50上海铁道增刊2020年第2期科研开发昌鹿铵路直岔狃拌齟钮i E B i l l S测系统设计 崔瀚钰中国铁路上海局集团有限公司科研所
摘要在综合分析多种既有道岔监测系统优缺点的基础上，以高速铁路使用、作业要求为标准，在仿真设计、3D 打印等技术的支撑下，针对一种普速铁路道岔轨件断轨 实时监测系统进行优化改进，使之能够实现对高速铁路 道岔区域轨道电路盲区道岔轨件的状态监测。在保证功 能稳定、响应准确的前提下，优化后的系统结构简洁，设 备轻巧，安装便捷，安全性提高，能够满足高速铁路现场 使用、作业的要求。 关键词高速铁路；道岔；断执；监测系统；优化设计
道岔作为铁路线路的重要组成部分，起着承载列车和引 导列车行进的重要作用。相比于线路上的标准钢轨，同等条 件下道岔轨件所受的冲击力更大，但多数轨件的机械强度受 功能结构限制，却弱于标准钢轨，因而道岔轨件发生断轨的 几率更大，这使得道岔成为线路上典型的薄弱环节之一。随 着高速铁路线路里程的不断增加，列车运行速度的不断提 升，高速铁路道岔的安全问题越来越得到重视。尤其在轨道 电路盲区，由于结构复杂，岔区设备繁多，作业空间狭小，针 对这一区域的道岔轨件状态的监测一直是铁路日常养护维 修工作中的难点。近年来，多种道岔监测系统得到研制、应 用，却受误报率、功能稳定性、设备安全性等多种因素的影响，实际效果一直饱受质疑。
1道岔监测技术的研究现状与存在问题
目前对道岔监测系统的研究方向众多，涉及的技术多 样。但相对成熟、实际得到应用的道岔监测系统较少，涉及的 主要技术及其特点如下：
1.1视频监测技术
视频监测技术使用高清摄像机拍摄道岔区间图像，利用 图像分析、处理技术，对可疑区域进行识别，判定道岔轨件的 状态。
基于视频技术的监测系统技术成熟，设备简单，但无法 实现轨件内部或被遮挡位置的监测。同时图像的精确分析比 对往往需要通过人工后期完成，实时性也无法保证。1.2满流探伤监测技术
涡流探伤监测技术使用激磁线圈使导电构件内产生涡 电流，借助探测线圈测定涡电流的变化量，从而获得构件缺 陷的有关信息。
涡流探伤技术的监测准确性高，但监测系统设备相对复 杂，并且仅能监测构件表面和近表面的伤损变化情况。
1.3光纤实时监测技术
光纤实时监测技术使用由环氧树脂胶带贴于轨件上的 标准单模光纤进行监测。光纤的一端接光源，另
一端为接收 器。如果轨件发生折断，光纤将随之发生破裂，光线将不能到 达接收器，由此判断发生断轨。
基于光纤的实时监测系统安装便捷，但由于光纤自身具 有一定的韧性，该监测系统容易产生漏报，存在较大的安全 隐患。
1.4应力检测监测技术
基于应力检测技术的道岔监测系统在轨件上安装应力 测量传感器，通过对传感器检测到的应力和温度变化进行计 算比较，以判定断轨、轨道变形或两者兼而有之。
应力检测技术则极易受到多种因素的干扰，准确性和稳 定性较差。
1.5导电涂层监测系统
导电涂层监测技术在轨件便面喷涂导电涂层，当轨件产 生裂纹或折断，导电涂层随之断裂，实现对轨件状态的监测。
导电涂层监测系统可以监测到轨件表面的裂纹，实时性 好，敏感性高，但安装作业困难，同时导电涂层容易被外力外 物破环，现场的实用性、可推广性较差。
1.6非线性超声伤损监测系统
非线性超声伤损监测技术利用指定频率的超声信号在 轨件中传播，监测系统通过分析接收到的指定频率对应的各 种倍频信号的有无及变化趋势，来研判轨件的伤损状态。
非线性超声伤损监测系统的监测可监测多种数据，准确 性较高，但系统设备复杂，安装繁琐。
盲区监测
2高速铁路道岔轨件断轨实时监测系统设计
2.1设计目标
科研开发高速铁路道岔轨件断轨实时监测系统设计
