高速鐵路無縫線路鋼軌縱向應(yīng)力與軌溫監(jiān)測系統(tǒng)研究

摘? 要：鋼軌縱向應(yīng)力的變化與無縫線路作業(yè)安全性密切相關(guān)。為實(shí)現(xiàn)對無縫線路鋼軌縱向應(yīng)力與軌溫的監(jiān)測，提出一種基于應(yīng)變電測法的鋼軌軌溫、縱向應(yīng)力的監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對無縫線路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測性能后，安裝在實(shí)際工作環(huán)境，采集無縫線路的鋼軌應(yīng)力與溫度數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)傳輸與分析，為無縫線路的安全作業(yè)提供科學(xué)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：無縫線路；鋼軌溫度；縱向應(yīng)力；實(shí)時(shí)監(jiān)測

中圖分類號：TP311；U213.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）03-0168-04

Research on the Monitoring System for Rail Longitudinal Stress and Rail Temperature of Jointless Track in High-speed Railway

CUI Wanli

（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan? 430063， China）

Abstract： The change of rail longitudinal stress is closely related to the safety of jointless track operation. In order to realize the monitoring of the rail longitudinal stress and rail temperature of the jointless track， a monitoring system based on the rail temperature and longitudinal stress of strain electrometry is proposed to realize the real-time monitoring of the risk points of the jointless track. After the system performance is tested in the laboratory， it is installed in the actual working environment to collect the rail stress and temperature data of the jointless track， and transmit and analyze it in real time， providing scientific guidance for the safe operation of the jointless track.

Keywords： jointless track; rail temperature; longitudinal stress; real-time monitoring

0? 引? 言

當(dāng)前我國高速鐵路全部一次鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路，消除了鋼軌接頭，減少了列車對軌道的附加動荷載，使列車運(yùn)行更加平穩(wěn)，線路維修費(fèi)用低，使用壽命長，提高了列車舒適度，降低了輪軌振動與噪聲[1-3]。由于無縫線路中鋼軌不能自由伸縮，當(dāng)鋼軌溫度變化時(shí)，將在鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生縱向應(yīng)力，尤其是在長大連續(xù)梁處，由于梁、軌相互作用，存在梁對無縫線路鋼軌施加縱向附加力，如不能及時(shí)準(zhǔn)確地掌握無縫線路鋼軌縱向應(yīng)力變化，會給無縫線路作業(yè)帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，為科學(xué)指導(dǎo)高速鐵路無縫線路的養(yǎng)護(hù)維修及管理，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握無縫線路鎖定軌溫、縱向應(yīng)力及其變化規(guī)律是必須的[4-7]。

目前國內(nèi)外對無縫線路鋼軌縱向應(yīng)力的檢測、監(jiān)測方法，可分為應(yīng)力法、應(yīng)變法及剛度與物理受力模型法[8，9]。應(yīng)力法主要是測量某種物理量變化與應(yīng)力之間的關(guān)系，如巴克豪森噪聲法、磁導(dǎo)率測定法、X射線、超聲波等。應(yīng)變法則是通過測量一定長度鋼軌的伸縮量來檢測鎖定軌溫，如：觀測樁法、測標(biāo)法、激光觀測法等[10]。第三類是根據(jù)鋼軌承受軸向力時(shí)，鋼軌提升剛度具有規(guī)律性的特點(diǎn)，通過鋼軌物理受力模型直接計(jì)算出鋼軌縱向力及實(shí)際鎖定軌溫[11]。

以上各種檢測、監(jiān)測方法中，應(yīng)變法需要在無縫線路鋼軌零應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)定，部分應(yīng)力法需要對鋼軌材質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定，給現(xiàn)場檢測、監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用造成了一定的限制；根據(jù)剛度與物理受力模型直接計(jì)算出鋼軌縱向力及實(shí)際鎖定軌溫方法，不需對鋼軌材質(zhì)標(biāo)定或在無縫線路鋼軌零應(yīng)力狀態(tài)下標(biāo)定，是一種操作方便、快速的檢測方法。但不滿足對無縫線路鋼軌縱向應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測的需要。因此，本文基于應(yīng)變電測法提出了一套實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼軌軌溫、縱向應(yīng)力的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對無縫線路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過采集的鋼軌應(yīng)力及溫度數(shù)據(jù)，為無縫線路養(yǎng)護(hù)維修提供科學(xué)指導(dǎo)。

