徐紅新，王 健

為實(shí)現(xiàn)鐵路提速,我國(guó)鐵路干線大力推廣應(yīng)用無(wú)縫線路。但隨著提速和重載列車的增多,鋼軌及接頭焊縫受到的沖擊也明顯增大。如果鋼軌接頭焊接存在缺陷或軌道幾何形位不良,加之軌溫變化導(dǎo)致拉力過(guò)大,容易造成鋼軌因應(yīng)力集中而開(kāi)裂甚至折斷,危及行車安全。

鋼軌斷軌雖然是小概率事件,但直接關(guān)系到行車安全,必須高度重視。據(jù)了解,各鐵路局幾乎每年都有斷軌故障發(fā)生。單線鐵路區(qū)間一般都沒(méi)有軌道電路,目前工務(wù)對(duì)鋼軌檢查主要采取定期探傷和巡道工巡視相結(jié)合的方法,探測(cè)周期長(zhǎng),特別是在山區(qū)鐵路長(zhǎng)大隧道中,能見(jiàn)度低,巡道工很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼軌損傷和折斷。因此,為能夠全天候及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼軌斷軌,預(yù)防危及行車安全的事故發(fā)生,需要利用設(shè)備對(duì)鋼軌斷軌進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的類型和發(fā)展現(xiàn)狀

鋼軌斷軌分為全截面斷裂型（鋼軌折斷截面積100%）和非全截面斷裂型（鋼軌折斷截面積50%以上）［1］。目前國(guó)內(nèi)依靠設(shè)備進(jìn)行斷軌檢測(cè),主要有電氣電路型和超聲波探測(cè)型2種方式。

超聲波探測(cè)型分別對(duì)左右2根鋼軌進(jìn)行獨(dú)立探測(cè),其優(yōu)勢(shì)是不僅能發(fā)現(xiàn)全面斷裂型,而且能發(fā)現(xiàn)非全面斷裂型的斷軌；缺點(diǎn)是設(shè)備功耗大,需配備大容量的電池和太陽(yáng)能電池板,造價(jià)較高,遇到連續(xù)陰雨天時(shí)電池待機(jī)時(shí)間短。

電氣電路型的斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)類似于軌道電路,利用左右2根鋼軌作為電流傳導(dǎo)線構(gòu)成閉合回路,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,設(shè)備可靠性高,但只能對(duì)全截面斷裂型且斷開(kāi)的兩部分完全沒(méi)有電氣連接時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警。目前全路應(yīng)用較多且較穩(wěn)定可靠的斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng),大都屬于電氣電路型［3-6］。

本文以衢州至寧德鐵路（以下簡(jiǎn)稱衢寧鐵路）為例,結(jié)合新建山區(qū)單線自動(dòng)站間閉塞的線路特點(diǎn),有針對(duì)性地開(kāi)展斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 衢寧鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

衢寧鐵路線路等級(jí)為Ⅰ級(jí),單線自動(dòng)站間閉塞,電力牽引,速度目標(biāo)值160 km/h,站間距約10 km,客貨混跑,并有動(dòng)車組上線運(yùn)行。進(jìn)站信號(hào)機(jī)設(shè)雙接近區(qū)段和接近信號(hào)機(jī),接近區(qū)段采用97型25 Hz相敏軌道電路。除個(gè)別車站因站間距較短采用軌道電路直接貫通外,其余區(qū)間無(wú)軌道電路。根據(jù)中國(guó)鐵路總公司運(yùn)輸局（運(yùn)工線函［2015］209號(hào)）設(shè)置斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有關(guān)規(guī)定：針對(duì)日通行5對(duì)旅客列車及以上的半自動(dòng)閉塞區(qū)間、無(wú)縫線路地段,為解決半自動(dòng)閉塞斷軌預(yù)警問(wèn)題,需安裝成熟可靠的斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斷軌［2］。

