高原地區(qū)鐵路無縫道岔監(jiān)測(cè)成果分析

方 家

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043

0 引言

高原地區(qū)的鐵路建設(shè)一直是鐵路工程領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。由于獨(dú)特的地質(zhì)環(huán)境和氣候條件,高原鐵路建設(shè)和運(yùn)營過程中面臨著諸多難題。其中,無縫線路作為高原鐵路的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),通過提高軌道強(qiáng)度和平順性,優(yōu)化行車條件并降低養(yǎng)護(hù)維修成本,有助于提高鐵路的安全性、穩(wěn)定性和運(yùn)營效率,推動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。

國內(nèi)學(xué)者針對(duì)高原地區(qū)無縫線路進(jìn)行了多項(xiàng)研究。張向民 等[1-2]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值仿真,深入研究了高原無縫線路的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)。曾志平 等[3]在青藏鐵路的不凍泉地區(qū)進(jìn)行了橋上無縫線路的試驗(yàn),驗(yàn)證了規(guī)范取值在該地區(qū)的適用性。管新武[4]分析了高原鐵路的氣溫和軌溫變化規(guī)律,為無縫線路設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。王樹國 等[5]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),證實(shí)了高原鐵路鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路的可行性。潘自立 等[6]采用有限元方法,探討了大日溫差高原地區(qū)鋪設(shè)無縫線路的可能性,并提出了消除接頭的技術(shù)方案。這些研究為高原地區(qū)鐵路建設(shè)和改進(jìn)提供了寶貴的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

綜上所述,國內(nèi)學(xué)者在高原地區(qū)無縫線路研究方面取得了重要進(jìn)展,但青藏鐵路等仍采用區(qū)間無縫線路,岔區(qū)使用普通接頭[5]。本文基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析氣溫和軌溫變化規(guī)律,旨在為高原地區(qū)跨區(qū)間無縫線路的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)工點(diǎn)位于格庫鐵路依吞布拉克站無縫道岔(型號(hào):專線4249)。該地區(qū)海拔約為3 200 m,屬溫帶大陸性高原氣候,具有氣溫較低、極端干旱、風(fēng)沙大、日照充足且紫外線照射較強(qiáng)的特點(diǎn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,確定氣溫及軌溫的測(cè)點(diǎn)布置方案。由于尖軌是道岔的重要部件,依靠尖軌的扳動(dòng)將列車引入正線或側(cè)線,且尖軌亦是道岔的薄弱環(huán)節(jié),考慮到監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝應(yīng)避免影響尖軌的正常運(yùn)行,因此將軌溫測(cè)點(diǎn)選取在位于曲基本軌靠近尖軌尖端位置,如圖1所示。氣溫測(cè)點(diǎn)按小型氣象站觀測(cè)要求,設(shè)置在無縫道岔附近距離地面高度1.5 m的百葉箱內(nèi)(可避免陽光直射)。

圖1 軌溫測(cè)點(diǎn)布置及熱電阻溫度傳感器實(shí)物圖

溫度監(jiān)測(cè)采用熱電阻溫度傳感器如圖1所示,該原理是基于電阻的熱效應(yīng)來進(jìn)行溫度測(cè)量。電阻體的阻值會(huì)隨溫度的變化而變化。熱電阻隨溫度上升,電阻值也隨之增加時(shí),稱為正電阻系數(shù);反之,電阻值下降則稱為負(fù)電阻系數(shù)。因此,通過監(jiān)測(cè)感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?可以得知溫度的變化,從而利用此特性進(jìn)行溫度測(cè)量。目前,鉑和銅是應(yīng)用最廣泛的熱電阻材料。鉑電阻的優(yōu)點(diǎn)在于精度高,適用于中性和氧化性介質(zhì),具有良好的穩(wěn)定性。值得注意的是,鉑電阻表現(xiàn)出一定的非線性特性,即隨著溫度的升高,其電阻的變化率逐漸減小。銅電阻在測(cè)溫范圍內(nèi),其電阻值與溫度之間呈現(xiàn)出線性關(guān)系,具有較大的溫度系數(shù),適用于無腐蝕性介質(zhì)。然而,銅電阻在超過150 ℃的環(huán)境中容易被氧化。由于列車運(yùn)行過程中軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)較大,考慮到鉑電阻溫度傳感器還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn),因此選用鉑電阻溫度傳感器。