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由于对道岔轨件内部伤损的实时监测存在明显的技术 壁垒，监测准确性和稳定性难以保证，为满足高速铁路现场 迫切的需求，综合分析现有的各种道岔监测系统后，明确高 速铁路道岔轨件实时监测系统的基本设计目标如下：
(1) 确保对断轨状态的准确监测、报警，降低误报，杜绝
漏报；
(2) 系统硬件结构简洁，能够适应“天窗”作业要求，实现
快速安装；
(3)
实现对道岔区间薄弱位置的监测全覆盖，减少监测
盲区；
(4) 系统自身安全性高。
2.2普速铁路道岔轨件断轨实时监测系统
基于上述设计目标，选择在一种普速铁路道岔轨件断轨 实时监测系统的基础上，进行优化改进，使之满足高速铁路 现场使用、作业的要求。
该普速铁路道岔轨件断轨实时监测系统采用声表面波 技术对道岔轨件进行监测。
声表面波监测技术是在一段轨道的中部安装声波发生 装置，左右端相隔一定距离安装声波接收装置。当发射装置 发出声波后，如果遇到轨件发生断轨，声波信号的相关指标 产生急剧变化，据此判定轨件是否折断。声表面波监测技术 方案本意图见图1。
图1
声表面波监测技术方案示意图
自研制以来，该监测系统在南北方不同的气候条件下， 正常、稳定运行时间已达两年。并且系统结构简单，采用无线 通信，现场安装无需额外布线，安装方便。
2.3优化设计
由于作业工况和现场条件的不同，该普速铁路道岔轨件 断轨实时监测系统无法直接应用到高速铁路。基于高速铁路 作业条件及轨旁设备管理要求，在仿真设计、3D 打印等技术 的支撑下，针对性的对普速铁路道岔轨件断轨实时监测系统 进行设计改进。
(1)信号收、发设备扁平化设计
为减少设备线缆，原监测系统的各个功能部件自带电 源，电池仓位于功能部件下方，使得信号收、发设备主体厚度 达到约80 mm 。
高速铁路部分道岔区域轨件底部空间较小。通过将信号 收、发设备扁平化改造，改变电池仓位置，重新排布内部元器
件位置，降低天线高度，使得设备主体厚度降低到约40 mm ，能 够适应目前已知条件的所有高速铁路道岔的安装。天线高度降
低仿真设计见图2。图2天线高度降低仿真设计
(2)仿形夹具设计
根据安装位置不同，利用仿真设计，配合3D 打印技术快 速加工进行现场试验，在短时间内对所有安装的信号收、发 设备均对应设计了全新的不打孔仿轨型夹具，实现所有设备 硬夹持，配合强磁、胶粘，设备安装更加牢固可靠。3D 打印夹 具模型、厚仿形夹具、薄仿形夹具见图3。
图3 3D 打印夹具模型、厚仿形夹具、薄仿形夹具
(3)设备参数仿真优化
由于高速铁路道岔区间设备环境的不同及系统收、发设 备结构的改进，系统的各项参数需要重新进行优化。经仿真
试验及现场测试，系统信号稳定，且强度几乎达到饱和。人工 断轨测试实验中，系统对断轨的报警准确率为100%，报警延 迟约1 m iru 断轨前后信号数据变化见图4。
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图4断轨前后信号数据突变
(4)系统监测范围扩大
经过重新设计的监测系统收、发设备体积小巧，
安装位
52高速铁路道岔轨件断轨实时监测系统设计
置更加“随意”，使得整个系统的监测范围进一步扩大，系统 的实用性提高。
线下针对18#道岔的试验显示，新设计的高速铁路道岔 轨件断轨实时监测系统实现了对道岔区异形轨件90%区域 的监测，无法监测部分主要是由于空间狭小，信号接收器无 法安装(见图5)。
3高速铁路道岔轨件断轨实时监测系统设计总结 3.1新监测系统的特点
新设计的高速铁路道岔轨件断轨实时监测系统达到了 既定设计目标的要求，在保留部分旧系统优势的同时，在多 个方面进一步得到了提升。具有以下特点：
(1)
系统设计简洁，功能性设备自带电源，信号传输使用 特定频道的进行无线传输，设备安装无需额外布置各种线 缆，对既有设备影响小；
(2)
系统主要功能设备体积小巧，可满足多种不同型号
