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中和轨温监测装置的研发

???随着无缝线路的广泛使用，人们对中和轨温（钢轨不产生纵向应力时的温度）监测的准确性、可靠性和效益成本愈加关注。经验表明，由于轨道结构承受的荷载是动态的，中和轨温实际上随时间而变化，因此，很难保证在铺轨时中和轨温是一成不变的。为此，美国联邦铁路局研发办公室启动了旨在开发具有成本效益的中和轨温监测装置的研究项目。

???中和轨温监测装置包括传感单元和读出单元，见图1。传感单元通过磁的作用安装在需要对中和轨温进行监测的轨腰处。传感单元全天不间断地按固定间隔时间采集钢轨应变和温度数据。读出单元包括一个体积小、精度高的接受器/全球定位系统（GPS）传感器，及一台超小型计算机或标准的笔记本电脑，最远可从距离传感单元220英尺接收采集的数据，见图2。读出单元即可在铁路线路旁公路上行驶的车辆上使用，也可在公路铁路两用车或运行的列车上使用。读出单元通过计算确定钢轨力、中和轨温，以及中和轨温相对于最初铺设时钢轨温度的变化。该装置在试验室内进行了不同荷载与温度下的严格精度试验，还在恶劣的天气条件下进行了现场试验。试验证明，该装置的精度非常高，达到±0.1%。在几个月对钢轨力和中和温度的监测中，该装置的使用效果非常好。

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图1传感单元与读出单元

研究背景

???因胀轨引起的脱轨给铁路行业带来了巨大的经济损失。2006年，共发生50起因胀轨引起的脱轨事故，可记载的损失达1300万美元；2007年，可记载损失为1400万美元，共计发生34起因胀轨引起的脱轨事故。

???利用标准[1]，可对无缝线路防胀轨安全性进行评估：

???（TM-TN）≤Tall(1)

???其中：TN=中和轨温（无应力温度）

???TM=最高轨温

???Ta;=允许轨温

???利用无缝线路-安全指南[2]（或相应的计算机程序）可确定允许温度。胀轨强度取决于轨道参数，如轨枕横向与纵向阻力、钢轨断面特性、横向几何不规则性等。

???上世纪70年代英国铁路研究院进行的试验结果表明：由于列车的作用、天气昼夜冷热变化、地面沉降等因素的影响，钢轨在扣件内产生移动，造成无缝线路的中和温度相对于最初铺设时的温度值发生变化。因此，对中和轨温进行监测非常重要。通过监测，使无缝线路在运营期间始终满足公式1的要求，防止出现胀轨，保证线路的安全。

研究目的

???项目研究目的如下：

???⑴研制中和轨温监测装置的样机。该装置应成本低、坚固耐用，能承受钢轨的震动，能在低功率条件下正常工作。该装置应设计简单、易操作，可手持操作或安装在车辆上，可自动进行数据采集。

???⑵通过试验室试验，证实该装置的精度。

???⑶在使用伸张器重新设定应力时，通过设定理想的中和轨温，掌握装置的使用方法；对因运输及昼夜温度变化造成的中和轨温的变化进行监测。

设计方案

传感单元

???传感单元的电器元件如图1a所示。传感单元的硬件设计与轨腰连接。完成信号调节的电器构件、传感信号从模拟到数字的转换、微处理器，以及软件等，所有这些都合理布置在印刷电路板（PCB）上。印刷电路板嵌在传感单元内，免受钢轨震动和环境的影响。传感单元由程序控制，平时处于电池省电状态，按设定的间隔时间（通常为1小时）被激活，采集钢轨应变和温度读数，并将这些数据存储在非易失存储芯片内。该功能及其他电源控制方式将保证电池的使用期超过1年。更换电池非常简单，不需要对传感单元进行校验，也不需要重新设定标准中和轨温。

???传感单元利用应变片确定钢轨中的纵向应变，通过热电偶确定钢轨温度。传感系统有一个车载时钟，应变片及连线与传感单元整体连接。将应变片焊接在轨腰上后，利用内置强力磁铁，不到1分钟，就可将传感单元连接在钢轨上，不需要在钢轨上打孔，也不需要任何粘接。

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图2?读出单元获取传感单元数据

读出单元

???读出单元的电器元件如图1b所示。该单元可要求传感单元提供记录的应变及温度数据及瞬时读数。读出单元包括一个工业、科学及医用（ISM）带宽发送器和GPS接收器，用于准确定位和定时。用户接口可以是超小型计算机（如ASUS生产的EeePC），或标准的笔记本电脑，采用WindowsXP平台。

???读出单元还提供一个有USB接口的转发器，用于与传感系统之间的通信。传感系统使用的是基于用户的通信技术，与蓝牙无线技术相似。传感单元还使用跳频，建立与读出单元的通信。它符合美国联邦通信委员会的要求。读出单元是专为轨道维护人员设计的，供轨道检查和巡道使用，操作简单方便，几乎不需培训。读出单元一般情况下，可在最远200英尺的范围内读取传感数据；它可安装在铁路线路旁公路上行驶的车辆上，或在公路/铁路两用车上使用，也可安装在移动的列车上从传感单元中读取数据。手持读出单元的优点是，它可由轨道维护人员操