道岔運用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

許 強，馬廣元，楊 棟

按照“強基達標(biāo)、提質(zhì)增效”的要求,國鐵集團在鐵路養(yǎng)護維修方面提出綜合維修一體化和工電設(shè)備修程修制改革,對設(shè)備運用狀態(tài)準(zhǔn)確評估、設(shè)備變化規(guī)律分析和安全風(fēng)險預(yù)警能力,提出了更高要求。

道岔在鐵路運輸中起著重要的作用,其運用質(zhì)量直接影響鐵路運輸安全和效率。目前,道岔轉(zhuǎn)換故障數(shù)量占全路設(shè)備故障總數(shù)的60%左右,已成為鐵路維護方面的重難點問題。只有采用先進的管理理念和技術(shù)手段,加強道岔運用狀態(tài)監(jiān)測,才能全面動態(tài)掌握道岔運用狀態(tài)和變化規(guī)律,為科學(xué)養(yǎng)護維修提供技術(shù)支撐。

由于道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備安裝于工務(wù)鋼軌上,容易受鋼軌伸縮量、道床穩(wěn)定性等外部條件影響而發(fā)生變化,造成道岔轉(zhuǎn)換瞬間不暢。雖然目前已有針對道岔缺口、油壓、油位及道岔轉(zhuǎn)換力的監(jiān)測手段和參數(shù)分析,但還沒有掌握鋼軌件與轉(zhuǎn)換設(shè)備“結(jié)合部”的基本參數(shù),更沒有維護分析需要的“檢查、調(diào)整和維修”標(biāo)準(zhǔn),使得現(xiàn)場難以對道岔轉(zhuǎn)換部位進行科學(xué)的預(yù)防性調(diào)整。

為解決此類問題,本文通過對鋼軌件與轉(zhuǎn)換設(shè)備“結(jié)合部”基本參數(shù)進行采集、分析,研發(fā)了道岔運用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。通過監(jiān)測道岔鋼軌件與轉(zhuǎn)換設(shè)備之間的靜態(tài)和動態(tài)變化量,找到道岔轉(zhuǎn)換不良的故障原因；通過監(jiān)測鋼軌伸縮和道床動態(tài)狀況,指導(dǎo)工務(wù)對道岔部位進行精準(zhǔn)維修,減少道岔部位鋼軌爬行、道床起伏等問題；通過道岔運用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)積累,監(jiān)測分析道岔設(shè)備的變化規(guī)律,指導(dǎo)現(xiàn)場維護人員開展預(yù)防性維修,有效防止和減少轉(zhuǎn)換不良故障,從而減少對正常運輸?shù)母蓴_。

1 故障分析

道岔的尖軌、心軌是直接與車輪接觸的可動部件,車輪與鋼軌件受力狀態(tài)復(fù)雜,且零件和轉(zhuǎn)換設(shè)備集中,排除故障用時長,是運輸設(shè)備主要的薄弱環(huán)節(jié)之一,且容易引發(fā)災(zāi)難性后果。因此,對道岔可動零部件及轉(zhuǎn)換狀態(tài)進行監(jiān)測,分析車輛通過和轉(zhuǎn)換時的軌件及轉(zhuǎn)換設(shè)備的參數(shù),及時發(fā)現(xiàn)故障隱患并適時整治和維護,是道岔轉(zhuǎn)換狀態(tài)監(jiān)測研究的預(yù)期。

1）環(huán)境參數(shù)不可避免地影響道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的特性變化。線路鋼軌、尖軌隨著溫度變化而伸縮,轉(zhuǎn)換設(shè)備中的尖軌與基本軌密貼狀態(tài)的電氣接點就必須準(zhǔn)確、及時地予以反映,這是維管部門關(guān)注道岔區(qū)段行車安全的重點。

2）列車通過岔區(qū)時,線路彈性層的起伏量如果超限,會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換設(shè)備長時間處于高振動量級的環(huán)境下,使得轉(zhuǎn)換設(shè)備的緊固件松動、結(jié)構(gòu)件磨損加速。

3）粹火的尖軌在振動環(huán)境下會釋放可能的剩余應(yīng)力,引起尖軌變形,影響尖軌與基本軌的密貼狀態(tài)。

4）道岔轉(zhuǎn)換故障主要表現(xiàn)為:表示桿缺口穩(wěn)定周期短,斷表示故障頻發(fā)；密貼力（靜態(tài)）變化大,鎖閉機構(gòu)不能正常解鎖和鎖閉；轉(zhuǎn)換中動作桿卡阻,尖軌不能到達正常位置；尖軌與基本軌向“四開”方向變化,構(gòu)成行車安全隱患。

2 關(guān)鍵技術(shù)

