道岔尖轨伤损无损监测系统方案论述

李然

（沈阳铁道科学技术研究所有限公司，辽宁 沈阳 110000）

道岔是列车转入或越过轨道时必要的设备，是铁路的重要组成部分。尖轨位于道岔的弯轨部位，列车通过尖轨时需要进行转弯，在此过程中，列车会给钢轨带来巨大的横向冲击力，这就造成了道岔尖轨会出现各种不同的损伤，如变形、磨损、裂纹、腐蚀甚至断裂并造成多起列车脱轨事故，严重威胁了人类生命和财产安全。这就需要不断对其进行检测、养护和维修。目前，钢轨中基本轨的检测方法如人工法、超声波探伤法和钢轨探伤车，虽然能够解决尖轨的检测问题，但是，无法监测尖轨的运行状态。

因此，采用传感检测、网络通信等相结合的技术开发一套适用于尖轨运行状态的在线监测和分析系统，及时发现尖轨损伤，预防事故危害的发生，对保证列车运行安全具有重要的意义。

1 监测方案的研究

在道岔尖轨伤损监测与道岔综合管理需求的基础上，将微纳电学信号测量方法应用到尖轨的检测中，并且能实现在线监测。当尖轨发生伤损时，会在其内部产生裂纹，或者由于表面伤损引起尖轨体积和质量的变化。无论是裂纹还是尖轨体积缺失（表面伤损），在电学上都会对应产生阻抗、容抗、感抗之间的变化。通过直流电流发生器判断电阻变化可以直观地发现尖轨质量伤损变化。通过交流电流发生器发出合适频率，找到电路等效电阻对裂纹伤损产生电容和电感的敏感变化。通过对比伤损前后阻抗的变化定性判断伤损，并能够定量报告伤损程度。

2 系统组成与功能

设计的道岔尖轨伤损无损监测系统由远程监控主机、传输通道、监测终端、环境监测装置和测量组件组成，如图1所示。

2.1 远程监控主机

远程监控主机由状态显示、功能操作和数据处理三部分组成。前端显示用于人机交互，显示内容包括监测终端的状态、监测对象的状态及其所处的环境信息、报警状态等。功能操作包括历史数据的查询与统计、设备管理、告警管理等。数据处理包括对监测终端的数据进行轮询、存储和处理分析，发现异常数据产生告警等。

图1 系统组成结构图

2.2 传输通道

传输通道的主要功能是实现控制主机与监测主机的通信互联，即可和现有的转辙机缺口监测系统的传输通道共用，也可单独设立。

2.3 监测终端

监测终端的主要功能是对尖轨伤损时发生的电学特性参数变化监测，计算得到稳定的数据，通过传输道上传至远程监控主机行存储，单台监测终端的监测范围不小于6 米。

2.4 环境监测装置

监测并采集当前被测尖轨所处的环境状态参数如温度、振动等，上传至监测终端。

2.5 测量组件

测量组件固定在尖轨现有螺栓上，不影响正常的列车运行，用于监测终端信号激励输出与信号反馈的采集。

3 试验测试

3.1 试验室测试

在温度为29℃，使用3A 交流信号的条件下进行测试，对尖轨进行区段测量。由于此次试验不能直接打孔破坏尖轨，于是采用拆取尖轨上现有螺栓来模拟尖轨损伤，测量如数据表1 所示。通过对比分析，发现如下变化规律：拆螺栓时，3000 ～3200Hz 频段内，电阻下降了。拆一根和拆两根相比，3900 ～4000 频段发生了变化。由此说明，此仪表在尖轨金属件发生变化时，在不同频段会有相应的变化产生。经过此次实验，验证了系统在真实尖轨上的工作情况。

表1 数据记录

3.2 现场测试

道岔尖轨伤损无损监测系统于2019 年在山海关站4118#道岔尖轨处进行了安装调试，在尖轨上安装测量组件，在轨旁设立新的XB 箱，放置监测终端和环境监测装置，远程监测主机设置在车站机械室，传输通道采用既有的道岔缺口监测系统的数据通道进行上传，系统远程监测主机的历史监测数据如图2 和图3 所示。

现场试验证明，在长时间运行下，该系统获取数据稳定，核心电学测试系统表现出了高度准确性，与轨道电路无相互干扰，表现出优异的轨道电路兼容性。

图2 监测数据

图3 环境数据监测

4 结语

道岔尖轨伤损无损监测系统能够对尖轨的运行状态进行监控并且数据传输稳定，能在短时间内反应出尖轨的伤损变化，同时，系统监测设备与铁路现存信号设备共存，不相互干扰，能长期在线运行，该系统为实现尖轨运行状态的在线监测提供了有效的技术支持。