高原地區鐵路無縫道岔監測成果分析

方 家

中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西 西安 710043

0 引言

高原地區的鐵路建設一直是鐵路工程領域的重要挑戰。由于獨特的地質環境和氣候條件,高原鐵路建設和運營過程中面臨著諸多難題。其中,無縫線路作為高原鐵路的一項關鍵技術,通過提高軌道強度和平順性,優化行車條件并降低養護維修成本,有助于提高鐵路的安全性、穩定性和運營效率,推動地方經濟和社會的發展。

國內學者針對高原地區無縫線路進行了多項研究。張向民 等[1-2]通過現場監測和數值仿真,深入研究了高原無縫線路的設計和施工技術。曾志平 等[3]在青藏鐵路的不凍泉地區進行了橋上無縫線路的試驗,驗證了規范取值在該地區的適用性。管新武[4]分析了高原鐵路的氣溫和軌溫變化規律,為無縫線路設計提供了指導。王樹國 等[5]利用神經網絡技術,證實了高原鐵路鋪設跨區間無縫線路的可行性。潘自立 等[6]采用有限元方法,探討了大日溫差高原地區鋪設無縫線路的可能性,并提出了消除接頭的技術方案。這些研究為高原地區鐵路建設和改進提供了寶貴的科學依據和技術支撐。

綜上所述,國內學者在高原地區無縫線路研究方面取得了重要進展,但青藏鐵路等仍采用區間無縫線路,岔區使用普通接頭[5]。本文基于實時監測數據,分析氣溫和軌溫變化規律,旨在為高原地區跨區間無縫線路的設計、施工和維護提供科學依據。

1 監測方案

監測工點位于格庫鐵路依吞布拉克站無縫道岔(型號:專線4249)。該地區海拔約為3 200 m,屬溫帶大陸性高原氣候,具有氣溫較低、極端干旱、風沙大、日照充足且紫外線照射較強的特點。結合現場環境,確定氣溫及軌溫的測點布置方案。由于尖軌是道岔的重要部件,依靠尖軌的扳動將列車引入正線或側線,且尖軌亦是道岔的薄弱環節,考慮到監測設備安裝應避免影響尖軌的正常運行,因此將軌溫測點選取在位于曲基本軌靠近尖軌尖端位置,如圖1所示。氣溫測點按小型氣象站觀測要求,設置在無縫道岔附近距離地面高度1.5 m的百葉箱內(可避免陽光直射)。

圖1 軌溫測點布置及熱電阻溫度傳感器實物圖

溫度監測采用熱電阻溫度傳感器如圖1所示,該原理是基于電阻的熱效應來進行溫度測量。電阻體的阻值會隨溫度的變化而變化。熱電阻隨溫度上升,電阻值也隨之增加時,稱為正電阻系數;反之,電阻值下降則稱為負電阻系數。因此,通過監測感溫熱電阻的阻值變化,可以得知溫度的變化,從而利用此特性進行溫度測量。目前,鉑和銅是應用最廣泛的熱電阻材料。鉑電阻的優點在于精度高,適用于中性和氧化性介質,具有良好的穩定性。值得注意的是,鉑電阻表現出一定的非線性特性,即隨著溫度的升高,其電阻的變化率逐漸減小。銅電阻在測溫范圍內,其電阻值與溫度之間呈現出線性關系,具有較大的溫度系數,適用于無腐蝕性介質。然而,銅電阻在超過150 ℃的環境中容易被氧化。由于列車運行過程中軌道結構振動較大,考慮到鉑電阻溫度傳感器還具有抗振動、穩定性好、準確度高、耐高壓等優點,因此選用鉑電阻溫度傳感器。

2 監測過程及成果分析

氣溫數據是進行數據分析的核心基礎。為了確保所獲數據的準確性和可靠性,為長期研究建立堅實的基礎,項目選取了2023年8月的每日最高和最低氣溫的監測數據,與中國氣象局發布的數據進行了詳盡的對比分析。經比較,二者之間展現出了高度的相似性,如圖2所示。

圖2 氣溫監測數據與氣象數據對比

氣象局所提供的數據是基于離地1.5 m的白色百葉箱內采集的溫度數據進行統計的,也是該地區氣溫統計的一個綜合數據。相對而言,本項目中的氣溫監測主要是在無縫道岔附近進行的,更傾向于捕捉監測點附近的氣溫變化細節。盡管兩者存在一定的差異,但這些差異并未對數據的整體趨勢和準確性造成明顯影響,仍處于可接受的范圍之內。這表明監測數據具備較高的準確性,為整個系統的監測數據分析提供了堅實、可信的基礎。

軌溫是鋼軌實時狀態的直觀體現。由于鋼材本身的特性,軌溫往往會呈現出高于或低于氣溫、并且呈現變化迅速的特點。這種快速的變化會給鋼軌帶來顯著的內部應力,進一步加劇了高原地區無縫道岔軌道結構的受力復雜性。為了深入了解在氣溫波動下軌溫的變化模式和趨勢,對軌溫進行持續監測和深入分析尤為重要。利用2023年8月所收集的監測數據,可以觀察到軌溫數據與氣溫數據之間的變化關系,如圖3所示。

