道岔运用状态监测系统研究

许 强，马广元，杨 栋

按照“强基达标、提质增效”的要求,国铁集团在铁路养护维修方面提出综合维修一体化和工电设备修程修制改革,对设备运用状态准确评估、设备变化规律分析和安全风险预警能力,提出了更高要求。

道岔在铁路运输中起着重要的作用,其运用质量直接影响铁路运输安全和效率。目前,道岔转换故障数量占全路设备故障总数的60%左右,已成为铁路维护方面的重难点问题。只有采用先进的管理理念和技术手段,加强道岔运用状态监测,才能全面动态掌握道岔运用状态和变化规律,为科学养护维修提供技术支撑。

由于道岔转换设备安装于工务钢轨上,容易受钢轨伸缩量、道床稳定性等外部条件影响而发生变化,造成道岔转换瞬间不畅。虽然目前已有针对道岔缺口、油压、油位及道岔转换力的监测手段和参数分析,但还没有掌握钢轨件与转换设备“结合部”的基本参数,更没有维护分析需要的“检查、调整和维修”标准,使得现场难以对道岔转换部位进行科学的预防性调整。

为解决此类问题,本文通过对钢轨件与转换设备“结合部”基本参数进行采集、分析,研发了道岔运用状态监测系统。通过监测道岔钢轨件与转换设备之间的静态和动态变化量,找到道岔转换不良的故障原因；通过监测钢轨伸缩和道床动态状况,指导工务对道岔部位进行精准维修,减少道岔部位钢轨爬行、道床起伏等问题；通过道岔运用状态监测系统进行数据积累,监测分析道岔设备的变化规律,指导现场维护人员开展预防性维修,有效防止和减少转换不良故障,从而减少对正常运输的干扰。

1 故障分析

道岔的尖轨、心轨是直接与车轮接触的可动部件,车轮与钢轨件受力状态复杂,且零件和转换设备集中,排除故障用时长,是运输设备主要的薄弱环节之一,且容易引发灾难性后果。因此,对道岔可动零部件及转换状态进行监测,分析车辆通过和转换时的轨件及转换设备的参数,及时发现故障隐患并适时整治和维护,是道岔转换状态监测研究的预期。

1）环境参数不可避免地影响道岔转换设备的特性变化。线路钢轨、尖轨随着温度变化而伸缩,转换设备中的尖轨与基本轨密贴状态的电气接点就必须准确、及时地予以反映,这是维管部门关注道岔区段行车安全的重点。

2）列车通过岔区时,线路弹性层的起伏量如果超限,会导致转换设备长时间处于高振动量级的环境下,使得转换设备的紧固件松动、结构件磨损加速。

3）粹火的尖轨在振动环境下会释放可能的剩余应力,引起尖轨变形,影响尖轨与基本轨的密贴状态。

4）道岔转换故障主要表现为:表示杆缺口稳定周期短,断表示故障频发；密贴力（静态）变化大,锁闭机构不能正常解锁和锁闭；转换中动作杆卡阻,尖轨不能到达正常位置；尖轨与基本轨向“四开”方向变化,构成行车安全隐患。

2 关键技术

由于道岔结构基本位置参数的监测,需要将测距传感器设置在一个稳定的参考点上进行长期测量,因此,选定承载尖轨的轨枕间道床中心点,新设基桩安装高精度激光测距传感器,在尖轨被测点上新设转换靶标。当尖轨结构位置发生变化,靶标能将位置变化反应到与测距传感器方向的距离变化,从而测量出各个被监测点的变化。轨旁设立现场采集单元对下设传感器进行处理,再由网络系统传送至位于车站的控制室服务器,服务器对采集数据分析后,反映出可能的设备损耗和变化趋势。

系统根据数据变化,自动分析趋势,设置预、报警值,提醒运维人员进行维修,减少设备维护工作量,降低对行车的影响。

2.1 系统结构

监测系统主要由传感器单元、采集单元、中心处理单元、传输网络等四部分组成,见图1。传感器单元根据所测项目的不同,按周期对所测项目进行测试,记录并上传相关信息；采集单元将传感器单元采集到的相关信息,实时通过传输网络上传至中心处理单元；中心处理单元根据所收集到的信息,实时分析所测项目相关参数发生变化的趋势。现场实施情况见图2。

图1 系统结构

图2 现场实施

2.2 工作原理

通过在线路中间安装高精度光电距离传感器,非接触式地测量道岔尖轨、心轨的位置变化,结合道岔动态,建立长期实时监测机制。

监测模式有静态和动态2种,不同工作模式所监测的项目不同。静态是指无列车通过道岔时的工作模式,动态是指列车经过道岔时的工作模式。静态工作模式监测尖轨的动程、尖轨伸缩量、基本轨伸缩量、外锁闭拉杆与动作杆平顺状况；动态工作模式监测斥离尖轨振幅。

