高速铁路无缝线路钢轨纵向应力与轨温监测系统研究

摘  要：钢轨纵向应力的变化与无缝线路作业安全性密切相关。为实现对无缝线路钢轨纵向应力与轨温的监测，提出一种基于应变电测法的钢轨轨温、纵向应力的监测系统，实现对无缝线路风险点的实时监测。该系统经实验室检测性能后，安装在实际工作环境，采集无缝线路的钢轨应力与温度数据，并实时传输与分析，为无缝线路的安全作业提供科学指导。

关键词：无缝线路；钢轨温度；纵向应力；实时监测

中图分类号：TP311；U213.9 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）03-0168-04

Research on the Monitoring System for Rail Longitudinal Stress and Rail Temperature of Jointless Track in High-speed Railway

CUI Wanli

（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan  430063， China）

Abstract： The change of rail longitudinal stress is closely related to the safety of jointless track operation. In order to realize the monitoring of the rail longitudinal stress and rail temperature of the jointless track， a monitoring system based on the rail temperature and longitudinal stress of strain electrometry is proposed to realize the real-time monitoring of the risk points of the jointless track. After the system performance is tested in the laboratory， it is installed in the actual working environment to collect the rail stress and temperature data of the jointless track， and transmit and analyze it in real time， providing scientific guidance for the safe operation of the jointless track.

Keywords： jointless track; rail temperature; longitudinal stress; real-time monitoring

0  引  言

当前我国高速铁路全部一次铺设跨区间无缝线路，消除了钢轨接头，减少了列车对轨道的附加动荷载，使列车运行更加平稳，线路维修费用低，使用寿命长，提高了列车舒适度，降低了轮轨振动与噪声[1-3]。由于无缝线路中钢轨不能自由伸缩，当钢轨温度变化时，将在钢轨内部产生纵向应力，尤其是在长大连续梁处，由于梁、轨相互作用，存在梁对无缝线路钢轨施加纵向附加力，如不能及时准确地掌握无缝线路钢轨纵向应力变化，会给无缝线路作业带来一定的风险。因此，为科学指导高速铁路无缝线路的养护维修及管理，及时、准确地掌握无缝线路锁定轨温、纵向应力及其变化规律是必须的[4-7]。

目前国内外对无缝线路钢轨纵向应力的检测、监测方法，可分为应力法、应变法及刚度与物理受力模型法[8，9]。应力法主要是测量某种物理量变化與应力之间的关系，如巴克豪森噪声法、磁导率测定法、X射线、超声波等。应变法则是通过测量一定长度钢轨的伸缩量来检测锁定轨温，如：观测桩法、测标法、激光观测法等[10]。第三类是根据钢轨承受轴向力时，钢轨提升刚度具有规律性的特点，通过钢轨物理受力模型直接计算出钢轨纵向力及实际锁定轨温[11]。

以上各种检测、监测方法中，应变法需要在无缝线路钢轨零应力状态下进行标定，部分应力法需要对钢轨材质进行标定，给现场检测、监测技术的应用造成了一定的限制；根据刚度与物理受力模型直接计算出钢轨纵向力及实际锁定轨温方法，不需对钢轨材质标定或在无缝线路钢轨零应力状态下标定，是一种操作方便、快速的检测方法。但不满足对无缝线路钢轨纵向应力实时监测的需要。因此，本文基于应变电测法提出了一套实时监测钢轨轨温、纵向应力的系统，实现对无缝线路风险点的实时监测，并通过采集的钢轨应力及温度数据，为无缝线路养护维修提供科学指导。

1  方案设计与系统构成

1.1  方案设计

本文根据“标定轨长法”，基于应变电测法测量无缝钢轨受扣件和道床阻力约束状态下的应变来计算钢轨应力，通过钢轨应变和钢轨温度数据解算无缝线路实际锁定轨温的变化。设计的钢轨温度应力检测模块如图1所示。