1? 方案設(shè)計(jì)與系統(tǒng)構(gòu)成

1.1? 方案設(shè)計(jì)

本文根據(jù)“標(biāo)定軌長法”，基于應(yīng)變電測法測量無縫鋼軌受扣件和道床阻力約束狀態(tài)下的應(yīng)變來計(jì)算鋼軌應(yīng)力，通過鋼軌應(yīng)變和鋼軌溫度數(shù)據(jù)解算無縫線路實(shí)際鎖定軌溫的變化。設(shè)計(jì)的鋼軌溫度應(yīng)力檢測模塊如圖1所示。

1.2? 系統(tǒng)總體方案

為實(shí)現(xiàn)鋼軌縱向應(yīng)力與軌溫監(jiān)測的實(shí)時(shí)監(jiān)測，設(shè)計(jì)了監(jiān)測系統(tǒng)，主要由三層設(shè)備組成，基層的鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測模塊分布式安裝在鋼軌軌腰上，可以實(shí)時(shí)采集鋼軌的動態(tài)數(shù)據(jù)；基層的太陽能供電系統(tǒng)安裝在線路旁，為整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)提供充足的電能，保障系統(tǒng)的運(yùn)行；中層的無線傳輸模塊安裝在線路旁，可以將采集到的數(shù)據(jù)快速上傳云端；高層的遠(yuǎn)程監(jiān)測終端設(shè)置在后方的工務(wù)段或車間內(nèi)，可以從網(wǎng)絡(luò)云端下載采集到的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，最終所有的數(shù)據(jù)存儲在高層的存儲服務(wù)器內(nèi)長期保存。監(jiān)測系統(tǒng)方案原理圖如圖2所示。

2? 系統(tǒng)靜載、疲勞、高低溫環(huán)境測試

為測試鋼軌應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和數(shù)據(jù)的重復(fù)性，在高低溫環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性，通過200萬次疲勞加載之后的可靠性。委托了北京鐵科工程檢測中心對其進(jìn)行工程質(zhì)量檢測。主要試驗(yàn)設(shè)備如下：2 000 kN電液伺服試驗(yàn)機(jī)、200 kN電液伺服作動器、高低溫環(huán)境箱、應(yīng)變儀、電腦。

2.1? 試驗(yàn)步驟

（1）將兩個(gè)鋼軌應(yīng)力傳感器（151傳感器、152傳感器）用膠對稱粘貼到60 kg/m鋼軌兩側(cè)，同時(shí)在鋼軌應(yīng)力傳感器的同一縱向軸線上粘貼應(yīng)變片。

（2）通過2 000 kN電液伺服試驗(yàn)機(jī)對鋼軌進(jìn)行分級施加壓力，從0～1 500 kN，每級100 kN荷載，分級加載2個(gè)循環(huán)；同時(shí)記錄試驗(yàn)機(jī)、鋼軌應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)變儀的數(shù)據(jù)。

（3）將60 kg/m鋼軌放置在高低溫環(huán)境箱中無約束的滾軸支座上，允許其在受溫度變化時(shí)，可以自由伸縮。在高低溫環(huán)境箱內(nèi)溫度達(dá)到-20 ℃、-30 ℃、-40 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃、60 ℃、70 ℃和75 ℃時(shí)，記錄鋼軌應(yīng)力傳感器采集到的溫度和應(yīng)變。環(huán)境箱每次達(dá)到設(shè)定溫度后，保溫30分鐘，再進(jìn)行升溫或降溫。

