鄭烽 伍鐵朝 鄒濤俊

摘 要：道岔作為軌道交通系統(tǒng)中重要的行車設(shè)備，為軌道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。因道岔為可動部件且在列車動載反復(fù)作用下易產(chǎn)生裂紋、斷裂、掉塊等病害，現(xiàn)有地鐵線路檢修辦法在道岔鋼軌出現(xiàn)斷裂、掉塊等突發(fā)性故障時難以第一時間發(fā)現(xiàn)，存在較大風(fēng)險。本文介紹了一種道岔（傷損）傷損監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理及硬件構(gòu)成，并根據(jù)其在廣州地鐵的應(yīng)用，提出了擴大該類型鋼軌傷損監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用范圍及在后續(xù)研究中繼續(xù)探索實時監(jiān)測系統(tǒng)與設(shè)備養(yǎng)修結(jié)合應(yīng)用的建議。

關(guān)鍵詞：道岔;傷損監(jiān)測;全天候監(jiān)測

中圖分類號：U213.43 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

道岔是軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施中十分重要、影響行車安全的關(guān)鍵設(shè)施，要求具有高安全性、高可靠性，能長期保持良好的工作狀態(tài)，能確保列車安全、平穩(wěn)、不間斷地運行，道岔一旦出現(xiàn)故障將嚴(yán)重影響軌道交通的安全運營，甚至?xí)l(fā)生災(zāi)難性的事故。

目前在地鐵行業(yè)中，針對道岔的傷損檢查手段主要有大型鋼軌探傷車、手推式探傷小車以及手持式通用探傷儀等，仍然是采取依靠人力、階段性檢查、維護的手段，尚缺乏對道岔行之有效的自動化、全天候的監(jiān)測方法，對現(xiàn)有的手段總結(jié)，可以歸納其缺點主要有以下幾個方面：

（1）軌面寬度<50 mm的區(qū)域需手工檢查;

（2）整鑄轍叉需采用手工檢查;

（3）可動轍叉儀器可探，但可靠性較低，需結(jié)合手工檢查;

（4）手工檢查受探傷工工作經(jīng)驗、工作狀態(tài)影響較大;

（5）探傷周期較長，無法及時發(fā)現(xiàn)傷損，無法進行實時監(jiān)測，風(fēng)險較大。

地鐵作為現(xiàn)代化城市中主要的交通方式，面對日益增加的運營壓力，對設(shè)備的保障也提出了更高的要求。因此，應(yīng)用一種能夠?qū)Φ啦磉M行實時監(jiān)測的新的手段便是迫切需要的。根據(jù)前人對鋼軌無損監(jiān)測技術(shù)的研究，目前已被提出來技術(shù)理論有多種，包括基于超聲波信號理論的監(jiān)測技術(shù)[1]、基于振動信號理論的監(jiān)測技術(shù)[2]、交流電磁場監(jiān)測技術(shù)[3]、導(dǎo)波監(jiān)測技術(shù)、激光超聲監(jiān)測技術(shù)等。但這些監(jiān)測技術(shù)，要么就是只能對鋼軌表面的裂紋進行監(jiān)測，要么就是實際應(yīng)用存在較大困難，目前均未得到廣泛應(yīng)用。而聲發(fā)射信號作為一種新出現(xiàn)的無損檢測技術(shù)，能夠?qū)Σ牧辖Y(jié)構(gòu)在發(fā)展過程中的特征進行評估，很適合于用于鋼軌裂紋的檢測。在此背景下，四川西南交大鐵路發(fā)展股份有限公司率先根據(jù)聲發(fā)生信號理論研制出一種能夠針對鐵路道岔實時傷損情況進行監(jiān)測的系統(tǒng)，并于2019年在廣州地鐵實施了該系統(tǒng)的試用。通過一年的實際應(yīng)用，取得了一定效果。本文從此次試用的道岔（道岔）傷損監(jiān)測系統(tǒng)的原理及應(yīng)用出發(fā)，對其實用性進行分析研究。

1 系統(tǒng)的基本原理及結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)探測基本原理

道岔鋼軌作為監(jiān)測對象，其材料特性、結(jié)構(gòu)特性是確定的，而特定線路條件下行車特點是可統(tǒng)計的，即載荷是可統(tǒng)計的;結(jié)合斷裂力學(xué)，在鋼軌出現(xiàn)傷損時，其與聲發(fā)射信號必定會發(fā)生改變。因此，只需要在鋼軌表面安裝一種傳感器，并對鋼軌所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號持續(xù)收集并進行系統(tǒng)分析，可以判斷鋼軌的設(shè)備狀態(tài)。

1.2 報警邏輯

道岔（傷損）監(jiān)測系統(tǒng)通過前期大量的實驗以及傷損現(xiàn)場獲得各類傷損數(shù)據(jù)，提取其數(shù)據(jù)特性建立初始傷損庫;通過在現(xiàn)場各類工況下采集到的大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行正常數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，建立初始正常庫。在不同使用現(xiàn)場部署初始傷損庫、初始正常庫后，若此現(xiàn)場發(fā)生初始傷損庫所表征的傷損類型時，直接進行傷損類型的報警;若此現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)在初始傷損庫和初始正常庫中均未覆蓋的信號，則系統(tǒng)進行預(yù)警，維護人員分析此類信號對應(yīng)工況，結(jié)合工況分析結(jié)果決定此類信號應(yīng)歸入正常庫或傷損庫，實現(xiàn)匹配庫的學(xué)習(xí)和升級。