1.2  系统总体方案

为实现钢轨纵向应力与轨温监测的实时监测，设计了监测系统，主要由三层设备组成，基层的钢轨温度应力监测模块分布式安装在钢轨轨腰上，可以实时采集钢轨的动态数据；基层的太阳能供电系统安装在线路旁，为整个监测系统提供充足的电能，保障系统的运行；中层的无线传输模块安装在线路旁，可以将采集到的数据快速上传云端；高层的远程监测终端设置在后方的工务段或车间内，可以从网络云端下载采集到的数据并进行分析处理，最终所有的数据存储在高层的存储服务器内长期保存。监测系统方案原理图如图2所示。

2  系统静载、疲劳、高低温环境测试

为测试钢轨应力监测系统的精准度和数据的重复性，在高低温环境下的可靠性和稳定性，通过200万次疲劳加载之后的可靠性。委托了北京铁科工程检测中心对其进行工程质量检测。主要试验设备如下：2 000 kN电液伺服试验机、200 kN电液伺服作动器、高低温环境箱、应变仪、电脑。

2.1  试验步骤

（1）将两个钢轨应力传感器（151传感器、152传感器）用胶对称粘贴到60 kg/m钢轨两侧，同时在钢轨应力传感器的同一纵向轴线上粘贴应变片。

（2）通过2 000 kN电液伺服试验机对钢轨进行分级施加压力，从0～1 500 kN，每级100 kN荷载，分级加载2个循环；同时记录试验机、钢轨应力监测系统、应变仪的数据。

（3）将60 kg/m钢轨放置在高低温环境箱中无约束的滚轴支座上，允许其在受温度变化时，可以自由伸缩。在高低温环境箱内温度达到-20 ℃、-30 ℃、-40 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃、60 ℃、70 ℃和75 ℃时，记录钢轨应力传感器采集到的温度和应变。环境箱每次达到设定温度后，保温30分钟，再进行升温或降温。

（4）通过200 kN电液伺服作动器对钢轨进行疲劳加载，疲劳试验按正弦波加载，上限力值P上=150 kN，加载下限力值P下=10 kN，循环次数N=2×106。疲劳试验后检查钢轨应力监测系统的外观，测试其工作是否正常。

部分静载试验数据的记录如表1所示。

2.2  试验结论

通过试验，可得出以下结论：

（1）静载试验过程中，对钢轨施加压力时得出两个钢轨应力传感器应力平均值与试验机压力值的比对误差，以及两次加载过程中钢轨应力传感器应力值的重复性，如表2所示。

误差值计算方法：试验机压力值除以钢轨横截面积再减去两个钢轨应力传感器应力平均值，60 kg/m钢轨的横截面积取7 745 mm2。

重复性计算方法：两次加载过程中两侧钢轨应力传感器应力平均值的差值。

（2）从图3中可以看到钢轨温度与环境温度有滞后现象，两个钢轨应力传感器温度测试在-30～75 ℃时工作正常。

（3）经检查，经过200万次疲劳加载钢轨应力监测系统外观无变化，疲劳试验结束后，对钢轨进行静载试验，钢轨应力监测系统可正常工作。

3  现场测试

3.1  设备现场安装

在某高铁无缝线路易产生应力集中的地段选取钢轨，均匀布设钢轨纵向应力温度传感器。

钢轨温度应力检测模块通过黏合剂粘接在钢轨侧面中心轴，黏合前对钢轨进行除锈处理，除锈处理过程如图4所示。由于工况较为恶劣，对黏合剂的力学性能、稳定性、适用温度范围及化学性质均有较高要求，同时应尽可能地减少从测量体变形以及到应变计的损失。通过研究选择的胶体，其力学特性如表3所示。