衢寧鐵路為自動(dòng)站間閉塞無(wú)縫線路,大部分車站之間的區(qū)間除進(jìn)站信號(hào)機(jī)接近區(qū)段外,都沒(méi)有軌道電路。近期（至2030年）衢州至查田段客車對(duì)數(shù)為11對(duì),查田至寧德段客車對(duì)數(shù)為7對(duì),按文件規(guī)定需設(shè)斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3 斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

衢寧鐵路浙江段和福建段分屬2個(gè)建設(shè)單位,招標(biāo)的2家斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廠家均采用載波檢測(cè)、公網(wǎng)無(wú)線傳輸方式的斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備,監(jiān)測(cè)原理大同小異,均屬于電氣電路型,僅是采用的載波頻率不同（浙江段載頻中心頻率21 kHz；福建段載頻中心頻率（13.5±0.5）kHz,頻偏4.0 kHz）。衢寧鐵路屬于電氣化鐵路,采用載波檢測(cè)方式能夠有效抗電氣化干擾［7-11］。

3.1 斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用鋼軌作為信號(hào)傳輸載體,采用基于載波通信的原理實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)不同里程收發(fā)器之間的信號(hào)傳輸,實(shí)現(xiàn)鋼軌斷軌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。區(qū)分?jǐn)嘬壍攸c(diǎn)的范圍小于1 km,斷軌報(bào)警時(shí)間≤1 min。同時(shí)該系統(tǒng)還能監(jiān)測(cè)和判斷列車運(yùn)行方向,顯示占用、出清區(qū)間各段線路的全過(guò)程,其系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要設(shè)備如下。

圖1 電氣化區(qū)段斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

1）監(jiān)測(cè)主機(jī)。為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)報(bào)警信息集中上傳的關(guān)鍵設(shè)備,一般與集中器（管理器）放在一個(gè)變壓器箱中,通過(guò)有線方式與集中器連接,二者之間通過(guò)公網(wǎng)無(wú)線方式通信。

2）集中器（或稱管理器）。主要功能是將各收發(fā)器的信息通過(guò)鋼軌載波集中采集打包,并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測(cè)主機(jī),供主機(jī)做出判斷。

3）收發(fā)器（或稱定標(biāo)器）。相鄰收發(fā)器間的信息可實(shí)現(xiàn)接力傳遞,向上級(jí)收發(fā)器發(fā)送測(cè)試信號(hào),并測(cè)量下級(jí)測(cè)試信號(hào)強(qiáng)度,同時(shí)把設(shè)備本身電池電壓和測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)給監(jiān)測(cè)主機(jī)。

4）虛擬定標(biāo)器。實(shí)際上就是鋼軌短接跳線,將監(jiān)測(cè)區(qū)段末端吸上線處左右2根鋼軌可靠短接,構(gòu)成電氣閉合回路。

5）系統(tǒng)服務(wù)器。設(shè)于工務(wù)段或路局信息中心機(jī)房?jī)?nèi),匯聚斷軌監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù),包括主機(jī)、存儲(chǔ)等硬件設(shè)備和備份軟件,為數(shù)字化提供數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)、備份、管理服務(wù),并配置在線殺毒系統(tǒng)、入侵檢測(cè)系統(tǒng)、日志記錄系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控系統(tǒng)等。

6）報(bào)警客戶終端。分為固定客戶端和移動(dòng)客戶端,固定客戶端指臺(tái)式電腦或筆記本電腦,移動(dòng)客戶端指相關(guān)作業(yè)人員手機(jī)。這些終端設(shè)備一般無(wú)需單獨(dú)購(gòu)置,利用既有設(shè)備安裝相應(yīng)軟件即可。

