道岔尖軌傷損無損監測系統方案論述

李然

（沈陽鐵道科學技術研究所有限公司，遼寧 沈陽 110000）

道岔是列車轉入或越過軌道時必要的設備，是鐵路的重要組成部分。尖軌位于道岔的彎軌部位，列車通過尖軌時需要進行轉彎，在此過程中，列車會給鋼軌帶來巨大的橫向沖擊力，這就造成了道岔尖軌會出現各種不同的損傷，如變形、磨損、裂紋、腐蝕甚至斷裂并造成多起列車脫軌事故，嚴重威脅了人類生命和財產安全。這就需要不斷對其進行檢測、養護和維修。目前，鋼軌中基本軌的檢測方法如人工法、超聲波探傷法和鋼軌探傷車，雖然能夠解決尖軌的檢測問題，但是，無法監測尖軌的運行狀態。

因此，采用傳感檢測、網絡通信等相結合的技術開發一套適用于尖軌運行狀態的在線監測和分析系統，及時發現尖軌損傷，預防事故危害的發生，對保證列車運行安全具有重要的意義。

1 監測方案的研究

在道岔尖軌傷損監測與道岔綜合管理需求的基礎上，將微納電學信號測量方法應用到尖軌的檢測中，并且能實現在線監測。當尖軌發生傷損時，會在其內部產生裂紋，或者由于表面傷損引起尖軌體積和質量的變化。無論是裂紋還是尖軌體積缺失（表面傷損），在電學上都會對應產生阻抗、容抗、感抗之間的變化。通過直流電流發生器判斷電阻變化可以直觀地發現尖軌質量傷損變化。通過交流電流發生器發出合適頻率，找到電路等效電阻對裂紋傷損產生電容和電感的敏感變化。通過對比傷損前后阻抗的變化定性判斷傷損，并能夠定量報告傷損程度。

2 系統組成與功能

設計的道岔尖軌傷損無損監測系統由遠程監控主機、傳輸通道、監測終端、環境監測裝置和測量組件組成，如圖1所示。

2.1 遠程監控主機

遠程監控主機由狀態顯示、功能操作和數據處理三部分組成。前端顯示用于人機交互，顯示內容包括監測終端的狀態、監測對象的狀態及其所處的環境信息、報警狀態等。功能操作包括歷史數據的查詢與統計、設備管理、告警管理等。數據處理包括對監測終端的數據進行輪詢、存儲和處理分析，發現異常數據產生告警等。

圖1 系統組成結構圖

2.2 傳輸通道

傳輸通道的主要功能是實現控制主機與監測主機的通信互聯，即可和現有的轉轍機缺口監測系統的傳輸通道共用，也可單獨設立。

2.3 監測終端

監測終端的主要功能是對尖軌傷損時發生的電學特性參數變化監測，計算得到穩定的數據，通過傳輸道上傳至遠程監控主機行存儲，單臺監測終端的監測范圍不小于6 米。

2.4 環境監測裝置

監測并采集當前被測尖軌所處的環境狀態參數如溫度、振動等，上傳至監測終端。

2.5 測量組件

測量組件固定在尖軌現有螺栓上，不影響正常的列車運行，用于監測終端信號激勵輸出與信號反饋的采集。

3 試驗測試

3.1 試驗室測試

在溫度為29℃，使用3A 交流信號的條件下進行測試，對尖軌進行區段測量。由于此次試驗不能直接打孔破壞尖軌，于是采用拆取尖軌上現有螺栓來模擬尖軌損傷，測量如數據表1 所示。通過對比分析，發現如下變化規律：拆螺栓時，3000 ～3200Hz 頻段內，電阻下降了。拆一根和拆兩根相比，3900 ～4000 頻段發生了變化。由此說明，此儀表在尖軌金屬件發生變化時，在不同頻段會有相應的變化產生。經過此次實驗，驗證了系統在真實尖軌上的工作情況。

表1 數據記錄

3.2 現場測試

道岔尖軌傷損無損監測系統于2019 年在山海關站4118#道岔尖軌處進行了安裝調試，在尖軌上安裝測量組件，在軌旁設立新的XB 箱，放置監測終端和環境監測裝置，遠程監測主機設置在車站機械室，傳輸通道采用既有的道岔缺口監測系統的數據通道進行上傳，系統遠程監測主機的歷史監測數據如圖2 和圖3 所示。

現場試驗證明，在長時間運行下，該系統獲取數據穩定，核心電學測試系統表現出了高度準確性，與軌道電路無相互干擾，表現出優異的軌道電路兼容性。

圖2 監測數據

圖3 環境數據監測

4 結語

道岔尖軌傷損無損監測系統能夠對尖軌的運行狀態進行監控并且數據傳輸穩定，能在短時間內反應出尖軌的傷損變化，同時，系統監測設備與鐵路現存信號設備共存，不相互干擾，能長期在線運行，該系統為實現尖軌運行狀態的在線監測提供了有效的技術支持。