由于道岔結(jié)構(gòu)基本位置參數(shù)的監(jiān)測,需要將測距傳感器設(shè)置在一個穩(wěn)定的參考點上進行長期測量,因此,選定承載尖軌的軌枕間道床中心點,新設(shè)基樁安裝高精度激光測距傳感器,在尖軌被測點上新設(shè)轉(zhuǎn)換靶標(biāo)。當(dāng)尖軌結(jié)構(gòu)位置發(fā)生變化,靶標(biāo)能將位置變化反應(yīng)到與測距傳感器方向的距離變化,從而測量出各個被監(jiān)測點的變化。軌旁設(shè)立現(xiàn)場采集單元對下設(shè)傳感器進行處理,再由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳送至位于車站的控制室服務(wù)器,服務(wù)器對采集數(shù)據(jù)分析后,反映出可能的設(shè)備損耗和變化趨勢。

系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)變化,自動分析趨勢,設(shè)置預(yù)、報警值,提醒運維人員進行維修,減少設(shè)備維護工作量,降低對行車的影響。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器單元、采集單元、中心處理單元、傳輸網(wǎng)絡(luò)等四部分組成,見圖1。傳感器單元根據(jù)所測項目的不同,按周期對所測項目進行測試,記錄并上傳相關(guān)信息；采集單元將傳感器單元采集到的相關(guān)信息,實時通過傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳至中心處理單元；中心處理單元根據(jù)所收集到的信息,實時分析所測項目相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化的趨勢?，F(xiàn)場實施情況見圖2。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 現(xiàn)場實施

2.2 工作原理

通過在線路中間安裝高精度光電距離傳感器,非接觸式地測量道岔尖軌、心軌的位置變化,結(jié)合道岔動態(tài),建立長期實時監(jiān)測機制。

監(jiān)測模式有靜態(tài)和動態(tài)2種,不同工作模式所監(jiān)測的項目不同。靜態(tài)是指無列車通過道岔時的工作模式,動態(tài)是指列車經(jīng)過道岔時的工作模式。靜態(tài)工作模式監(jiān)測尖軌的動程、尖軌伸縮量、基本軌伸縮量、外鎖閉拉桿與動作桿平順狀況；動態(tài)工作模式監(jiān)測斥離尖軌振幅。

2.3 監(jiān)測項目

道岔轉(zhuǎn)換監(jiān)測設(shè)備可以對在用道岔的關(guān)鍵參數(shù)（道岔開口、尖軌伸縮量、基本軌狀態(tài)等）及轉(zhuǎn)換設(shè)備的狀態(tài)（振動加速度、外鎖閉與動作桿平順狀況等）進行周期性或?qū)崟r測量。具體監(jiān)測項目:①道岔轉(zhuǎn)換過程中,直流轉(zhuǎn)轍機動作電流、故障電流、動作時間（現(xiàn)有監(jiān)測信息）；②道岔轉(zhuǎn)換過程中,交流轉(zhuǎn)轍機動作電流、功率、動作時間（現(xiàn)有監(jiān)測信息）；③道岔表示交、直流電壓（現(xiàn)有監(jiān)測信息）；④尖（心）軌的伸縮量；⑤尖（心）軌的動程；⑥斥離尖軌的振幅；⑦基本軌、翼軌的伸縮量；⑧轉(zhuǎn)轍機外鎖閉拉桿與動作桿平順狀況。

2.4 現(xiàn)場安裝方式

在牽引點前端第一個枕木孔處安裝監(jiān)測盒,內(nèi)置8個光電傳感器,負(fù)責(zé)左右尖軌數(shù)據(jù)的采集。在基本軌上利用專用卡具安裝靶標(biāo),用于基本軌伸縮量的測量；利用安裝裝置尖端鐵螺栓安裝靶標(biāo),用于尖軌動程、伸縮量和振動情況的測量。其他牽引點部位的采集點設(shè)置及安裝方式與第一牽引點類似。

3 試驗與效果驗證

在蘭州局集團公司富強堡站,選擇了一組道岔進行試驗。道岔為60 kg/m 12號雙機牽引外鎖閉道岔,轉(zhuǎn)轍設(shè)備為ZYJ型液壓轉(zhuǎn)轍機,在尖一、尖二轉(zhuǎn)換設(shè)備處安裝監(jiān)測系統(tǒng),收集該道岔運用狀態(tài)各類參數(shù),驗證監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性,檢驗系統(tǒng)對道岔運用狀態(tài)的維護工作是否具有指導(dǎo)性。

