張斌 徐玉坡

1.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)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(zhǎng)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(yùn)量的運(yùn)輸態(tài)勢(shì)［1-2］。朔黃重載鐵路橋上無縫線路設(shè)計(jì)遵循該線設(shè)計(jì)時(shí)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，即溫度跨超過120 m的混凝土梁應(yīng)設(shè)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(shè)置了雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。設(shè)計(jì)通過列車軸重不大于25 t，允許最高通過速度為120 km/h，設(shè)計(jì)伸縮量為±500 mm。

經(jīng)過長(zhǎng)期的重載運(yùn)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(shí)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(hù)維修工作量并節(jié)省設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。因此，對(duì)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(jìn)行了檢算和評(píng)估，決定取消鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，改為鋪設(shè)無縫線路。

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)。通過對(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的分析評(píng)估。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體技術(shù)指標(biāo)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程設(shè)備維護(hù)、測(cè)試結(jié)果傳輸、異常值報(bào)警等功能，系統(tǒng)適應(yīng)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(dòng)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)：①工作環(huán)境溫度為-20～60℃；②溫度監(jiān)測(cè)精度±0.5℃，鋼軌溫度力監(jiān)測(cè)精度不低于5%，輪軌力監(jiān)測(cè)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(gòu)成

無縫線路監(jiān)測(cè)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(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)供電系統(tǒng)、服務(wù)器等。軟件系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)管理、服務(wù)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(yīng)變、位移等參數(shù)；數(shù)據(jù)采集設(shè)備將傳感器采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字信號(hào)傳給服務(wù)器?，F(xiàn)場(chǎng)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(duì)設(shè)備進(jìn)行供電。服務(wù)器用于測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析。

為適應(yīng)惡劣監(jiān)測(cè)環(huán)境和長(zhǎng)監(jiān)測(cè)周期對(duì)傳感器的穩(wěn)定性、耐久性等的要求，對(duì)光纖光柵傳感器和振弦式傳感器進(jìn)行對(duì)比。兩種傳感器都具有測(cè)試精度高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小的優(yōu)點(diǎn)。光纖光柵傳感器需要光纖傳輸信號(hào)，且光纖不能彎折，同時(shí)為了減少光纖信號(hào)損耗，一般使用熔接的方式聯(lián)結(jié)傳感器，現(xiàn)場(chǎng)施工極為不便［4-5］。光纖光柵解調(diào)儀需要配合工控機(jī)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(cè)量相關(guān)的頻率分量，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，現(xiàn)場(chǎng)安裝和維護(hù)簡(jiǎn)單［6］。通過在鋼軌上安裝電阻應(yīng)變片測(cè)量輪軌力，電阻應(yīng)變片精度高，測(cè)量范圍廣，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能在惡劣條件下工作，易于實(shí)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(cè)量選用振弦式傳感器，輪軌力的測(cè)量選用電阻應(yīng)變片。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要由信號(hào)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(hào)處理模塊的功能是將接收到的微弱信號(hào)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(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將獲得的數(shù)字信號(hào)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(shè)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(hào)進(jìn)行處理［8］。數(shù)據(jù)傳輸模塊的功能是通過4G網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)中心。

由于測(cè)試工點(diǎn)不具備接入220 V交流電的條件，設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)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(píng)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(dòng)添加測(cè)試工點(diǎn)，并添加該工點(diǎn)傳感器的鏈接按鈕；③對(duì)不同類型的傳感器數(shù)值以波形實(shí)時(shí)顯示；④可同時(shí)顯示某個(gè)工點(diǎn)同一類型所有傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和說明信息；⑤對(duì)新增測(cè)試工點(diǎn)的信息進(jìn)行更新；⑥不同的用戶對(duì)該系統(tǒng)的操作權(quán)限不同，用戶可自己修改登錄密碼。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)系統(tǒng)可以自動(dòng)報(bào)警，根據(jù)實(shí)際情況將數(shù)值分成幾個(gè)等級(jí)，分別采取相應(yīng)的措施。不同類型的參數(shù)分別顯示，監(jiān)測(cè)結(jié)果一目了然。

