高速鐵路道岔軌件斷軌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔瀚鈺 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

道岔作為鐵路線路的重要組成部分，起著承載列車和引導(dǎo)列車行進(jìn)的重要作用。相比于線路上的標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，同等條件下道岔軌件所受的沖擊力更大，但多數(shù)軌件的機(jī)械強(qiáng)度受功能結(jié)構(gòu)限制，卻弱于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，因而道岔軌件發(fā)生斷軌的幾率更大，這使得道岔成為線路上典型的薄弱環(huán)節(jié)之一。隨著高速鐵路線路里程的不斷增加，列車運(yùn)行速度的不斷提升，高速鐵路道岔的安全問題越來越得到重視。尤其在軌道電路盲區(qū)，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，岔區(qū)設(shè)備繁多，作業(yè)空間狹小，針對(duì)這一區(qū)域的道岔軌件狀態(tài)的監(jiān)測(cè)一直是鐵路日常養(yǎng)護(hù)維修工作中的難點(diǎn)。近年來，多種道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到研制、應(yīng)用，卻受誤報(bào)率、功能穩(wěn)定性、設(shè)備安全性等多種因素的影響，實(shí)際效果一直飽受質(zhì)疑。

1 道岔監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與存在問題

目前對(duì)道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究方向眾多，涉及的技術(shù)多樣。但相對(duì)成熟、實(shí)際得到應(yīng)用的道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)較少，涉及的主要技術(shù)及其特點(diǎn)如下：

1.1 視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)

視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)使用高清攝像機(jī)拍攝道岔區(qū)間圖像，利用圖像分析、處理技術(shù)，對(duì)可疑區(qū)域進(jìn)行識(shí)別，判定道岔軌件的狀態(tài)。

基于視頻技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)成熟，設(shè)備簡(jiǎn)單，但無法實(shí)現(xiàn)軌件內(nèi)部或被遮擋位置的監(jiān)測(cè)。同時(shí)圖像的精確分析比對(duì)往往需要通過人工后期完成，實(shí)時(shí)性也無法保證。

1.2 渦流探傷監(jiān)測(cè)技術(shù)

渦流探傷監(jiān)測(cè)技術(shù)使用激磁線圈使導(dǎo)電構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生渦電流，借助探測(cè)線圈測(cè)定渦電流的變化量，從而獲得構(gòu)件缺陷的有關(guān)信息。

渦流探傷技術(shù)的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性高，但監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，并且僅能監(jiān)測(cè)構(gòu)件表面和近表面的傷損變化情況。

1.3 光纖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

光纖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)使用由環(huán)氧樹脂膠帶貼于軌件上的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖進(jìn)行監(jiān)測(cè)。光纖的一端接光源，另一端為接收器。如果軌件發(fā)生折斷，光纖將隨之發(fā)生破裂，光線將不能到達(dá)接收器，由此判斷發(fā)生斷軌。

基于光纖的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝便捷，但由于光纖自身具有一定的韌性，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)容易產(chǎn)生漏報(bào)，存在較大的安全隱患。

1.4 應(yīng)力檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)

基于應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)的道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在軌件上安裝應(yīng)力測(cè)量傳感器，通過對(duì)傳感器檢測(cè)到的應(yīng)力和溫度變化進(jìn)行計(jì)算比較，以判定斷軌、軌道變形或兩者兼而有之。

應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)則極易受到多種因素的干擾，準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較差。

1.5 導(dǎo)電涂層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

導(dǎo)電涂層監(jiān)測(cè)技術(shù)在軌件便面噴涂導(dǎo)電涂層，當(dāng)軌件產(chǎn)生裂紋或折斷，導(dǎo)電涂層隨之?dāng)嗔?，?shí)現(xiàn)對(duì)軌件狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

導(dǎo)電涂層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到軌件表面的裂紋，實(shí)時(shí)性好，敏感性高，但安裝作業(yè)困難，同時(shí)導(dǎo)電涂層容易被外力外物破環(huán)，現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)用性、可推廣性較差。

1.6 非線性超聲傷損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

非線性超聲傷損監(jiān)測(cè)技術(shù)利用指定頻率的超聲信號(hào)在軌件中傳播，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過分析接收到的指定頻率對(duì)應(yīng)的各種倍頻信號(hào)的有無及變化趨勢(shì)，來研判軌件的傷損狀態(tài)。

非線性超聲傷損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)可監(jiān)測(cè)多種數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確性較高，但系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，安裝繁瑣。

2 高速鐵路道岔軌件斷軌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

由于對(duì)道岔軌件內(nèi)部傷損的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)存在明顯的技術(shù)壁壘，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性難以保證，為滿足高速鐵路現(xiàn)場(chǎng)迫切的需求，綜合分析現(xiàn)有的各種道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，明確高速鐵路道岔軌件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

（1）確保對(duì)斷軌狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)、報(bào)警，降低誤報(bào)，杜絕漏報(bào)；

（2）系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，能夠適應(yīng)“天窗”作業(yè)要求，實(shí)現(xiàn)快速安裝；

（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔區(qū)間薄弱位置的監(jiān)測(cè)全覆蓋，減少監(jiān)測(cè)盲區(qū)；

（4）系統(tǒng)自身安全性高。

2.2 普速鐵路道岔軌件斷軌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，選擇在一種普速鐵路道岔軌件斷軌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使之滿足高速鐵路現(xiàn)場(chǎng)使用、作業(yè)的要求。

該普速鐵路道岔軌件斷軌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用聲表面波技術(shù)對(duì)道岔軌件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