2 監(jiān)測(cè)過程及成果分析

氣溫?cái)?shù)據(jù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的核心基礎(chǔ)。為了確保所獲數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性,為長(zhǎng)期研究建立堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),項(xiàng)目選取了2023年8月的每日最高和最低氣溫的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),與中國氣象局發(fā)布的數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳盡的對(duì)比分析。經(jīng)比較,二者之間展現(xiàn)出了高度的相似性,如圖2所示。

圖2 氣溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)對(duì)比

氣象局所提供的數(shù)據(jù)是基于離地1.5 m的白色百葉箱內(nèi)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的,也是該地區(qū)氣溫統(tǒng)計(jì)的一個(gè)綜合數(shù)據(jù)。相對(duì)而言,本項(xiàng)目中的氣溫監(jiān)測(cè)主要是在無縫道岔附近進(jìn)行的,更傾向于捕捉監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近的氣溫變化細(xì)節(jié)。盡管兩者存在一定的差異,但這些差異并未對(duì)數(shù)據(jù)的整體趨勢(shì)和準(zhǔn)確性造成明顯影響,仍處于可接受的范圍之內(nèi)。這表明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具備較高的準(zhǔn)確性,為整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析提供了堅(jiān)實(shí)、可信的基礎(chǔ)。

軌溫是鋼軌實(shí)時(shí)狀態(tài)的直觀體現(xiàn)。由于鋼材本身的特性,軌溫往往會(huì)呈現(xiàn)出高于或低于氣溫、并且呈現(xiàn)變化迅速的特點(diǎn)。這種快速的變化會(huì)給鋼軌帶來顯著的內(nèi)部應(yīng)力,進(jìn)一步加劇了高原地區(qū)無縫道岔軌道結(jié)構(gòu)的受力復(fù)雜性。為了深入了解在氣溫波動(dòng)下軌溫的變化模式和趨勢(shì),對(duì)軌溫進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)和深入分析尤為重要。利用2023年8月所收集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),可以觀察到軌溫?cái)?shù)據(jù)與氣溫?cái)?shù)據(jù)之間的變化關(guān)系,如圖3所示。

圖3 軌溫與氣溫檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

數(shù)據(jù)對(duì)比曲線揭示,氣溫和軌溫均表現(xiàn)出以一日為周期的規(guī)律性變化,且兩者的變化趨勢(shì)相一致。軌溫變化曲線規(guī)律符合軌溫曲線特性,從而驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高度真實(shí)性和研究?jī)r(jià)值。具體到2023年8月的數(shù)據(jù),軌溫的峰值達(dá)到45 ℃,而最低值為1 ℃,期間的最大溫差為44 ℃?？紤]到整個(gè)月的數(shù)據(jù)量較大,難以進(jìn)行詳盡的數(shù)值關(guān)系分析,為更深入地探討軌溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的規(guī)律,特別選取了2023年8月2—8日的數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致對(duì)比。這一階段時(shí)間軌溫和氣溫的變化情況及具體數(shù)值如圖4和表1所示。

表1 極值溫度統(tǒng)計(jì) 單位:℃

圖4 氣溫、軌溫隨時(shí)間變化曲線

分析圖4和表1的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可得:8月2日—8日期間,日最高軌溫記錄為45℃,最低軌溫為6 ℃,日軌溫差最大值為39 ℃。值得注意的是,除了8月8日,最高軌溫大多出現(xiàn)在中午12:30—14:30的時(shí)間段,而最低軌溫則主要集中在凌晨4:30—6:30。日最高軌溫比日最高氣溫高出11～19 ℃,而日最低軌溫和日最低氣溫之間的差異則相對(duì)較小。軌溫的上升速度通常超過了氣溫的上升速度。具體來說,軌溫達(dá)到其每日的最高值通常比氣溫提前1.5～3 h。但是,在達(dá)到最低溫度這一點(diǎn)上,軌溫和氣溫之間的時(shí)間差則相對(duì)較小。

通過上述分析,可以看出軌溫和氣溫之間展現(xiàn)出明顯的關(guān)聯(lián)性。為了能夠準(zhǔn)確地量化和理解這種關(guān)聯(lián),需要進(jìn)一步探索在不同氣溫條件下軌溫的具體變化情況。數(shù)據(jù)擬合成為關(guān)鍵的研究方法,可以幫助揭示這兩個(gè)變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。為保證研究的準(zhǔn)確性和可靠性,本文選取了大量的氣溫和軌溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。利用這些豐富的數(shù)據(jù)集,可以得到一個(gè)更具代表性和可信度的結(jié)果。經(jīng)過細(xì)致的處理和分析后,這些數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化為圖5所示的擬合曲線圖。