圖3 軌溫與氣溫檢測數據對比

數據對比曲線揭示,氣溫和軌溫均表現出以一日為周期的規律性變化,且兩者的變化趨勢相一致。軌溫變化曲線規律符合軌溫曲線特性,從而驗證了監測數據的高度真實性和研究價值。具體到2023年8月的數據,軌溫的峰值達到45 ℃,而最低值為1 ℃,期間的最大溫差為44 ℃。考慮到整個月的數據量較大,難以進行詳盡的數值關系分析,為更深入地探討軌溫監測數據的規律,特別選取了2023年8月2—8日的數據進行細致對比。這一階段時間軌溫和氣溫的變化情況及具體數值如圖4和表1所示。

表1 極值溫度統計 單位:℃

圖4 氣溫、軌溫隨時間變化曲線

分析圖4和表1的監測數據可得:8月2日—8日期間,日最高軌溫記錄為45℃,最低軌溫為6 ℃,日軌溫差最大值為39 ℃。值得注意的是,除了8月8日,最高軌溫大多出現在中午12:30—14:30的時間段,而最低軌溫則主要集中在凌晨4:30—6:30。日最高軌溫比日最高氣溫高出11～19 ℃,而日最低軌溫和日最低氣溫之間的差異則相對較小。軌溫的上升速度通常超過了氣溫的上升速度。具體來說,軌溫達到其每日的最高值通常比氣溫提前1.5～3 h。但是,在達到最低溫度這一點上,軌溫和氣溫之間的時間差則相對較小。

通過上述分析,可以看出軌溫和氣溫之間展現出明顯的關聯性。為了能夠準確地量化和理解這種關聯,需要進一步探索在不同氣溫條件下軌溫的具體變化情況。數據擬合成為關鍵的研究方法,可以幫助揭示這兩個變量之間的數學關系。為保證研究的準確性和可靠性,本文選取了大量的氣溫和軌溫監測數據進行擬合分析。利用這些豐富的數據集,可以得到一個更具代表性和可信度的結果。經過細致的處理和分析后,這些數據被轉化為圖5所示的擬合曲線圖。

圖5 軌溫-氣溫關系擬合分析

通過上述擬合分析,確定軌溫(y)和氣溫(x)之間的關系為一次線性關系,其擬合公式可以表示為:y=1.535 15x-4.467 19。當所有數據點完全緊密地落在擬合曲線上時,可以認為擬合效果達到了最佳狀態,此時的相關性系數為1。參考圖5,注意到此次擬合分析的相關性系數R為0.852 52,而相關性程度Adj.R-Square則是R的平方值,即0.726 78。這2個數值均指示出上述擬合結果具有良好的質量,因此可以使用該模型來預測和分析在不同氣溫下的軌溫變化情況。進一步深入觀察擬合公式中的系數,可以發現擬合系數a的誤差為0.076 57,而擬合系數b的誤差為0.004 58。這些誤差值相對較小,說明該擬合公式具有較高的準確性。從上述擬合公式中還可知,當氣溫發生1 ℃的變化時,軌溫會相應地變化約1.5 ℃。這也表明在夏季高溫時段,軌溫有可能會顯著地超過氣溫,這一現象可能會對無縫道岔的結構和穩定性產生影響。因此,工務部門需要特別關注這一時段,加強對軌溫的監測,并及時采取相應的措施應對可能因軌溫升高而引起的附加力以及其他相關問題。

3 結束語

本文采用熱電阻測溫技術對格庫鐵路依吞布拉克站的無縫道岔的氣溫及軌溫進行了長期監測,通過對比分析監測數據與國家氣象局發布的數據驗證了氣溫監測數據的準確性。同時,對軌溫進行了持續監測和深入分析,揭示了軌溫和氣溫之間的變化關系和趨勢。所得主要結論如下。

1)氣溫和軌溫均呈現以1 d為周期的規律變化,且軌溫與氣溫的變化趨勢相同。軌溫變化曲線規律符合軌溫曲線特性,驗證了監測數據的高度真實性。

2)通常情況下,日最高軌溫要比日最高氣溫高約15 ℃,但是在每日最低點上,軌溫和氣溫之間的差異相對較小。此外,軌溫的上升速率往往快于氣溫的上升速率,表現為軌溫達到其每日峰值的時間通常比氣溫要提前1.5～3 h。

3)經過數據擬合分析,確定了軌溫和氣溫之間的一次線性關系,并得到了具體的擬合公式y=1.535 15x-4.467 19。同時,該模型的相關性系數R達到了0.852 52,顯示出較高的相關性,這表明可以利用這一模型來有效地預測和分析在不同氣溫條件下軌溫的變化,為鐵路維護和管理提供有力的決策支持。

4)當氣溫變動1 ℃時,軌溫會相應變動約1.5 ℃,顯示出軌溫對氣溫變化的敏感性。特別在夏季,當氣溫達到高峰時,軌溫有可能顯著地超越氣溫,這一現象有可能影響無縫道岔的結構穩定性和使用性能。因此,對于工務部門來說,需要給予這一時期特別的關注,應增強對軌溫的監測頻率和精度。同時,需要提前準備并及時實施有效的應對措施,以防范因軌溫異常升高而導致的額外應力以及其他相關問題。

未來可以進一步拓展數據集,考慮更多影響因素,以提高模型的準確性和應用范圍。同時,可以結合實時監測系統和預警機制,實現對軌溫的及時監控和預警,確保高原地區無縫道岔的運行安全和穩定。