高速鐵路無縫線路鋼軌縱向應力與軌溫監測系統研究

摘? 要：鋼軌縱向應力的變化與無縫線路作業安全性密切相關。為實現對無縫線路鋼軌縱向應力與軌溫的監測，提出一種基于應變電測法的鋼軌軌溫、縱向應力的監測系統，實現對無縫線路風險點的實時監測。該系統經實驗室檢測性能后，安裝在實際工作環境，采集無縫線路的鋼軌應力與溫度數據，并實時傳輸與分析，為無縫線路的安全作業提供科學指導。

關鍵詞：無縫線路；鋼軌溫度；縱向應力；實時監測

中圖分類號：TP311；U213.9 文獻標識碼：A 文章編號：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

當前我國高速鐵路全部一次鋪設跨區間無縫線路，消除了鋼軌接頭，減少了列車對軌道的附加動荷載，使列車運行更加平穩，線路維修費用低，使用壽命長，提高了列車舒適度，降低了輪軌振動與噪聲[1-3]。由于無縫線路中鋼軌不能自由伸縮，當鋼軌溫度變化時，將在鋼軌內部產生縱向應力，尤其是在長大連續梁處，由于梁、軌相互作用，存在梁對無縫線路鋼軌施加縱向附加力，如不能及時準確地掌握無縫線路鋼軌縱向應力變化，會給無縫線路作業帶來一定的風險。因此，為科學指導高速鐵路無縫線路的養護維修及管理，及時、準確地掌握無縫線路鎖定軌溫、縱向應力及其變化規律是必須的[4-7]。

目前國內外對無縫線路鋼軌縱向應力的檢測、監測方法，可分為應力法、應變法及剛度與物理受力模型法[8，9]。應力法主要是測量某種物理量變化與應力之間的關系，如巴克豪森噪聲法、磁導率測定法、X射線、超聲波等。應變法則是通過測量一定長度鋼軌的伸縮量來檢測鎖定軌溫，如：觀測樁法、測標法、激光觀測法等[10]。第三類是根據鋼軌承受軸向力時，鋼軌提升剛度具有規律性的特點，通過鋼軌物理受力模型直接計算出鋼軌縱向力及實際鎖定軌溫[11]。

以上各種檢測、監測方法中，應變法需要在無縫線路鋼軌零應力狀態下進行標定，部分應力法需要對鋼軌材質進行標定，給現場檢測、監測技術的應用造成了一定的限制；根據剛度與物理受力模型直接計算出鋼軌縱向力及實際鎖定軌溫方法，不需對鋼軌材質標定或在無縫線路鋼軌零應力狀態下標定，是一種操作方便、快速的檢測方法。但不滿足對無縫線路鋼軌縱向應力實時監測的需要。因此，本文基于應變電測法提出了一套實時監測鋼軌軌溫、縱向應力的系統，實現對無縫線路風險點的實時監測，并通過采集的鋼軌應力及溫度數據，為無縫線路養護維修提供科學指導。

1? 方案設計與系統構成

1.1? 方案設計

本文根據“標定軌長法”，基于應變電測法測量無縫鋼軌受扣件和道床阻力約束狀態下的應變來計算鋼軌應力，通過鋼軌應變和鋼軌溫度數據解算無縫線路實際鎖定軌溫的變化。設計的鋼軌溫度應力檢測模塊如圖1所示。

1.2? 系統總體方案

為實現鋼軌縱向應力與軌溫監測的實時監測，設計了監測系統，主要由三層設備組成，基層的鋼軌溫度應力監測模塊分布式安裝在鋼軌軌腰上，可以實時采集鋼軌的動態數據；基層的太陽能供電系統安裝在線路旁，為整個監測系統提供充足的電能，保障系統的運行；中層的無線傳輸模塊安裝在線路旁，可以將采集到的數據快速上傳云端；高層的遠程監測終端設置在后方的工務段或車間內，可以從網絡云端下載采集到的數據并進行分析處理，最終所有的數據存儲在高層的存儲服務器內長期保存。監測系統方案原理圖如圖2所示。