7）聲光報(bào)警器。設(shè)于工務(wù)段調(diào)度室、維修工區(qū)等需要的場(chǎng)所,當(dāng)收到系統(tǒng)發(fā)出的報(bào)警信息后,其紅色指示燈閃爍,同時(shí)蜂鳴器鳴響,向值班人員示警,經(jīng)值班人員確認(rèn)后,按下紅色按鈕可停止報(bào)警。由于工作人員的手機(jī)每天都要收到大量不同來(lái)源的短信,有時(shí)可能會(huì)對(duì)斷軌報(bào)警信息無(wú)法做出及時(shí)回應(yīng),并且手機(jī)在隧道或山區(qū)等無(wú)信號(hào)的地方也無(wú)法收到報(bào)警信息,因此該報(bào)警器可彌補(bǔ)短信報(bào)警的先天不足。

3.2 斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要先搜集以下資料：①區(qū)間無(wú)軌道電路里程起終點(diǎn)一覽表；②吸上線布置里程一覽表；③橋、隧、路基地段表；④電力專業(yè)隧道照明配電箱位置分布表（含左右側(cè)）；⑤曲線表、長(zhǎng)短鏈表。

不同設(shè)備廠家的設(shè)備技術(shù)要求不太一樣,設(shè)備招標(biāo)后需按照廠家的布置要求,利用以上資料對(duì)現(xiàn)場(chǎng)斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)布點(diǎn)。設(shè)計(jì)原則如下。

1）將相鄰吸上線之間作為一個(gè)斷軌監(jiān)測(cè)分段（大約2.5 km）,或者是區(qū)間軌道電路和無(wú)軌道電路區(qū)段分界點(diǎn)與無(wú)軌道電路區(qū)段吸上線之間作為一個(gè)斷軌監(jiān)測(cè)分段。如圖2所示。

圖2 斷軌監(jiān)測(cè)區(qū)段應(yīng)用的2種場(chǎng)景

2）斷軌監(jiān)測(cè)收發(fā)器與收發(fā)器之間、收發(fā)器與主機(jī)之間一般按不超過(guò)1 km布置,但不一定要等間距,可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況合理布置。如曲線部分等重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地段,可減小監(jiān)測(cè)設(shè)備間距；短隧道盡量把斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備放到隧道外,以便利用太陽(yáng)能供電。

3）斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)。分為室內(nèi)供電和現(xiàn)場(chǎng)供電,其中室內(nèi)斷軌監(jiān)測(cè)服務(wù)器及其他固定報(bào)警客戶端設(shè)備應(yīng)采用UPS供電,UPS應(yīng)采用可靠的外電源,防止外電網(wǎng)停電,電池電量耗盡時(shí)報(bào)警信息丟失或漏報(bào)?，F(xiàn)場(chǎng)供電則要注意：①路基地段和橋梁上斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備采用太陽(yáng)能組件,包含太陽(yáng)能電池板、立柱支架、電池等；②長(zhǎng)大隧道里的斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備,應(yīng)盡量靠近隧道照明配電箱（一般在隧道洞室口）,或沿隧道壁下方敷設(shè)短電纜,從隧道照明配電箱取電,若斷軌監(jiān)測(cè)單設(shè)一個(gè)小電源箱,則該電源箱應(yīng)自帶熔斷器,以免斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備電源短路時(shí),影響隧道照明供電；③無(wú)論是采用太陽(yáng)能供電,還是從隧道照明配電箱取電,都必須配備大容量蓄電池,以保證連續(xù)陰雨天或隧道照明停電檢修時(shí)斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備的正常工作,電池供電時(shí)間不小于15晝夜；④太陽(yáng)能電池板應(yīng)朝向南面,且不被樹木或其他設(shè)施遮擋。

4）斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的防雷接地設(shè)計(jì)：①長(zhǎng)大隧道斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備從隧道照明電源箱取電時(shí),應(yīng)設(shè)浪涌保護(hù)器（SPD）,現(xiàn)場(chǎng)與鋼軌連接的斷軌監(jiān)測(cè)集中器、收發(fā)器中均設(shè)有通道防雷單元；②室外的斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)做好防雷單元接地和外殼安全接地連接,路基地段單獨(dú)設(shè)置接地極,橋梁地段可與橋梁欄桿可靠連接,隧道地段可將接地引接線與站前專業(yè)預(yù)留的接地極,或擋墻里的縱向接地鋼筋連接,接地電阻≤10Ω。

