高速鐵路道岔軌件斷軌實時監測系統設計

崔瀚鈺 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

道岔作為鐵路線路的重要組成部分，起著承載列車和引導列車行進的重要作用。相比于線路上的標準鋼軌，同等條件下道岔軌件所受的沖擊力更大，但多數軌件的機械強度受功能結構限制，卻弱于標準鋼軌，因而道岔軌件發生斷軌的幾率更大，這使得道岔成為線路上典型的薄弱環節之一。隨著高速鐵路線路里程的不斷增加，列車運行速度的不斷提升，高速鐵路道岔的安全問題越來越得到重視。尤其在軌道電路盲區，由于結構復雜，岔區設備繁多，作業空間狹小，針對這一區域的道岔軌件狀態的監測一直是鐵路日常養護維修工作中的難點。近年來，多種道岔監測系統得到研制、應用，卻受誤報率、功能穩定性、設備安全性等多種因素的影響，實際效果一直飽受質疑。

1 道岔監測技術的研究現狀與存在問題

目前對道岔監測系統的研究方向眾多，涉及的技術多樣。但相對成熟、實際得到應用的道岔監測系統較少，涉及的主要技術及其特點如下：

1.1 視頻監測技術

視頻監測技術使用高清攝像機拍攝道岔區間圖像，利用圖像分析、處理技術，對可疑區域進行識別，判定道岔軌件的狀態。

基于視頻技術的監測系統技術成熟，設備簡單，但無法實現軌件內部或被遮擋位置的監測。同時圖像的精確分析比對往往需要通過人工后期完成，實時性也無法保證。

1.2 渦流探傷監測技術

渦流探傷監測技術使用激磁線圈使導電構件內產生渦電流，借助探測線圈測定渦電流的變化量，從而獲得構件缺陷的有關信息。

渦流探傷技術的監測準確性高，但監測系統設備相對復雜，并且僅能監測構件表面和近表面的傷損變化情況。

1.3 光纖實時監測技術

光纖實時監測技術使用由環氧樹脂膠帶貼于軌件上的標準單模光纖進行監測。光纖的一端接光源，另一端為接收器。如果軌件發生折斷，光纖將隨之發生破裂，光線將不能到達接收器，由此判斷發生斷軌。

基于光纖的實時監測系統安裝便捷，但由于光纖自身具有一定的韌性，該監測系統容易產生漏報，存在較大的安全隱患。

1.4 應力檢測監測技術

基于應力檢測技術的道岔監測系統在軌件上安裝應力測量傳感器，通過對傳感器檢測到的應力和溫度變化進行計算比較，以判定斷軌、軌道變形或兩者兼而有之。

應力檢測技術則極易受到多種因素的干擾，準確性和穩定性較差。

1.5 導電涂層監測系統

導電涂層監測技術在軌件便面噴涂導電涂層，當軌件產生裂紋或折斷，導電涂層隨之斷裂，實現對軌件狀態的監測。

導電涂層監測系統可以監測到軌件表面的裂紋，實時性好，敏感性高，但安裝作業困難，同時導電涂層容易被外力外物破環，現場的實用性、可推廣性較差。

1.6 非線性超聲傷損監測系統

非線性超聲傷損監測技術利用指定頻率的超聲信號在軌件中傳播，監測系統通過分析接收到的指定頻率對應的各種倍頻信號的有無及變化趨勢，來研判軌件的傷損狀態。

非線性超聲傷損監測系統的監測可監測多種數據，準確性較高，但系統設備復雜，安裝繁瑣。

2 高速鐵路道岔軌件斷軌實時監測系統設計

2.1 設計目標

由于對道岔軌件內部傷損的實時監測存在明顯的技術壁壘，監測準確性和穩定性難以保證，為滿足高速鐵路現場迫切的需求，綜合分析現有的各種道岔監測系統后，明確高速鐵路道岔軌件實時監測系統的基本設計目標如下：

（1）確保對斷軌狀態的準確監測、報警，降低誤報，杜絕漏報；

（2）系統硬件結構簡潔，能夠適應“天窗”作業要求，實現快速安裝；

（3）實現對道岔區間薄弱位置的監測全覆蓋，減少監測盲區；

（4）系統自身安全性高。

2.2 普速鐵路道岔軌件斷軌實時監測系統

基于上述設計目標，選擇在一種普速鐵路道岔軌件斷軌實時監測系統的基礎上，進行優化改進，使之滿足高速鐵路現場使用、作業的要求。

該普速鐵路道岔軌件斷軌實時監測系統采用聲表面波技術對道岔軌件進行監測。

聲表面波監測技術是在一段軌道的中部安裝聲波發生裝置，左右端相隔一定距離安裝聲波接收裝置。當發射裝置發出聲波后，如果遇到軌件發生斷軌，聲波信號的相關指標產生急劇變化，據此判定軌件是否折斷。聲表面波監測技術方案示意圖見圖1。