聲表面波監(jiān)測(cè)技術(shù)是在一段軌道的中部安裝聲波發(fā)生裝置，左右端相隔一定距離安裝聲波接收裝置。當(dāng)發(fā)射裝置發(fā)出聲波后，如果遇到軌件發(fā)生斷軌，聲波信號(hào)的相關(guān)指標(biāo)產(chǎn)生急劇變化，據(jù)此判定軌件是否折斷。聲表面波監(jiān)測(cè)技術(shù)方案示意圖見圖1。

圖1 聲表面波監(jiān)測(cè)技術(shù)方案示意圖

自研制以來，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在南北方不同的氣候條件下，正常、穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間已達(dá)兩年。并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用無線通信，現(xiàn)場(chǎng)安裝無需額外布線，安裝方便。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于作業(yè)工況和現(xiàn)場(chǎng)條件的不同，該普速鐵路道岔軌件斷軌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無法直接應(yīng)用到高速鐵路?；诟咚勹F路作業(yè)條件及軌旁設(shè)備管理要求，在仿真設(shè)計(jì)、3D打印等技術(shù)的支撐下，針對(duì)性的對(duì)普速鐵路道岔軌件斷軌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

（1）信號(hào)收、發(fā)設(shè)備扁平化設(shè)計(jì)

為減少設(shè)備線纜，原監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)功能部件自帶電源，電池倉(cāng)位于功能部件下方，使得信號(hào)收、發(fā)設(shè)備主體厚度達(dá)到約80 mm。

高速鐵路部分道岔區(qū)域軌件底部空間較小。通過將信號(hào)收、發(fā)設(shè)備扁平化改造，改變電池倉(cāng)位置，重新排布內(nèi)部元器件位置，降低天線高度，使得設(shè)備主體厚度降低到約40 mm，能夠適應(yīng)目前已知條件的所有高速鐵路道岔的安裝。天線高度降低仿真設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 天線高度降低仿真設(shè)計(jì)

（2）仿形夾具設(shè)計(jì)

根據(jù)安裝位置不同，利用仿真設(shè)計(jì)，配合3D打印技術(shù)快速加工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)所有安裝的信號(hào)收、發(fā)設(shè)備均對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)了全新的不打孔仿軌型夾具，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備硬夾持，配合強(qiáng)磁、膠粘，設(shè)備安裝更加牢固可靠。3D打印夾具模型、厚仿形夾具、薄仿形夾具見圖3。

圖3 3D打印夾具模型、厚仿形夾具、薄仿形夾具

（3）設(shè)備參數(shù)仿真優(yōu)化

由于高速鐵路道岔區(qū)間設(shè)備環(huán)境的不同及系統(tǒng)收、發(fā)設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)需要重新進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)仿真試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，系統(tǒng)信號(hào)穩(wěn)定，且強(qiáng)度幾乎達(dá)到飽和。人工斷軌測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)對(duì)斷軌的報(bào)警準(zhǔn)確率為100%，報(bào)警延遲約1 min。斷軌前后信號(hào)數(shù)據(jù)變化見圖4。

圖4 斷軌前后信號(hào)數(shù)據(jù)突變

（4）系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍擴(kuò)大

經(jīng)過重新設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收、發(fā)設(shè)備體積小巧，安裝位置更加“隨意”，使得整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，系統(tǒng)的實(shí)用性提高。

線下針對(duì)18#道岔的試驗(yàn)顯示，新設(shè)計(jì)的高速鐵路道岔軌件斷軌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)道岔區(qū)異形軌件90%區(qū)域的監(jiān)測(cè)，無法監(jiān)測(cè)部分主要是由于空間狹小，信號(hào)接收器無法安裝（見圖5）。

圖5 尖軌部分盲區(qū)約80 cm

3 高速鐵路道岔軌件斷軌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)

3.1 新監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

新設(shè)計(jì)的高速鐵路道岔軌件斷軌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)達(dá)到了既定設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，在保留部分舊系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，在多個(gè)方面進(jìn)一步得到了提升。具有以下特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，功能性設(shè)備自帶電源，信號(hào)傳輸使用特定頻道的進(jìn)行無線傳輸，設(shè)備安裝無需額外布置各種線纜，對(duì)既有設(shè)備影響??；

（2）系統(tǒng)主要功能設(shè)備體積小巧，可滿足多種不同型號(hào)道岔的安裝監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)范圍覆蓋道岔區(qū)域軌道電路盲區(qū)，對(duì)異形軌件的監(jiān)測(cè)覆蓋范圍達(dá)90%；

（3）系統(tǒng)信號(hào)、功能穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)斷軌的準(zhǔn)備報(bào)警；

（4）系統(tǒng)所有功能設(shè)備全部采用硬夾持、強(qiáng)磁、膠粘多種固定措施，設(shè)備安裝牢固可靠。

當(dāng)然，由于技術(shù)的局限性，系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔軌件傷損的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。

3.2 設(shè)計(jì)總結(jié)

該高速鐵路道岔軌件斷軌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是為響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急需求而設(shè)計(jì)的。特殊的背景條件為今后的工作積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)：

（1）在仿真設(shè)計(jì)、3D打印等多種新技術(shù)的支撐下，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高速鐵路道岔軌件斷軌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成了新系統(tǒng)的改進(jìn)、加工、調(diào)試、線下試驗(yàn)等過程，達(dá)到了高速鐵路現(xiàn)場(chǎng)使用、作業(yè)的基本要求，為今后更好地響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)特殊工況的應(yīng)急需求打下基礎(chǔ)；

（2）隨著高速鐵路的不斷發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)條件和管理要求也在不斷變化。利用新技術(shù)對(duì)既有的系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行“升級(jí)”，使之適應(yīng)新形勢(shì)下的新要求，解決現(xiàn)場(chǎng)的新問題，亦不失為一種有效的技術(shù)手段。