1.3 道岔（傷損）監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

道岔（傷損）監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分主要由傳感器、監(jiān)測分機、監(jiān)測主機、監(jiān)測中心、監(jiān)測終端、通信及電力傳輸通道等部分組成。各傳感器實時監(jiān)測道岔狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過有線方式傳輸至分機，由分機經(jīng)過預(yù)處理后轉(zhuǎn)發(fā)至主機，由主機中相應(yīng)的處理模塊對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，并將處理后的結(jié)果及相關(guān)信息轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)測中心，監(jiān)測中心將報警信息、故障信息存儲進數(shù)據(jù)庫并將對應(yīng)報警數(shù)據(jù)存放到指定路徑下，客戶端通過IP地址和對應(yīng)端口訪問監(jiān)測中心，調(diào)取監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫中相關(guān)信息向客戶展示。

2 道岔（傷損）監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場布置情況

道岔（傷損）監(jiān)測系統(tǒng)在研制過程中，針對城市軌道交通特色研發(fā)了適用于地鐵道岔特點的版本。為了有效監(jiān)測岔區(qū)鋼軌的傷損情況，在廣州地鐵的試用中，主要是在道岔結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)加裝監(jiān)測傳感器，每組道岔分別安裝12個，安裝位置分別在尖軌前、尖軌中、導(dǎo)曲線中部、心軌、直基本軌、曲基本軌。

2.2 應(yīng)用情況

道岔（傷損）監(jiān)測系統(tǒng)在軟件調(diào)試完成后，客戶端監(jiān)測界面可以顯示道岔基本信息及每個傳感器的工作狀態(tài)。根據(jù)顯示顏色的不同，每個傳感器可以針對其所在道岔鋼軌部件進行三個等級的傷損預(yù)警及其自身的故障預(yù)警。針對鋼軌的傷損預(yù)警：一級報警表示所在鋼軌可能發(fā)生輕微傷損，對于道岔設(shè)備影響輕微;二級報警表示所在鋼軌確定發(fā)生了較輕微的裂紋、掉塊類型的傷損;三級報警表示所在鋼軌肯定發(fā)生了嚴(yán)重裂紋、嚴(yán)重掉塊、斷軌等情況。當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)亦可以對其自身故障情況進行預(yù)警。同時，道岔（傷損）監(jiān)測系統(tǒng)在軟件后臺界面可以提供聲發(fā)射信號實時監(jiān)測波形查看。道岔（傷損）監(jiān)測系統(tǒng)利用監(jiān)測得到的波形與內(nèi)置數(shù)據(jù)庫進行特征比較，可以判斷出來傷損嚴(yán)重情況及傷損類型，并在后續(xù)使用過程中進行學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)庫升級，以滿足更精準(zhǔn)的報警需求。在一年的試用中，該系統(tǒng)的報警情況及波形監(jiān)測情況對所監(jiān)測的道岔的傷損狀態(tài)均有著較為準(zhǔn)確的反應(yīng)，證明了其有效性。

3 結(jié)論及建議

3.1 擴大應(yīng)用范圍的建議

對于道岔而言，引入領(lǐng)先于傳統(tǒng)檢測手段的無損新技術(shù)，投入一次性設(shè)備成本，既可以降低運行中的道岔鋼軌突發(fā)斷裂、折斷等情況時的安全風(fēng)險、有效降低道岔設(shè)備故障率，又可打破作業(yè)時間點的限制不斷積累道岔設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，為道岔維護由計劃修向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變創(chuàng)造條件，逐步探索降低計劃修投入、加強檢修針對性，提高維護工作整體經(jīng)濟效益。

道岔（傷損）監(jiān)測系統(tǒng)在廣州地鐵試用期間表現(xiàn)出的安全性、可靠性，證明無損檢測技術(shù)在鋼軌的實時傷損監(jiān)測中具有較好的效果。因此，在未來的線路設(shè)備檢修中應(yīng)該積極探索利用更多的無損檢測技術(shù)，以保障設(shè)備運行。

3.2 探索實時監(jiān)測系統(tǒng)與設(shè)備養(yǎng)修的結(jié)合應(yīng)用

目前，地鐵運營部門針對軌道鋼軌設(shè)備制定了嚴(yán)格的檢修規(guī)定及配套辦法，明確了各檢修項目、作業(yè)頻次及具體要求，需要花費巨大的人力物力。通過道岔（傷損）監(jiān)測系統(tǒng)的逐步擴大應(yīng)用，采集大量的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)之后，可以探索與既有的養(yǎng)修辦法進行有機結(jié)合，輔助管理部門嘗試進一步優(yōu)化養(yǎng)修辦法。著重在以下方面進行探索：

（1）道岔監(jiān)測系統(tǒng)的運用可以有針對性的降低道岔區(qū)域鋼軌的人工目視檢查及探傷作業(yè)頻次、拉開計劃作業(yè)周期間隔，從總體上降低對道岔區(qū)域鋼軌的人工目視檢查及探傷工作量，在一定程度上降低人員、物料消耗;

（2）可以逐步推動線路養(yǎng)護工作由計劃修向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變、由階段性養(yǎng)護向?qū)崟r在線監(jiān)測轉(zhuǎn)變，直接提高了設(shè)備運行的安全可靠性，間接提高道岔設(shè)備養(yǎng)護的效率及經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1]李文超.超聲波檢測鋼軌傷損及定位研究[D].中北大學(xué)，2013.

[2]魏強.基于振動信號的鋼軌傷損檢測方法的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]章欣.基于聲發(fā)射技術(shù)的鋼軌傷損檢測與判別研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.