朔黃鐵路橋上無縫線路監(jiān)測系統(tǒng)設計研究

張斌 徐玉坡

1.朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北 肅寧 062350；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

朔黃鐵路西起山西省神池南站，東至河北省黃驊港站，全長594 km。隨著朔黃鐵路逐步開通萬噸、兩萬噸重載列車，形成了大軸重、高密度、大運量的運輸態(tài)勢［1-2］。朔黃重載鐵路橋上無縫線路設計遵循該線設計時的相關標準，即溫度跨超過120 m的混凝土梁應設置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。因此，朔黃重載鐵路前期在紅山崖、莊里和滴硫磴三座滹沱河大橋的重車線設置了雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。設計通過列車軸重不大于25 t，允許最高通過速度為120 km/h，設計伸縮量為±500 mm。

經(jīng)過長期的重載運輸，雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器出現(xiàn)了尖軌頂面磨耗、鐵墊板焊接處開裂或斷裂現(xiàn)象，同時調(diào)節(jié)器兩端的軌縫接頭也給線路平順性帶來不利影響［3］。若取消雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，不僅可以提高橋上線路平順性，而且可以減少養(yǎng)護維修工作量并節(jié)省設備維護費用。因此，對上述三座橋梁取消雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器后無縫線路的穩(wěn)定性進行了檢算和評估，決定取消鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，改為鋪設無縫線路。

為了實時監(jiān)測無縫線路的軌道狀態(tài)，研制了無縫線路軌道狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。通過對無縫線路鋼軌軌溫、溫度力、軌枕橫向位移、輪軌力等參數(shù)的實時監(jiān)測，實現(xiàn)對軌道結(jié)構服役狀態(tài)的分析評估。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體技術指標

監(jiān)測系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、遠程設備維護、測試結(jié)果傳輸、異常值報警等功能，系統(tǒng)適應不同線路條件（如曲線、橋上、岔區(qū)、大坡道等）和電氣化區(qū)段，采用移動通信進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)主要技術指標：①工作環(huán)境溫度為-20～60℃；②溫度監(jiān)測精度±0.5℃，鋼軌溫度力監(jiān)測精度不低于5%，輪軌力監(jiān)測精度不低于3%；③供電系統(tǒng)采用交流220 V或太陽能供電系統(tǒng)雙模式供電。

2 系統(tǒng)構成

無縫線路監(jiān)測系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)采集設備、現(xiàn)場供電系統(tǒng)、服務器等。軟件系統(tǒng)包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)管理、服務器數(shù)據(jù)庫管理和終端數(shù)據(jù)管理三部分。

2.1 硬件系統(tǒng)

傳感器用于感知溫度、應變、位移等參數(shù)；數(shù)據(jù)采集設備將傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，通過無線傳輸網(wǎng)絡將數(shù)字信號傳給服務器?，F(xiàn)場供電系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集模塊和傳輸模塊提供電源，首選220 V交流電對設備進行供電。服務器用于測試數(shù)據(jù)的存儲和分析。

為適應惡劣監(jiān)測環(huán)境和長監(jiān)測周期對傳感器的穩(wěn)定性、耐久性等的要求，對光纖光柵傳感器和振弦式傳感器進行對比。兩種傳感器都具有測試精度高、抗干擾能力強、體積小的優(yōu)點。光纖光柵傳感器需要光纖傳輸信號，且光纖不能彎折，同時為了減少光纖信號損耗，一般使用熔接的方式聯(lián)結(jié)傳感器，現(xiàn)場施工極為不便［4-5］。光纖光柵解調(diào)儀需要配合工控機使用，工作溫度范圍、抗震及耐腐蝕性能受限，不適用于惡劣環(huán)境。振弦式傳感器傳輸與被測量相關的頻率分量，具有良好的環(huán)境適應性，現(xiàn)場安裝和維護簡單［6］。通過在鋼軌上安裝電阻應變片測量輪軌力，電阻應變片精度高，測量范圍廣，壽命長，結(jié)構簡單，能在惡劣條件下工作，易于實現(xiàn)小型化，具有較高精度和靈敏度［7］。因此，鋼軌溫度力和位移的測量選用振弦式傳感器，輪軌力的測量選用電阻應變片。

