朔黄铁路桥上无缝线路监测系统设计研究

张斌 徐玉坡

1.朔黄铁路发展有限责任公司，河北 肃宁 062350；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081

朔黄铁路西起山西省神池南站，东至河北省黄骅港站，全长594 km。随着朔黄铁路逐步开通万吨、两万吨重载列车，形成了大轴重、高密度、大运量的运输态势［1-2］。朔黄重载铁路桥上无缝线路设计遵循该线设计时的相关标准，即温度跨超过120 m的混凝土梁应设置钢轨伸缩调节器。因此，朔黄重载铁路前期在红山崖、庄里和滴硫磴三座滹沱河大桥的重车线设置了双向钢轨伸缩调节器。设计通过列车轴重不大于25 t，允许最高通过速度为120 km/h，设计伸缩量为±500 mm。

经过长期的重载运输，双向钢轨伸缩调节器出现了尖轨顶面磨耗、铁垫板焊接处开裂或断裂现象，同时调节器两端的轨缝接头也给线路平顺性带来不利影响［3］。若取消双向钢轨伸缩调节器，不仅可以提高桥上线路平顺性，而且可以减少养护维修工作量并节省设备维护费用。因此，对上述三座桥梁取消双向钢轨伸缩调节器后无缝线路的稳定性进行了检算和评估，决定取消钢轨伸缩调节器，改为铺设无缝线路。

为了实时监测无缝线路的轨道状态，研制了无缝线路轨道状态监测系统。通过对无缝线路钢轨轨温、温度力、轨枕横向位移、轮轨力等参数的实时监测，实现对轨道结构服役状态的分析评估。

1 监测系统总体技术指标

监测系统具有数据采集、远程设备维护、测试结果传输、异常值报警等功能，系统适应不同线路条件（如曲线、桥上、岔区、大坡道等）和电气化区段，采用移动通信进行数据传输。系统主要技术指标：①工作环境温度为-20～60℃；②温度监测精度±0.5℃，钢轨温度力监测精度不低于5%，轮轨力监测精度不低于3%；③供电系统采用交流220 V或太阳能供电系统双模式供电。

2 系统构成

无缝线路监测系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统包括传感器、数据采集设备、现场供电系统、服务器等。软件系统包括现场数据管理、服务器数据库管理和终端数据管理三部分。

2.1 硬件系统

传感器用于感知温度、应变、位移等参数；数据采集设备将传感器采集的模拟信号转变为数字信号，通过无线传输网络将数字信号传给服务器。现场供电系统为数据采集模块和传输模块提供电源，首选220 V交流电对设备进行供电。服务器用于测试数据的存储和分析。

为适应恶劣监测环境和长监测周期对传感器的稳定性、耐久性等的要求，对光纤光栅传感器和振弦式传感器进行对比。两种传感器都具有测试精度高、抗干扰能力强、体积小的优点。光纤光栅传感器需要光纤传输信号，且光纤不能弯折，同时为了减少光纤信号损耗，一般使用熔接的方式联结传感器，现场施工极为不便［4-5］。光纤光栅解调仪需要配合工控机使用，工作温度范围、抗震及耐腐蚀性能受限，不适用于恶劣环境。振弦式传感器传输与被测量相关的频率分量，具有良好的环境适应性，现场安装和维护简单［6］。通过在钢轨上安装电阻应变片测量轮轨力，电阻应变片精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化，具有较高精度和灵敏度［7］。因此，钢轨温度力和位移的测量选用振弦式传感器，轮轨力的测量选用电阻应变片。

数据采集设备主要由信号处理模块、数据采集模块、嵌入式控制模块和数据传输模块组成。信号处理模块的功能是将接收到的微弱信号的电压幅值调整到适合数据采集的电压幅值范围。数据采集模块的功能是将得到的模拟信号进行A/D转换，并将获得的数字信号发送到嵌入式控制模块。嵌入式控制模块是数据采集设备的核心模块，其功能是控制数据采集模块按照指令工作，将数据采集模块获取的信号进行处理［8］。数据传输模块的功能是通过4G网络将监测数据发送至服务中心。

由于测试工点不具备接入220 V交流电的条件，设计了太阳能供电系统。该系统主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池、逆变器等组成，能保证监测系统在没有光照情况下正常工作7 d［9］。

2.2 软件系统

无缝线路监测系统的软件系统除了具有数据采集、数据处理、数据分析、轨道状态评估等功能外，还包括以下功能：①历史数据查询；②可手动添加测试工点，并添加该工点传感器的链接按钮；③对不同类型的传感器数值以波形实时显示；④可同时显示某个工点同一类型所有传感器的实时监测数据和说明信息；⑤对新增测试工点的信息进行更新；⑥不同的用户对该系统的操作权限不同，用户可自己修改登录密码。当监测数据超过阈值时系统可以自动报警，根据实际情况将数值分成几个等级，分别采取相应的措施。不同类型的参数分别显示，监测结果一目了然。