3.1 尖軌動程監(jiān)測

1）現(xiàn)場人工測量確認(rèn)尖軌的動程,同時傳感器分別測量尖軌密貼、斥離位的距離,設(shè)置密貼狀態(tài)為基準(zhǔn)。

2）監(jiān)測該道岔左、右尖軌在轉(zhuǎn)換狀態(tài)或是列車通過后的動程數(shù)據(jù),均很穩(wěn)定,說明道岔軌距基本無變化、尖軌狀態(tài)穩(wěn)定、轉(zhuǎn)轍設(shè)備密貼調(diào)整合適、轉(zhuǎn)轍設(shè)備動程未發(fā)生變化,后期維護可借鑒測試數(shù)據(jù),減少相應(yīng)的轉(zhuǎn)轍設(shè)備檢修工作量。

3）監(jiān)測中出現(xiàn)一次道岔定位缺口報警,經(jīng)后期數(shù)據(jù)分析,在缺口報警前系統(tǒng)監(jiān)測到左尖軌定位動程發(fā)生了變化、超出基準(zhǔn)值,經(jīng)現(xiàn)場檢查判定為維修作業(yè)引起。

3.2 尖軌伸縮量監(jiān)測

1）傳感器測量尖軌在密貼狀態(tài)的距離,以此為基準(zhǔn),實時監(jiān)測尖軌伸縮量的變化。

2）在夏季狀態(tài)下,左、右尖軌伸縮量基本穩(wěn)定,說明尖軌無爬行現(xiàn)象。

3）在進入冬季后,尖軌夜間和白天的伸縮量變化較大,尤其是早晚時段變化更明顯。原因為尖軌除牽引點和岔根處有連接外,其余基本都是在自由狀態(tài),在溫差較大時,由于熱脹冷縮的原因致使伸縮量隨之發(fā)生變化。綜合動程、尖軌伸縮量測量數(shù)據(jù),可根據(jù)不同季節(jié)制訂轉(zhuǎn)換設(shè)備的調(diào)整指標(biāo)。

3.3 基本軌伸縮量監(jiān)測

1）傳感器測量基本軌的距離,并以此為基準(zhǔn),實時監(jiān)測基本軌伸縮量的變化。

2）在夏季,基本軌伸縮量基本穩(wěn)定；冬季早晚時段伸縮量雖然有變化,但變化幅度不大。分析原因為固定基本軌的扣件齊全、壓力合適,在溫差較大時,雖然由于熱脹冷縮的原因致使伸縮量隨之發(fā)生變化,但由于基本軌固定良好,其變化量均在允許范圍內(nèi)。

3.4 斥離尖軌振幅監(jiān)測

1）傳感器測量斥離尖軌的距離,并以此為基準(zhǔn),實時監(jiān)測列車通過道岔時尖軌振幅的變化。通過測試,左側(cè)尖軌在斥離狀態(tài)列車經(jīng)過時,振幅數(shù)據(jù)變化較小。

2）測試中發(fā)現(xiàn)右尖軌在斥離狀態(tài)列車經(jīng)過時,振幅數(shù)據(jù)變化較大。分析原因,初步判定右尖軌處存在道床不穩(wěn)或者尖軌空吊現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場檢查,發(fā)現(xiàn)第一、三、五滑床板與尖軌間隙過大,經(jīng)整治后振幅變化明顯減少。

4 試驗結(jié)果分析

1）道岔運用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能按周期對道岔運用狀態(tài)進行實時測試,記錄和上傳監(jiān)測信息并存儲分析。

2）數(shù)據(jù)可以實時為維護人員提供預(yù)、報警信息,大量數(shù)據(jù)積累后,可以為制訂道岔及轉(zhuǎn)換設(shè)備維護策略提供數(shù)據(jù)支撐,這些均有助于現(xiàn)場逐漸從現(xiàn)有計劃修向狀態(tài)修過渡。

3）道岔運用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與既有的微機監(jiān)測、道岔缺口監(jiān)測等系統(tǒng)結(jié)合使用,可以有效減少道岔轉(zhuǎn)換故障的發(fā)生,為道岔及轉(zhuǎn)換設(shè)備實現(xiàn)狀態(tài)修提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

5 結(jié)束語

目前,試用設(shè)備的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)可滿足現(xiàn)場工務(wù)、電務(wù)對道岔日常維護參數(shù)的監(jiān)測需求,尤其在溫差變化加大時,能直觀反映出鋼軌伸縮量的變化。在道岔密貼調(diào)整后,動程的變化亦可及時體現(xiàn)。在后期,通過優(yōu)化道岔運用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對道岔關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測周期,使道岔維修人員能夠提前了解道岔工作狀態(tài)的變化趨勢,及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題,減少道岔轉(zhuǎn)換故障。

通過對道岔狀態(tài)精確評價、故障診斷預(yù)測、趨勢變化分析、全面感知安全風(fēng)險預(yù)警,推進了實施道岔精確維修和預(yù)防性狀態(tài)修,提高了維修效率、降低了維修成本,為確保道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備運用穩(wěn)定提供技術(shù)保障。