圖1 聲表面波監測技術方案示意圖

自研制以來，該監測系統在南北方不同的氣候條件下，正常、穩定運行時間已達兩年。并且系統結構簡單，采用無線通信，現場安裝無需額外布線，安裝方便。

2.3 優化設計

由于作業工況和現場條件的不同，該普速鐵路道岔軌件斷軌實時監測系統無法直接應用到高速鐵路?；诟咚勹F路作業條件及軌旁設備管理要求，在仿真設計、3D打印等技術的支撐下，針對性的對普速鐵路道岔軌件斷軌實時監測系統進行設計改進。

（1）信號收、發設備扁平化設計

為減少設備線纜，原監測系統的各個功能部件自帶電源，電池倉位于功能部件下方，使得信號收、發設備主體厚度達到約80 mm。

高速鐵路部分道岔區域軌件底部空間較小。通過將信號收、發設備扁平化改造，改變電池倉位置，重新排布內部元器件位置，降低天線高度，使得設備主體厚度降低到約40 mm，能夠適應目前已知條件的所有高速鐵路道岔的安裝。天線高度降低仿真設計見圖2。

圖2 天線高度降低仿真設計

（2）仿形夾具設計

根據安裝位置不同，利用仿真設計，配合3D打印技術快速加工進行現場試驗，在短時間內對所有安裝的信號收、發設備均對應設計了全新的不打孔仿軌型夾具，實現所有設備硬夾持，配合強磁、膠粘，設備安裝更加牢固可靠。3D打印夾具模型、厚仿形夾具、薄仿形夾具見圖3。

圖3 3D打印夾具模型、厚仿形夾具、薄仿形夾具

（3）設備參數仿真優化

由于高速鐵路道岔區間設備環境的不同及系統收、發設備結構的改進，系統的各項參數需要重新進行優化。經仿真試驗及現場測試，系統信號穩定，且強度幾乎達到飽和。人工斷軌測試實驗中，系統對斷軌的報警準確率為100%，報警延遲約1 min。斷軌前后信號數據變化見圖4。

圖4 斷軌前后信號數據突變

（4）系統監測范圍擴大

經過重新設計的監測系統收、發設備體積小巧，安裝位置更加“隨意”，使得整個系統的監測范圍進一步擴大，系統的實用性提高。

線下針對18#道岔的試驗顯示，新設計的高速鐵路道岔軌件斷軌實時監測系統實現了對道岔區異形軌件90%區域的監測，無法監測部分主要是由于空間狹小，信號接收器無法安裝（見圖5）。

圖5 尖軌部分盲區約80 cm

3 高速鐵路道岔軌件斷軌實時監測系統設計總結

3.1 新監測系統的特點

新設計的高速鐵路道岔軌件斷軌實時監測系統達到了既定設計目標的要求，在保留部分舊系統優勢的同時，在多個方面進一步得到了提升。具有以下特點：

（1）系統設計簡潔，功能性設備自帶電源，信號傳輸使用特定頻道的進行無線傳輸，設備安裝無需額外布置各種線纜，對既有設備影響小；

（2）系統主要功能設備體積小巧，可滿足多種不同型號道岔的安裝監測，監測范圍覆蓋道岔區域軌道電路盲區，對異形軌件的監測覆蓋范圍達90%；

（3）系統信號、功能穩定，能夠實現對斷軌的準備報警；

（4）系統所有功能設備全部采用硬夾持、強磁、膠粘多種固定措施，設備安裝牢固可靠。

當然，由于技術的局限性，系統無法實現對道岔軌件傷損的監測預報。

3.2 設計總結

該高速鐵路道岔軌件斷軌實時監測系統是為響應現場的應急需求而設計的。特殊的背景條件為今后的工作積累了寶貴的經驗：

（1）在仿真設計、3D打印等多種新技術的支撐下，在短時間內實現了高速鐵路道岔軌件斷軌實時監測系統的設計，完成了新系統的改進、加工、調試、線下試驗等過程，達到了高速鐵路現場使用、作業的基本要求，為今后更好地響應現場特殊工況的應急需求打下基礎；

（2）隨著高速鐵路的不斷發展，現場的作業條件和管理要求也在不斷變化。利用新技術對既有的系統設備進行“升級”，使之適應新形勢下的新要求，解決現場的新問題，亦不失為一種有效的技術手段。