨接驳处三维扫描

对指定一段轨道进行扫描，之后和其它厂家扫描的数据进行比对。XTOM三维扫描仪调整为0.5mm分辨率进行扫描，在细节呈现精细度和测量精度方面，都获得了客户的认可。

通过对铁轨进行扫描和数据采集，通过计算和预处理得到铁轨的三维数模，从而便于验证检测小车的测量精度，比对设计值与测量值之间的偏差。

铁轨接驳处三维数模

通过对铁轨进行动力学试验，研究载荷下结构件的应力特征及疲劳性能，得出在疲劳寿命内结构件的等效应力范围的正态分布，进一步验证铁轨结构件有限元分析数据，为构件在高频振动下的动力学性能研究提供参考。

由于铁路运行减振降噪要求的提高，行业对轨道平顺性方法的研究愈加深入，此次试验采用新拓三维光学测量方案对铁轨进行测试，可以更好地分析结构材料在负载情况下的振动特性和减振效果，保障铁轨的平顺性，减少振动对沿线环境的影响，提升乘客的出行舒适感。

另外，在轨道交通领域中的应用，除了铁轨振动测试和尺寸测量，新拓三维光学测量方案还可用于混凝土材料、沥青混合料、复合材料等的抗压强度、耐久性以及变形特性测试；车辆重载产生路面变形的测试，评估车辆行驶阻力和通行性能；锻铸件、钣金件、发动机零部件的质量检测，冲压件、精密模具的三维测量，助力轨道交通的安全、高效运行。

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