3 无缝线路轨道状态评估分析

从无缝线路的稳定性、钢轨温度力和动力学参数三个方面对轨道状态进行评估。

3.1 无缝线路稳定性

钢轨及轨枕横向位移是表征无缝线路稳定性的重要参数。横向位移在小范围之内时轨道具有横向弹性，当轨道外界干扰（列车制动力、环境温度）减小或消失时，轨道横向位移随之减小，甚至恢复为0，表明无缝线路具有足够稳定性。钢轨及轨枕横向位移累积到一定数值时无法自行恢复，该现象即为胀轨，此时无缝线路稳定性不足。在外界干扰作用下横向位移可能突然增大，轨道出现明显横向扭曲，出现跑道现象，此时无缝线路完全失稳［10］。

胀轨和跑道危及行车安全，应当提前预警，但是必须首先确定无缝线路具有足够稳定性时横向位移的上限值、胀轨发生和即将失稳的横向位移。轨枕在道床中持续横向位移到某一值时会出现滑移现象，即轨枕横向位移增加而阻力不增加，该值一般在2 mm。因此，将轨枕横向位移2 mm作为开始胀轨的标志。

按横向位移d把无缝线路稳定性划分三个阶段：①0≤d<2 mm为正常稳定阶段；②2 mm≤d<5 mm为胀轨阶段；③d≥5 mm为跑道阶段。

3.2 无缝线路钢轨温度力

用于评估轨道状态的温度力阈值需要通过计算确定。计算参数：直线，轨枕布置1667根/km，桥上钢轨附加纵向力200 kN/轨，钢轨类型75 kg/m，Ⅲ型枕。采用无缝线路不等波长稳定性计算公式［11］进行温度力压力容许值的计算。考虑无缝线路钢轨温度力不均匀性的影响，计算得到75 kg/m钢轨无缝线路温度力压力容许值为1717 kN。

确定无缝线路温度力拉力容许值需考虑两个因素：①列车轮重作用下钢轨轨底动弯应力符合钢轨容许应力的检算要求；②无缝线路在冬季钢轨折断时的断缝符合线路要求。

先按照TB 2034—1988《铁路轨道强度检算法》计算列车轮重作用下钢轨轨底动弯应力，然后计算得到朔黄重载铁路直线地段75 kg/m钢轨无缝线路温度力拉力容许值为2065 kN。钢轨断缝未超过容许值时，可根据钢轨折断后温度力的分布情况得到无缝线路容许温降。断缝决定的无缝线路温度力拉力容许值为1499 kN。断缝决定的无缝线路容许拉力较不利，因此重载铁路75 kg/m钢轨无缝线路的钢轨温度力拉力容许值取1499 kN。

3.3 无缝线路动力学参数

无缝线路动力学参数评估主要依据TB/T 2360—1993《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》和GB 5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》。动力学参数评估的阈值见表1。P为静轴重。

表1 动力学参数评估的阈值

重载铁路无缝线路动力学参数评估着重强调重载列车运行安全性，首先根据动力学参数容许值进行评判，如出现超限数据，立即进行线路病害和车辆病害排查，并针对具体情况采取不同维修措施。

4 应用实例

无缝线路监测系统在朔黄铁路红山崖滹沱河大桥进行了试用。桥上取消双向钢轨伸缩调节器并铺设无缝线路，然后对轨温、钢轨温度力、轮轨力等参数进行了长期监测。

选取2018年1月1日至2018年12月31日监测数据进行统计分析。温度监测内容主要包括重车线、轻车线的轨温和监测点的环境温度，监测结果见表2。可知：①最高环境温度低于最高轨温（中午有光照），最低环境温度与最低轨温（凌晨无光照）基本相当，说明太阳光照对轨温的影响较大；②重车线的最高轨温高于轻车线，说明列车轴重对轨温存在一定影响。

表2 轨温和环境温度最大值统计结果

重车线钢轨温度力监测结果见表3。其中，温度力为正表示拉力，温度力为负表示压力。可知：无论是拉力，还是压力均未超出容许值，说明取消钢轨伸缩调节器后无缝线路稳定性满足设计要求。

表3 重车线钢轨温度力最值统计结果

任选8000辆轴重25 t C80货车经过测试工点时的无缝线路动力学参数进行统计，结果见表4。可知：列车通过时的动力学参数均在阈值范围内，轨道状态良好，列车运行安全。

表4 动力学参数统计结果

5 结语

朔黄重载铁路部分大桥取消双向钢轨伸缩调节器，改为无缝线路，需要对无缝线路的轨道状态进行实时监测以保证行车安全，为此研发了无缝线路轨道状态监测系统。该系统适用于重载铁路现场环境，可对轨温、环境温度、钢轨温度力、轨枕位移、轮轨力等参数进行实时在线监测。通过系统软件对监测数据进行计算分析，对无缝线路轨道状态进行评估。该系统自2018年在朔黄铁路红山崖滹沱河大桥试用。监测结果显示，钢轨伸缩调节器拆除后钢轨温度力、轮轨力等参数处于合理范围，该桥上无缝线路轨道状态良好，其稳定性满足运营需求。