涂胶以后，用自主设计的传感器推压夹具把传感器压在胶上在3分钟，然后对应变片表面施加垂直力113 kN，持续时间为12～15分钟。传感器推压夹具如图5所示。

无线传输模块封装装在设备盒内，设备盒底座平台采用6 mm的钢板，有4个底座固定孔，孔径为18 mm，底座平台通过膨胀螺栓固定在路肩混凝土或桥梁防撞墙上（不低于C15混凝土），膨胀螺栓采用M16×125，不得侵入限界。

无线传输模块及太阳能供电系统的安装也是依靠膨胀螺栓，安装效果图如图6所示。

3.2  数据采集

系统数据采集以自动采集为主、手动采集为辅。自动采集通过软件预设置，手动采集可以在关键的时间点增加采集的次数，系统自动采集数据的时间点设置如图7所示。

系统数据采集功能支持选择数据、数据预处理、數据挖掘与知识发现、专家数据的选择输入并提供多种公布的数据源。系统专用服务器主要用来管理海量数据的采集，以及设备在线状态显示、设备节点增加、重命名、删除等管理员操作。

3.3  数据传输

系统采用可靠的组网结构和双工通信方式，模块传输数据采用全双工的工业总线方式，传输的数据采用CRC（Cyclic redundancy check）校验，GPRS（General packet radio service）组网数据采用两个通信供应商的数据通道，可以保证数据最大限度地链接传输；在传输数据方面系统采用多次冗余发送数据、数据加密、传输CRC校验、数据多重握手，保证数据的传输可靠性及数据采集的及时性。

3.4  数据存储

系统实时采集数据并存储，数据库存储引擎可实时复制数据，用于需要高可靠性及负载均衡的场合。系统的数据库显示界面如图8所示。

3.5  数据处理

本系统可以实现的数据处理功能有：

（1）分类、排序已有的采集数据，分类和排序的选项是时间、节点类型以及名字、报警点等。

（2）分析历史趋势曲线，显示曲线采集点，可以显示自动采集或者人工采集时间点。

（3）提供专家工具，给出最佳分布，根据已有的历史经验数据，专家系统可发现异常变化与附加力，以控制风险和指导维护。

（4）提供多种参数计算方法。

本系统可以实现的数据管理功能有：

（1）提供数据及数据库管理功能，对局、段、车间、工区提供不同的权限，提供不同的数据内容。

（2）支持自定义可靠性模型。

（3）支持自定义编码命名规则。

（4）支持用户创建专用数据库，可针对某时间，或者某节点的数据类型进行二次分析与重点分析。

（5）允许定义访问数据库不同用户等级。

系统的功能主要有：实時显示、趋势分析、数据栏隐藏、历史数据分析下载、数据分析、报警设置、参数设置、启用以及暂停、局部放大功能，系统可以显示多个监测的数据，也可以根据用户需要显示单独一个放大的数据页面。

同时系统检测到无缝线路纵向应力变化超过规定时，系统将预警或报警。

4  结  论

综上，文章得出以下结论：

（1）测试表明，所设计的钢轨应力传感器可在-30～75℃时工作正常，在应力值重复性检测中表现良好，并在200万次疲劳加载钢轨应力后仍可以正常工作。

（2）现场安装监测系统3大模块时，充分考虑了设备安装可靠性，保证了监测系统可长期稳定运行。

（3）所设计的监测系统具有数据采集、传输、存储、处理全流程，极大地简洁了工程师操作，提高了工作效率。

（4）经现场测试，高速铁路无缝线路钢轨轨温、纵向应力实时监测系统，能满足无缝线路锁定轨温检测精度及全天候实时监测需求；当监测到无缝线路钢轨附加应力超过规定值时会进行预警或报警，为无缝线路养护维修提供科学指导。

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作者简介：崔万里（1990.09—），男，汉族，河南平顶山人，工程师，硕士研究生，研究方向：铁路机械设备。

收稿日期：2022-09-07

基金项目：国家重点研发计划“物联网与智慧城市关键技术及示范”重点专项（2018YFB2100900）