圖5 軌溫-氣溫關(guān)系擬合分析

通過上述擬合分析,確定軌溫(y)和氣溫(x)之間的關(guān)系為一次線性關(guān)系,其擬合公式可以表示為:y=1.535 15x-4.467 19。當(dāng)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)完全緊密地落在擬合曲線上時(shí),可以認(rèn)為擬合效果達(dá)到了最佳狀態(tài),此時(shí)的相關(guān)性系數(shù)為1。參考圖5,注意到此次擬合分析的相關(guān)性系數(shù)R為0.852 52,而相關(guān)性程度Adj.R-Square則是R的平方值,即0.726 78。這2個(gè)數(shù)值均指示出上述擬合結(jié)果具有良好的質(zhì)量,因此可以使用該模型來預(yù)測(cè)和分析在不同氣溫下的軌溫變化情況。進(jìn)一步深入觀察擬合公式中的系數(shù),可以發(fā)現(xiàn)擬合系數(shù)a的誤差為0.076 57,而擬合系數(shù)b的誤差為0.004 58。這些誤差值相對(duì)較小,說明該擬合公式具有較高的準(zhǔn)確性。從上述擬合公式中還可知,當(dāng)氣溫發(fā)生1 ℃的變化時(shí),軌溫會(huì)相應(yīng)地變化約1.5 ℃。這也表明在夏季高溫時(shí)段,軌溫有可能會(huì)顯著地超過氣溫,這一現(xiàn)象可能會(huì)對(duì)無縫道岔的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此,工務(wù)部門需要特別關(guān)注這一時(shí)段,加強(qiáng)對(duì)軌溫的監(jiān)測(cè),并及時(shí)采取相應(yīng)的措施應(yīng)對(duì)可能因軌溫升高而引起的附加力以及其他相關(guān)問題。

3 結(jié)束語

本文采用熱電阻測(cè)溫技術(shù)對(duì)格庫鐵路依吞布拉克站的無縫道岔的氣溫及軌溫進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),通過對(duì)比分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與國家氣象局發(fā)布的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了氣溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí),對(duì)軌溫進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(cè)和深入分析,揭示了軌溫和氣溫之間的變化關(guān)系和趨勢(shì)。所得主要結(jié)論如下。

1)氣溫和軌溫均呈現(xiàn)以1 d為周期的規(guī)律變化,且軌溫與氣溫的變化趨勢(shì)相同。軌溫變化曲線規(guī)律符合軌溫曲線特性,驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高度真實(shí)性。

2)通常情況下,日最高軌溫要比日最高氣溫高約15 ℃,但是在每日最低點(diǎn)上,軌溫和氣溫之間的差異相對(duì)較小。此外,軌溫的上升速率往往快于氣溫的上升速率,表現(xiàn)為軌溫達(dá)到其每日峰值的時(shí)間通常比氣溫要提前1.5～3 h。

3)經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合分析,確定了軌溫和氣溫之間的一次線性關(guān)系,并得到了具體的擬合公式y(tǒng)=1.535 15x-4.467 19。同時(shí),該模型的相關(guān)性系數(shù)R達(dá)到了0.852 52,顯示出較高的相關(guān)性,這表明可以利用這一模型來有效地預(yù)測(cè)和分析在不同氣溫條件下軌溫的變化,為鐵路維護(hù)和管理提供有力的決策支持。

4)當(dāng)氣溫變動(dòng)1 ℃時(shí),軌溫會(huì)相應(yīng)變動(dòng)約1.5 ℃,顯示出軌溫對(duì)氣溫變化的敏感性。特別在夏季,當(dāng)氣溫達(dá)到高峰時(shí),軌溫有可能顯著地超越氣溫,這一現(xiàn)象有可能影響無縫道岔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用性能。因此,對(duì)于工務(wù)部門來說,需要給予這一時(shí)期特別的關(guān)注,應(yīng)增強(qiáng)對(duì)軌溫的監(jiān)測(cè)頻率和精度。同時(shí),需要提前準(zhǔn)備并及時(shí)實(shí)施有效的應(yīng)對(duì)措施,以防范因軌溫異常升高而導(dǎo)致的額外應(yīng)力以及其他相關(guān)問題。

未來可以進(jìn)一步拓展數(shù)據(jù)集,考慮更多影響因素,以提高模型的準(zhǔn)確性和應(yīng)用范圍。同時(shí),可以結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和預(yù)警機(jī)制,實(shí)現(xiàn)對(duì)軌溫的及時(shí)監(jiān)控和預(yù)警,確保高原地區(qū)無縫道岔的運(yùn)行安全和穩(wěn)定。