數(shù)據(jù)采集設備主要由信號處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、嵌入式控制模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。信號處理模塊的功能是將接收到的微弱信號的電壓幅值調(diào)整到適合數(shù)據(jù)采集的電壓幅值范圍。數(shù)據(jù)采集模塊的功能是將得到的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并將獲得的數(shù)字信號發(fā)送到嵌入式控制模塊。嵌入式控制模塊是數(shù)據(jù)采集設備的核心模塊，其功能是控制數(shù)據(jù)采集模塊按照指令工作，將數(shù)據(jù)采集模塊獲取的信號進行處理［8］。數(shù)據(jù)傳輸模塊的功能是通過4G網(wǎng)絡將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至服務中心。

由于測試工點不具備接入220 V交流電的條件，設計了太陽能供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池、逆變器等組成，能保證監(jiān)測系統(tǒng)在沒有光照情況下正常工作7 d［9］。

2.2 軟件系統(tǒng)

無縫線路監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)除了具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、軌道狀態(tài)評估等功能外，還包括以下功能：①歷史數(shù)據(jù)查詢；②可手動添加測試工點，并添加該工點傳感器的鏈接按鈕；③對不同類型的傳感器數(shù)值以波形實時顯示；④可同時顯示某個工點同一類型所有傳感器的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和說明信息；⑤對新增測試工點的信息進行更新；⑥不同的用戶對該系統(tǒng)的操作權限不同，用戶可自己修改登錄密碼。當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值時系統(tǒng)可以自動報警，根據(jù)實際情況將數(shù)值分成幾個等級，分別采取相應的措施。不同類型的參數(shù)分別顯示，監(jiān)測結(jié)果一目了然。

3 無縫線路軌道狀態(tài)評估分析

從無縫線路的穩(wěn)定性、鋼軌溫度力和動力學參數(shù)三個方面對軌道狀態(tài)進行評估。

3.1 無縫線路穩(wěn)定性

鋼軌及軌枕橫向位移是表征無縫線路穩(wěn)定性的重要參數(shù)。橫向位移在小范圍之內(nèi)時軌道具有橫向彈性，當軌道外界干擾（列車制動力、環(huán)境溫度）減小或消失時，軌道橫向位移隨之減小，甚至恢復為0，表明無縫線路具有足夠穩(wěn)定性。鋼軌及軌枕橫向位移累積到一定數(shù)值時無法自行恢復，該現(xiàn)象即為脹軌，此時無縫線路穩(wěn)定性不足。在外界干擾作用下橫向位移可能突然增大，軌道出現(xiàn)明顯橫向扭曲，出現(xiàn)跑道現(xiàn)象，此時無縫線路完全失穩(wěn)［10］。

脹軌和跑道危及行車安全，應當提前預警，但是必須首先確定無縫線路具有足夠穩(wěn)定性時橫向位移的上限值、脹軌發(fā)生和即將失穩(wěn)的橫向位移。軌枕在道床中持續(xù)橫向位移到某一值時會出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，即軌枕橫向位移增加而阻力不增加，該值一般在2 mm。因此，將軌枕橫向位移2 mm作為開始脹軌的標志。

按橫向位移d把無縫線路穩(wěn)定性劃分三個階段：①0≤d<2 mm為正常穩(wěn)定階段；②2 mm≤d<5 mm為脹軌階段；③d≥5 mm為跑道階段。

3.2 無縫線路鋼軌溫度力

用于評估軌道狀態(tài)的溫度力閾值需要通過計算確定。計算參數(shù)：直線，軌枕布置1667根/km，橋上鋼軌附加縱向力200 kN/軌，鋼軌類型75 kg/m，Ⅲ型枕。采用無縫線路不等波長穩(wěn)定性計算公式［11］進行溫度力壓力容許值的計算?？紤]無縫線路鋼軌溫度力不均勻性的影響，計算得到75 kg/m鋼軌無縫線路溫度力壓力容許值為1717 kN。