（4）通過200 kN電液伺服作動器對鋼軌進(jìn)行疲勞加載，疲勞試驗(yàn)按正弦波加載，上限力值P上=150 kN，加載下限力值P下=10 kN，循環(huán)次數(shù)N=2×106。疲勞試驗(yàn)后檢查鋼軌應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的外觀，測試其工作是否正常。

部分靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄如表1所示。

2.2? 試驗(yàn)結(jié)論

通過試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：

（1）靜載試驗(yàn)過程中，對鋼軌施加壓力時(shí)得出兩個(gè)鋼軌應(yīng)力傳感器應(yīng)力平均值與試驗(yàn)機(jī)壓力值的比對誤差，以及兩次加載過程中鋼軌應(yīng)力傳感器應(yīng)力值的重復(fù)性，如表2所示。

誤差值計(jì)算方法：試驗(yàn)機(jī)壓力值除以鋼軌橫截面積再減去兩個(gè)鋼軌應(yīng)力傳感器應(yīng)力平均值，60 kg/m鋼軌的橫截面積取7 745 mm2。

重復(fù)性計(jì)算方法：兩次加載過程中兩側(cè)鋼軌應(yīng)力傳感器應(yīng)力平均值的差值。

（2）從圖3中可以看到鋼軌溫度與環(huán)境溫度有滯后現(xiàn)象，兩個(gè)鋼軌應(yīng)力傳感器溫度測試在-30～75 ℃時(shí)工作正常。

（3）經(jīng)檢查，經(jīng)過200萬次疲勞加載鋼軌應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)外觀無變化，疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，對鋼軌進(jìn)行靜載試驗(yàn)，鋼軌應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)可正常工作。

3? 現(xiàn)場測試

3.1? 設(shè)備現(xiàn)場安裝

在某高鐵無縫線路易產(chǎn)生應(yīng)力集中的地段選取鋼軌，均勻布設(shè)鋼軌縱向應(yīng)力溫度傳感器。

鋼軌溫度應(yīng)力檢測模塊通過黏合劑粘接在鋼軌側(cè)面中心軸，黏合前對鋼軌進(jìn)行除銹處理，除銹處理過程如圖4所示。由于工況較為惡劣，對黏合劑的力學(xué)性能、穩(wěn)定性、適用溫度范圍及化學(xué)性質(zhì)均有較高要求，同時(shí)應(yīng)盡可能地減少從測量體變形以及到應(yīng)變計(jì)的損失。通過研究選擇的膠體，其力學(xué)特性如表3所示。

涂膠以后，用自主設(shè)計(jì)的傳感器推壓夾具把傳感器壓在膠上在3分鐘，然后對應(yīng)變片表面施加垂直力113 kN，持續(xù)時(shí)間為12～15分鐘。傳感器推壓夾具如圖5所示。

無線傳輸模塊封裝裝在設(shè)備盒內(nèi)，設(shè)備盒底座平臺采用6 mm的鋼板，有4個(gè)底座固定孔，孔徑為18 mm，底座平臺通過膨脹螺栓固定在路肩混凝土或橋梁防撞墻上（不低于C15混凝土），膨脹螺栓采用M16×125，不得侵入限界。

無線傳輸模塊及太陽能供電系統(tǒng)的安裝也是依靠膨脹螺栓，安裝效果圖如圖6所示。

3.2? 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集以自動采集為主、手動采集為輔。自動采集通過軟件預(yù)設(shè)置，手動采集可以在關(guān)鍵的時(shí)間點(diǎn)增加采集的次數(shù)，系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)設(shè)置如圖7所示。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能支持選擇數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)、專家數(shù)據(jù)的選擇輸入并提供多種公布的數(shù)據(jù)源。系統(tǒng)專用服務(wù)器主要用來管理海量數(shù)據(jù)的采集，以及設(shè)備在線狀態(tài)顯示、設(shè)備節(jié)點(diǎn)增加、重命名、刪除等管理員操作。