3 無縫線路軌道狀態(tài)評(píng)估分析

從無縫線路的穩(wěn)定性、鋼軌溫度力和動(dòng)力學(xué)參數(shù)三個(gè)方面對(duì)軌道狀態(tài)進(jìn)行評(píng)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(shí)軌道具有橫向彈性，當(dāng)軌道外界干擾（列車制動(dòng)力、環(huán)境溫度）減小或消失時(shí)，軌道橫向位移隨之減小，甚至恢復(fù)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(shí)無法自行恢復(fù)，該現(xiàn)象即為脹軌，此時(shí)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(shí)無縫線路完全失穩(wěn)［10］。

脹軌和跑道危及行車安全，應(yīng)當(dāng)提前預(yù)警，但是必須首先確定無縫線路具有足夠穩(wěn)定性時(shí)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(shí)會(huì)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(biāo)志。

按橫向位移d把無縫線路穩(wěn)定性劃分三個(gè)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(píng)估軌道狀態(tài)的溫度力閾值需要通過計(jì)算確定。計(jì)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(zhǎng)穩(wěn)定性計(jì)算公式［11］進(jìn)行溫度力壓力容許值的計(jì)算?？紤]無縫線路鋼軌溫度力不均勻性的影響，計(jì)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(gè)因素：①列車輪重作用下鋼軌軌底動(dòng)彎應(yīng)力符合鋼軌容許應(yīng)力的檢算要求；②無縫線路在冬季鋼軌折斷時(shí)的斷縫符合線路要求。

先按照TB 2034—1988《鐵路軌道強(qiáng)度檢算法》計(jì)算列車輪重作用下鋼軌軌底動(dòng)彎應(yīng)力，然后計(jì)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(shí)，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(dòng)力學(xué)參數(shù)

無縫線路動(dòng)力學(xué)參數(shù)評(píng)估主要依據(jù)TB/T 2360—1993《鐵道機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》和GB 5599—1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》。動(dòng)力學(xué)參數(shù)評(píng)估的閾值見表1。P為靜軸重。

表1 動(dòng)力學(xué)參數(shù)評(píng)估的閾值

重載鐵路無縫線路動(dòng)力學(xué)參數(shù)評(píng)估著重強(qiáng)調(diào)重載列車運(yùn)行安全性，首先根據(jù)動(dòng)力學(xué)參數(shù)容許值進(jìn)行評(píng)判，如出現(xiàn)超限數(shù)據(jù)，立即進(jìn)行線路病害和車輛病害排查，并針對(duì)具體情況采取不同維修措施。

4 應(yīng)用實(shí)例

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

選取2018年1月1日至2018年12月31日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。溫度監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括重車線、輕車線的軌溫和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境溫度，監(jiān)測(cè)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(dāng)，說明太陽光照對(duì)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(duì)軌溫存在一定影響。

表2 軌溫和環(huán)境溫度最大值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

重車線鋼軌溫度力監(jiān)測(cè)結(jié)果見表3。其中，溫度力為正表示拉力，溫度力為負(fù)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(shè)計(jì)要求。

表3 重車線鋼軌溫度力最值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

任選8000輛軸重25 t C80貨車經(jīng)過測(cè)試工點(diǎn)時(shí)的無縫線路動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表4。可知：列車通過時(shí)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)均在閾值范圍內(nèi)，軌道狀態(tài)良好，列車運(yùn)行安全。

表4 動(dòng)力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)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(duì)無縫線路的軌道狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于重載鐵路現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，可對(duì)軌溫、環(huán)境溫度、鋼軌溫度力、軌枕位移、輪軌力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。通過系統(tǒng)軟件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)無縫線路軌道狀態(tài)進(jìn)行評(píng)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(cè)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(yùn)營(yíng)需求。