確定無縫線路溫度力拉力容許值需考慮兩個因素：①列車輪重作用下鋼軌軌底動彎應力符合鋼軌容許應力的檢算要求；②無縫線路在冬季鋼軌折斷時的斷縫符合線路要求。

先按照TB 2034—1988《鐵路軌道強度檢算法》計算列車輪重作用下鋼軌軌底動彎應力，然后計算得到朔黃重載鐵路直線地段75 kg/m鋼軌無縫線路溫度力拉力容許值為2065 kN。鋼軌斷縫未超過容許值時，可根據(jù)鋼軌折斷后溫度力的分布情況得到無縫線路容許溫降。斷縫決定的無縫線路溫度力拉力容許值為1499 kN。斷縫決定的無縫線路容許拉力較不利，因此重載鐵路75 kg/m鋼軌無縫線路的鋼軌溫度力拉力容許值取1499 kN。

3.3 無縫線路動力學參數(shù)

無縫線路動力學參數(shù)評估主要依據(jù)TB/T 2360—1993《鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》和GB 5599—1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》。動力學參數(shù)評估的閾值見表1。P為靜軸重。

表1 動力學參數(shù)評估的閾值

重載鐵路無縫線路動力學參數(shù)評估著重強調(diào)重載列車運行安全性，首先根據(jù)動力學參數(shù)容許值進行評判，如出現(xiàn)超限數(shù)據(jù)，立即進行線路病害和車輛病害排查，并針對具體情況采取不同維修措施。

4 應用實例

無縫線路監(jiān)測系統(tǒng)在朔黃鐵路紅山崖滹沱河大橋進行了試用。橋上取消雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器并鋪設無縫線路，然后對軌溫、鋼軌溫度力、輪軌力等參數(shù)進行了長期監(jiān)測。

選取2018年1月1日至2018年12月31日監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。溫度監(jiān)測內(nèi)容主要包括重車線、輕車線的軌溫和監(jiān)測點的環(huán)境溫度，監(jiān)測結(jié)果見表2。可知：①最高環(huán)境溫度低于最高軌溫（中午有光照），最低環(huán)境溫度與最低軌溫（凌晨無光照）基本相當，說明太陽光照對軌溫的影響較大；②重車線的最高軌溫高于輕車線，說明列車軸重對軌溫存在一定影響。

表2 軌溫和環(huán)境溫度最大值統(tǒng)計結(jié)果

重車線鋼軌溫度力監(jiān)測結(jié)果見表3。其中，溫度力為正表示拉力，溫度力為負表示壓力?？芍簾o論是拉力，還是壓力均未超出容許值，說明取消鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器后無縫線路穩(wěn)定性滿足設計要求。

表3 重車線鋼軌溫度力最值統(tǒng)計結(jié)果

任選8000輛軸重25 t C80貨車經(jīng)過測試工點時的無縫線路動力學參數(shù)進行統(tǒng)計，結(jié)果見表4?？芍毫熊囃ㄟ^時的動力學參數(shù)均在閾值范圍內(nèi)，軌道狀態(tài)良好，列車運行安全。

表4 動力學參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

5 結(jié)語

朔黃重載鐵路部分大橋取消雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，改為無縫線路，需要對無縫線路的軌道狀態(tài)進行實時監(jiān)測以保證行車安全，為此研發(fā)了無縫線路軌道狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于重載鐵路現(xiàn)場環(huán)境，可對軌溫、環(huán)境溫度、鋼軌溫度力、軌枕位移、輪軌力等參數(shù)進行實時在線監(jiān)測。通過系統(tǒng)軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算分析，對無縫線路軌道狀態(tài)進行評估。該系統(tǒng)自2018年在朔黃鐵路紅山崖滹沱河大橋試用。監(jiān)測結(jié)果顯示，鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器拆除后鋼軌溫度力、輪軌力等參數(shù)處于合理范圍，該橋上無縫線路軌道狀態(tài)良好，其穩(wěn)定性滿足運營需求。