3.3? 數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)采用可靠的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和雙工通信方式，模塊傳輸數(shù)據(jù)采用全雙工的工業(yè)總線方式，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用CRC（Cyclic redundancy check）校驗(yàn)，GPRS（General packet radio service）組網(wǎng)數(shù)據(jù)采用兩個(gè)通信供應(yīng)商的數(shù)據(jù)通道，可以保證數(shù)據(jù)最大限度地鏈接傳輸；在傳輸數(shù)據(jù)方面系統(tǒng)采用多次冗余發(fā)送數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)加密、傳輸CRC校驗(yàn)、數(shù)據(jù)多重握手，保證數(shù)據(jù)的傳輸可靠性及數(shù)據(jù)采集的及時(shí)性。

3.4? 數(shù)據(jù)存儲

系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并存儲，數(shù)據(jù)庫存儲引擎可實(shí)時(shí)復(fù)制數(shù)據(jù)，用于需要高可靠性及負(fù)載均衡的場合。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫顯示界面如圖8所示。

3.5? 數(shù)據(jù)處理

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理功能有：

（1）分類、排序已有的采集數(shù)據(jù)，分類和排序的選項(xiàng)是時(shí)間、節(jié)點(diǎn)類型以及名字、報(bào)警點(diǎn)等。

（2）分析歷史趨勢曲線，顯示曲線采集點(diǎn)，可以顯示自動采集或者人工采集時(shí)間點(diǎn)。

（3）提供專家工具，給出最佳分布，根據(jù)已有的歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，專家系統(tǒng)可發(fā)現(xiàn)異常變化與附加力，以控制風(fēng)險(xiǎn)和指導(dǎo)維護(hù)。

（4）提供多種參數(shù)計(jì)算方法。

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)管理功能有：

（1）提供數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫管理功能，對局、段、車間、工區(qū)提供不同的權(quán)限，提供不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

（2）支持自定義可靠性模型。

（3）支持自定義編碼命名規(guī)則。

（4）支持用戶創(chuàng)建專用數(shù)據(jù)庫，可針對某時(shí)間，或者某節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行二次分析與重點(diǎn)分析。

（5）允許定義訪問數(shù)據(jù)庫不同用戶等級。

系統(tǒng)的功能主要有：實(shí)時(shí)顯示、趨勢分析、數(shù)據(jù)欄隱藏、歷史數(shù)據(jù)分析下載、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、啟用以及暫停、局部放大功能，系統(tǒng)可以顯示多個(gè)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)用戶需要顯示單獨(dú)一個(gè)放大的數(shù)據(jù)頁面。

同時(shí)系統(tǒng)檢測到無縫線路縱向應(yīng)力變化超過規(guī)定時(shí)，系統(tǒng)將預(yù)警或報(bào)警。

4? 結(jié)? 論

綜上，文章得出以下結(jié)論：

（1）測試表明，所設(shè)計(jì)的鋼軌應(yīng)力傳感器可在-30～75℃時(shí)工作正常，在應(yīng)力值重復(fù)性檢測中表現(xiàn)良好，并在200萬次疲勞加載鋼軌應(yīng)力后仍可以正常工作。

（2）現(xiàn)場安裝監(jiān)測系統(tǒng)3大模塊時(shí)，充分考慮了設(shè)備安裝可靠性，保證了監(jiān)測系統(tǒng)可長期穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）所設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、處理全流程，極大地簡潔了工程師操作，提高了工作效率。

（4）經(jīng)現(xiàn)場測試，高速鐵路無縫線路鋼軌軌溫、縱向應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，能滿足無縫線路鎖定軌溫檢測精度及全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測需求；當(dāng)監(jiān)測到無縫線路鋼軌附加應(yīng)力超過規(guī)定值時(shí)會進(jìn)行預(yù)警或報(bào)警，為無縫線路養(yǎng)護(hù)維修提供科學(xué)指導(dǎo)。

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作者簡介：崔萬里（1990.09—），男，漢族，河南平頂山人，工程師，碩士研究生，研究方向：鐵路機(jī)械設(shè)備。

收稿日期：2022-09-07

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“物聯(lián)網(wǎng)與智慧城市關(guān)鍵技術(shù)及示范”重點(diǎn)專項(xiàng)（2018YFB2100900）