2? 系統靜載、疲勞、高低溫環境測試

為測試鋼軌應力監測系統的精準度和數據的重復性，在高低溫環境下的可靠性和穩定性，通過200萬次疲勞加載之后的可靠性。委托了北京鐵科工程檢測中心對其進行工程質量檢測。主要試驗設備如下：2 000 kN電液伺服試驗機、200 kN電液伺服作動器、高低溫環境箱、應變儀、電腦。

2.1? 試驗步驟

（1）將兩個鋼軌應力傳感器（151傳感器、152傳感器）用膠對稱粘貼到60 kg/m鋼軌兩側，同時在鋼軌應力傳感器的同一縱向軸線上粘貼應變片。

（2）通過2 000 kN電液伺服試驗機對鋼軌進行分級施加壓力，從0～1 500 kN，每級100 kN荷載，分級加載2個循環；同時記錄試驗機、鋼軌應力監測系統、應變儀的數據。

（3）將60 kg/m鋼軌放置在高低溫環境箱中無約束的滾軸支座上，允許其在受溫度變化時，可以自由伸縮。在高低溫環境箱內溫度達到-20 ℃、-30 ℃、-40 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃、60 ℃、70 ℃和75 ℃時，記錄鋼軌應力傳感器采集到的溫度和應變。環境箱每次達到設定溫度后，保溫30分鐘，再進行升溫或降溫。

（4）通過200 kN電液伺服作動器對鋼軌進行疲勞加載，疲勞試驗按正弦波加載，上限力值P上=150 kN，加載下限力值P下=10 kN，循環次數N=2×106。疲勞試驗后檢查鋼軌應力監測系統的外觀，測試其工作是否正常。

部分靜載試驗數據的記錄如表1所示。

2.2? 試驗結論

通過試驗，可得出以下結論：

（1）靜載試驗過程中，對鋼軌施加壓力時得出兩個鋼軌應力傳感器應力平均值與試驗機壓力值的比對誤差，以及兩次加載過程中鋼軌應力傳感器應力值的重復性，如表2所示。

誤差值計算方法：試驗機壓力值除以鋼軌橫截面積再減去兩個鋼軌應力傳感器應力平均值，60 kg/m鋼軌的橫截面積取7 745 mm2。

重復性計算方法：兩次加載過程中兩側鋼軌應力傳感器應力平均值的差值。

（2）從圖3中可以看到鋼軌溫度與環境溫度有滯后現象，兩個鋼軌應力傳感器溫度測試在-30～75 ℃時工作正常。

（3）經檢查，經過200萬次疲勞加載鋼軌應力監測系統外觀無變化，疲勞試驗結束后，對鋼軌進行靜載試驗，鋼軌應力監測系統可正常工作。

3? 現場測試

3.1? 設備現場安裝

在某高鐵無縫線路易產生應力集中的地段選取鋼軌，均勻布設鋼軌縱向應力溫度傳感器。

鋼軌溫度應力檢測模塊通過黏合劑粘接在鋼軌側面中心軸，黏合前對鋼軌進行除銹處理，除銹處理過程如圖4所示。由于工況較為惡劣，對黏合劑的力學性能、穩定性、適用溫度范圍及化學性質均有較高要求，同時應盡可能地減少從測量體變形以及到應變計的損失。通過研究選擇的膠體，其力學特性如表3所示。

涂膠以后，用自主設計的傳感器推壓夾具把傳感器壓在膠上在3分鐘，然后對應變片表面施加垂直力113 kN，持續時間為12～15分鐘。傳感器推壓夾具如圖5所示。

無線傳輸模塊封裝裝在設備盒內，設備盒底座平臺采用6 mm的鋼板，有4個底座固定孔，孔徑為18 mm，底座平臺通過膨脹螺栓固定在路肩混凝土或橋梁防撞墻上（不低于C15混凝土），膨脹螺栓采用M16×125，不得侵入限界。