3.3 斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的外部工程條件

1）全線必須已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了公網(wǎng)覆蓋。斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依靠公網(wǎng)GPRS信號(hào)把報(bào)警信息發(fā)到工務(wù)段和監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器,公網(wǎng)信號(hào)覆蓋必不可少,目前三大運(yùn)營(yíng)商電信、移動(dòng)、聯(lián)通的信號(hào)基本都覆蓋了鐵路干線。

2）斷軌監(jiān)測(cè)區(qū)段的軌距桿必須要帶絕緣,避免短路影響斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備報(bào)警。

3）斷軌監(jiān)測(cè)區(qū)段內(nèi)若有夾板、橋梁溫調(diào)器等,需要用信號(hào)鋼軌接續(xù)線將夾板的兩端連接,保證可靠電氣貫通。

4）道床電阻應(yīng)不小于1.0Ω·km,以防電流漏泄過(guò)大,影響斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備正常工作。

3.4 斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)要求

1）斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝必須滿足限界要求,設(shè)備必須安裝牢固,滿足抗風(fēng)、防震動(dòng)要求,太陽(yáng)能電池板支架即使傾倒后,也不得侵入鐵路限界。

2）電氣化區(qū)段信號(hào)軌道電路引接線一般采用“一塞一焊”雙根引接線,為防止并聯(lián)2根引接線之間鋼軌垂直方向斷軌檢測(cè)不到,斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備至鋼軌的引接線（長(zhǎng)短各1根）應(yīng)采用單連接線。

3）鋼軌引接線過(guò)水溝時(shí),應(yīng)套鋼管防護(hù),防止工務(wù)換軌時(shí)砸傷引接線。

4）橋梁外側(cè)的欄桿由立柱和橫欄桿組成,其中立柱與橋梁主體結(jié)構(gòu)相連,非常穩(wěn)固,橫欄桿僅起防護(hù)作用。橋梁上的斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備必須固定在橋梁護(hù)欄立柱上,不能固定在橫欄桿,以防晃動(dòng)和脫落。

5）工務(wù)段應(yīng)定期對(duì)斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備及鋼軌引接線進(jìn)行巡檢,確保設(shè)備基礎(chǔ)穩(wěn)固、連接可靠。定期對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行清潔養(yǎng)護(hù),防止覆蓋灰塵過(guò)多影響發(fā)電效率。

4 應(yīng)用效果

衢寧鐵路福建段73.825 km的區(qū)間斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備已于2020年9月底上道運(yùn)營(yíng),浙江段100.1 km的區(qū)間正在安裝。目前由于開(kāi)通時(shí)間不長(zhǎng),系統(tǒng)尚沒(méi)有發(fā)現(xiàn)斷軌故障,但在工務(wù)換軌時(shí)（與斷軌場(chǎng)景相同）監(jiān)測(cè)中心和工務(wù)段都能收到斷軌報(bào)警信息,證明設(shè)備工作正常。衢寧鐵路為山區(qū)鐵路,交通極為不便,鋼軌斷軌監(jiān)測(cè)設(shè)備上道后,工務(wù)段、路局信息中心、有關(guān)工務(wù)人員手機(jī)上均可實(shí)時(shí)收到報(bào)警信息,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了效率,確保了運(yùn)營(yíng)安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)鐵路目前還有不少半自動(dòng)閉塞或自動(dòng)站間閉塞線路,特別是交通不便、人跡罕至的山區(qū)和無(wú)人區(qū)鐵路線路,依賴傳統(tǒng)的人工巡道方式效率非常低,無(wú)法保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼軌斷軌。該斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以全天候連續(xù)監(jiān)測(cè)鋼軌狀態(tài),對(duì)于區(qū)間沒(méi)有軌道電路的線路是一個(gè)較好的解決方案,具有較好的推廣前景。