2.3 监测项目

道岔转换监测设备可以对在用道岔的关键参数（道岔开口、尖轨伸缩量、基本轨状态等）及转换设备的状态（振动加速度、外锁闭与动作杆平顺状况等）进行周期性或实时测量。具体监测项目:①道岔转换过程中,直流转辙机动作电流、故障电流、动作时间（现有监测信息）；②道岔转换过程中,交流转辙机动作电流、功率、动作时间（现有监测信息）；③道岔表示交、直流电压（现有监测信息）；④尖（心）轨的伸缩量；⑤尖（心）轨的动程；⑥斥离尖轨的振幅；⑦基本轨、翼轨的伸缩量；⑧转辙机外锁闭拉杆与动作杆平顺状况。

2.4 现场安装方式

在牵引点前端第一个枕木孔处安装监测盒,内置8个光电传感器,负责左右尖轨数据的采集。在基本轨上利用专用卡具安装靶标,用于基本轨伸缩量的测量；利用安装装置尖端铁螺栓安装靶标,用于尖轨动程、伸缩量和振动情况的测量。其他牵引点部位的采集点设置及安装方式与第一牵引点类似。

3 试验与效果验证

在兰州局集团公司富强堡站,选择了一组道岔进行试验。道岔为60 kg/m 12号双机牵引外锁闭道岔,转辙设备为ZYJ型液压转辙机,在尖一、尖二转换设备处安装监测系统,收集该道岔运用状态各类参数,验证监测系统的可靠性,检验系统对道岔运用状态的维护工作是否具有指导性。

3.1 尖轨动程监测

1）现场人工测量确认尖轨的动程,同时传感器分别测量尖轨密贴、斥离位的距离,设置密贴状态为基准。

2）监测该道岔左、右尖轨在转换状态或是列车通过后的动程数据,均很稳定,说明道岔轨距基本无变化、尖轨状态稳定、转辙设备密贴调整合适、转辙设备动程未发生变化,后期维护可借鉴测试数据,减少相应的转辙设备检修工作量。

3）监测中出现一次道岔定位缺口报警,经后期数据分析,在缺口报警前系统监测到左尖轨定位动程发生了变化、超出基准值,经现场检查判定为维修作业引起。

3.2 尖轨伸缩量监测

1）传感器测量尖轨在密贴状态的距离,以此为基准,实时监测尖轨伸缩量的变化。

2）在夏季状态下,左、右尖轨伸缩量基本稳定,说明尖轨无爬行现象。

3）在进入冬季后,尖轨夜间和白天的伸缩量变化较大,尤其是早晚时段变化更明显。原因为尖轨除牵引点和岔根处有连接外,其余基本都是在自由状态,在温差较大时,由于热胀冷缩的原因致使伸缩量随之发生变化。综合动程、尖轨伸缩量测量数据,可根据不同季节制订转换设备的调整指标。

3.3 基本轨伸缩量监测

1）传感器测量基本轨的距离,并以此为基准,实时监测基本轨伸缩量的变化。

2）在夏季,基本轨伸缩量基本稳定；冬季早晚时段伸缩量虽然有变化,但变化幅度不大。分析原因为固定基本轨的扣件齐全、压力合适,在温差较大时,虽然由于热胀冷缩的原因致使伸缩量随之发生变化,但由于基本轨固定良好,其变化量均在允许范围内。

3.4 斥离尖轨振幅监测

1）传感器测量斥离尖轨的距离,并以此为基准,实时监测列车通过道岔时尖轨振幅的变化。通过测试,左侧尖轨在斥离状态列车经过时,振幅数据变化较小。

2）测试中发现右尖轨在斥离状态列车经过时,振幅数据变化较大。分析原因,初步判定右尖轨处存在道床不稳或者尖轨空吊现象。经现场检查,发现第一、三、五滑床板与尖轨间隙过大,经整治后振幅变化明显减少。

4 试验结果分析

1）道岔运用状态监测系统能按周期对道岔运用状态进行实时测试,记录和上传监测信息并存储分析。

2）数据可以实时为维护人员提供预、报警信息,大量数据积累后,可以为制订道岔及转换设备维护策略提供数据支撑,这些均有助于现场逐渐从现有计划修向状态修过渡。

3）道岔运用状态监测系统与既有的微机监测、道岔缺口监测等系统结合使用,可以有效减少道岔转换故障的发生,为道岔及转换设备实现状态修提供数据依据。

5 结束语

目前,试用设备的各类监测数据可满足现场工务、电务对道岔日常维护参数的监测需求,尤其在温差变化加大时,能直观反映出钢轨伸缩量的变化。在道岔密贴调整后,动程的变化亦可及时体现。在后期,通过优化道岔运用状态监测系统对道岔关键参数监测周期,使道岔维修人员能够提前了解道岔工作状态的变化趋势,及时发现潜在的问题,减少道岔转换故障。

通过对道岔状态精确评价、故障诊断预测、趋势变化分析、全面感知安全风险预警,推进了实施道岔精确维修和预防性状态修,提高了维修效率、降低了维修成本,为确保道岔转换设备运用稳定提供技术保障。