無線傳輸模塊及太陽能供電系統的安裝也是依靠膨脹螺栓，安裝效果圖如圖6所示。

3.2? 數據采集

系統數據采集以自動采集為主、手動采集為輔。自動采集通過軟件預設置，手動采集可以在關鍵的時間點增加采集的次數，系統自動采集數據的時間點設置如圖7所示。

系統數據采集功能支持選擇數據、數據預處理、數據挖掘與知識發現、專家數據的選擇輸入并提供多種公布的數據源。系統專用服務器主要用來管理海量數據的采集，以及設備在線狀態顯示、設備節點增加、重命名、刪除等管理員操作。

3.3? 數據傳輸

系統采用可靠的組網結構和雙工通信方式，模塊傳輸數據采用全雙工的工業總線方式，傳輸的數據采用CRC（Cyclic redundancy check）校驗，GPRS（General packet radio service）組網數據采用兩個通信供應商的數據通道，可以保證數據最大限度地鏈接傳輸；在傳輸數據方面系統采用多次冗余發送數據、數據加密、傳輸CRC校驗、數據多重握手，保證數據的傳輸可靠性及數據采集的及時性。

3.4? 數據存儲

系統實時采集數據并存儲，數據庫存儲引擎可實時復制數據，用于需要高可靠性及負載均衡的場合。系統的數據庫顯示界面如圖8所示。

3.5? 數據處理

本系統可以實現的數據處理功能有：

（1）分類、排序已有的采集數據，分類和排序的選項是時間、節點類型以及名字、報警點等。

（2）分析歷史趨勢曲線，顯示曲線采集點，可以顯示自動采集或者人工采集時間點。

（3）提供專家工具，給出最佳分布，根據已有的歷史經驗數據，專家系統可發現異常變化與附加力，以控制風險和指導維護。

（4）提供多種參數計算方法。

本系統可以實現的數據管理功能有：

（1）提供數據及數據庫管理功能，對局、段、車間、工區提供不同的權限，提供不同的數據內容。

（2）支持自定義可靠性模型。

（3）支持自定義編碼命名規則。

（4）支持用戶創建專用數據庫，可針對某時間，或者某節點的數據類型進行二次分析與重點分析。

（5）允許定義訪問數據庫不同用戶等級。

系統的功能主要有：實時顯示、趨勢分析、數據欄隱藏、歷史數據分析下載、數據分析、報警設置、參數設置、啟用以及暫停、局部放大功能，系統可以顯示多個監測的數據，也可以根據用戶需要顯示單獨一個放大的數據頁面。

同時系統檢測到無縫線路縱向應力變化超過規定時，系統將預警或報警。

4? 結? 論

綜上，文章得出以下結論：

（1）測試表明，所設計的鋼軌應力傳感器可在-30～75℃時工作正常，在應力值重復性檢測中表現良好，并在200萬次疲勞加載鋼軌應力后仍可以正常工作。

（2）現場安裝監測系統3大模塊時，充分考慮了設備安裝可靠性，保證了監測系統可長期穩定運行。

（3）所設計的監測系統具有數據采集、傳輸、存儲、處理全流程，極大地簡潔了工程師操作，提高了工作效率。

（4）經現場測試，高速鐵路無縫線路鋼軌軌溫、縱向應力實時監測系統，能滿足無縫線路鎖定軌溫檢測精度及全天候實時監測需求；當監測到無縫線路鋼軌附加應力超過規定值時會進行預警或報警，為無縫線路養護維修提供科學指導。

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作者簡介：崔萬里（1990.09—），男，漢族，河南平頂山人，工程師，碩士研究生，研究方向：鐵路機械設備。

收稿日期：2022-09-07

基金項目：國家重點研發計劃“物聯網與智慧城市關鍵技術及示范”重點專項（2018YFB2100900）