道岔的安装监测，监测范围覆盖道岔区域轨道电路盲区，对 异形轨件的监测覆盖范围达90%;
(3) 系统信号、功能稳定，能够实现对断轨的准备报警；(4) 系统所有功能设备全部采用硬夹持、强磁、胶粘多种固定措施，设备安装牢固可靠。
当然，由于技术的局限性，系统无法实现对道岔轨件伤 损的监测预报。3.2设计总结
该高速铁路道岔轨件断轨实时监测系统是为响应现场 的应急需求而设计的。特殊的背景条件为今后的工作积累了 宝贵的经验：
(1)
在仿真设计、3D 打印等多种新技术的支撑下，在短时
间内实现了高速铁路道岔轨件断轨实时监测系统的设计，完 成了新系统的改进、加工、调试、线下试验等过程，达到了高 速铁路现场使用、作业的基本要求，为今后更好地响应现场 特殊工况的应急需求打下基础；
(2)
随着高速铁路的不断发展，现场的作业条件和管理
要求也在不断变化。利用新技术对既有的系统设备进行“升
级”，使之适应新形势下的新要求，解决现场的新问题，亦不 失为一种有效的技术手段。参考文献
[1] 齐小民，道岔综合监测系统平台的研究与设计，铁道通信信号,2016(1):1~5.[2] f 寸连著，伍建军，郎向伟，唐志峰，基于超声导波的道岔尖轨伤损监测试验
研究，健建筑，2018(5): 124-128.[3] 李然，道岔尖轨伤损无损监测系统方案论述，中国设备工程,2020(3):176〜 177.[4] 刘克强，高速客运专线道岔监测系统研究及应用，中国铁路,2009(4): 38~ 41.
[5] 张华，孙洋，道岔状态监测系统的研究，铁道通信信号,2008( U ): 7~9.
责任编辑：许耀元 来稿日期：2020-09-17
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②定制、加装主变压器各接线端专用防护绝缘帽，将接 线端整个防护起来。
(2)
加强HX b 2B 型机车主变流柜复合冷却器漏水情况的 防治，避免雨水通过复合冷却器浸湿主变压器接线端，从而 导致其对地绝缘降低。
(3)
提高HX 152B 型机车车载数据分析能力，加强数据分 析，充分发挥数据的故障预警作用，以降低故障漏报及故障 处理不彻底的情况。5结束语
(1)整流器IGBT 静态故障的各桥臂状态背景变量值表 示TCU 记录的CVE 模块停机状态下的桥臂上、下管状态， “ 1”表示该管状态良好(呈高阻态），“〇”表示该管故障(呈低
阻态）。各桥臂上、下管状态由CVE 模块驱动板检测，经硬线 电路反馈给TCU ，最终由TCU 根据图2所示故障方程中的条 件判断是否发生整流器IGBT 静态故障，所以CVE 模块驱动 板至TCU 的状态反馈线路或供电线路存在虚接、断路也会导
致整流器IGBT 静态故障的发生。
(2)HX 〇2B 型机车的车载数据实时记录着机车运行中发
生的各种故障、事件及当时的各种工况参数(背景变量），非
常有利于故障的判断，但在很多情况下，数据中记录的信息
并不能直接指向故障处所，只是提供了有用的线索，必须要
结合故障原理、机车电路及相关理论进行综合分析才能准确 查出故障点，所以单纯依靠车载数据进行故障判断是有很
大局限性的。本文整流器IGBT 静态故障的判断充分利用了 车载数据，通过对整流器IGBT 静态故障原理及机车电路的 分析，准确地到故障处所，对HX …2B 型机车相关故障的判 断具有重要的借鉴意义。参考文献
[1]阿尔斯通.SCC 01_Control and monitor the controlled rectifiers _EN _CN [Z ].[2浏志刚.电力电子学dl ：京：清华大学出版社朮京交通大学出版社二〇〇4.
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