道岔健康状态综合评估方法

道岔结构复杂，性能要求高，技术难度大，是轨道结构中的薄弱环节。截至2021年底，我国铁路共有道岔约22.5万组，道岔养护维修工作量约占工务总维修量的40% ~ 50%。加强对道岔全寿命周期的设备监控和科学运维，对确保运输安全、节支降耗具有重要的现实意义。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

国内外很多专家学者对道岔的状态评估与维修决策进行了研究，但仅限于道岔某单一项点或电务系统，而道岔是一个复杂的系统，单一项点无法完整地评估整组道岔的状态。目前道岔大修尚未建立状态评估技术体系，大修仍以周期修为主。每条线路运营条件不同，维修方式存在一定差异，采用周期修方式必然会存在一定的超前或滞后，影响维修效率和设备安全。同时，线路设备状态评估和维修管理未从设计、生产、运输、铺设、使用、维修保养、下道处置的全寿命周期考虑，各环节关联性不强，较少从全寿命周期去考虑轨道结构设计及后期维护方法，很难达到全寿命周期内的成本最低和性价比最高。中国国家铁路集团有限公司在增运增收、节支降耗等方面出台了一系列措施，迫切需要建立基于状态修的养护维修模式，建立基于全寿命周期管理的道岔状态评估技术体系，提高设备质量，提升养护维修效率及效益。因此，本文提出一种整组道岔健康状态评估方法。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

1 评估项点

道岔在使用一段时间后，由于结构变形、轨件磨耗、扣件松弛、轨下基础失稳等因素，道岔的轨距、水平、高低、方向、支距、各部件间隔、轨件密贴等静态几何尺寸会发生变化，道岔轨件会随运量增大而产生磨耗和伤损，道岔扣件、连接件会产生损坏和性能下降。因此，整组道岔的评估是基于多源数据的综合评估。

根据道岔的结构特征和使用特性，整组道岔状态评估从道岔静态几何尺寸、动态平顺性、轨件磨耗、轨件伤损、扣件性能、尖轨降低值、工电接口、岔枕状态、道床状态这9个当前状态项点进行综合评估；同时，考虑道岔轨件（尖轨/基本轨、辙叉、导轨、岔枕）更换、道床捣固等养护维修历史对整组评估的影响。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2 当前状态项点评分方法

道岔当前状态项点的分值计算方法以TG/GW 102—2019《普速铁路设备修理规则》为依据，对于尚没有标准参考的项点，结合现场调研及专家研讨制定相应标准。所有项点均采用扣分制，即单项点满分均为100分，每出现一条扣分条目即减扣相应分数，扣到0分即止，最后得到的分值即为该项点的最终分值。

2.1　静态几何尺寸

该项点反映道岔结构几何尺寸状态，评估时直接采用最近一次静态几何尺寸的检查数据，将静态几何尺寸扣分汇总填入。按TG/GW 102—2019中不同速度等级的线路轨道静态几何不平顺容许偏差管理值进行评分，超过经常保养等级限值扣4分，超过临时补修及以上等级限值扣41分。具体评分规则见表1。

表1 静态几何尺寸评分规则

2.2　动态平顺性

该项点反映道岔区动态平顺性，采用最近一次动检车垂向加速度、横向加速度、三角坑、几何不平顺等数据。检查项目包括轨距、水平、三角坑、高低、轨向、复合不平顺、垂向加速度、横向加速度、轨距变化率。按TG/GW 102—2019中不同速度等级的线路轨道动态质量容许偏差管理值进行评分，实测偏差超过Ⅰ级偏差管理值不扣分，超过Ⅱ级偏差管理值每处扣4分，超过Ⅲ级及以上偏差管理值每处扣41分。

2.3　轨件磨耗

该项点反映轨件的磨耗状态。测量各部位的侧面磨耗和垂直磨耗，填入轨件磨耗评分表（图1），按TG/GW 102—2019不同速度等级的线路所用道岔轨件磨耗情况进行评估。断面磨耗实测值超过轻伤标准时，每根轨件扣4分；超出重伤限值时，每根轨件扣41分。

图1 轨件磨耗评分表

注： “—”表示不检查该项目。

2.4　轨件伤损

该项点反映道岔轨件的伤损状态，伤损项目包括钢轨头部磨耗、轨端或轨顶面剥落掉块、钢轨顶面擦伤、钢轨低头、波浪形磨耗、钢轨表面裂纹、钢轨内部裂纹、钢轨变形和钢轨锈蚀。观察、测量道岔轨件伤损情况并记录，按TG/GW 102—2019不同速度等级线路所用钢轨伤损严重程度进行判定，每处轻伤扣4分，每处重伤扣41分。

2.5　扣件性能

该项点反映道岔扣件系统的状态。目视检查扣件系统宏观损坏及功能失效情况，填入扣件系统损坏及失效评分表（图2）并核算扣分。该评估方法适用于普速铁路所有速度等级。

图2 扣件系统损坏及失效评分表

2.6　尖轨降低值

道岔尖轨降低值反映尖轨相对于基本轨的高差，降低值过大会导致列车通过道岔时晃车，影响列车平稳和安全。在制定普速铁路道岔轨件磨耗限值标准（已纳入TG/GW 102A—2022《普速铁路线路修理规则补充规定》）时，对大量普速铁路道岔已下道和即将下道的轨件进行了测量，并对全路在用的16万组道岔轨件磨耗进行统计，明确了降低值轻伤标准为2 mm，重伤标准为5 mm。采用降低值仪或轮廓仪检测尖轨各部位的降低值，并填入普速道岔尖轨降低值评分表（图3）。超过标准值2 mm扣16分，超过标准值5 mm扣41分，直尖轨、曲尖轨分别计算，单个轨件多断面超标按最严重的一处扣分。该评估方法适用于普速铁路所有速度等级。

图3 普速道岔尖轨降低值评分表

2.7　工电接口

该项点反映道岔区工电结合部的性能。道岔区工电接口评估主要从密贴间隙、搬动力、零配件有无失效等情况综合评估，具体评分规则见表2。

表2 道岔区工电结合评分规则

2.8　岔枕状态

该项点反映了道岔区岔枕的性能。岔枕状态评估主要从纵向裂纹、岔枕空吊率、岔枕失效等方面进行评估。具体评分规则见表3。该评估方法适用于普速铁路所有速度等级。

表3 道岔区岔枕损坏及失效评分规则

2.9　道床状态

该项点采用道床动态模量和道床支承均匀性指数两个参数进行评估。道床动态模量Be是评价轨下道床支承状态的关键指标，可反映道床的密实程度及弹性，并可进行轨枕空吊的判定。Be较小说明道床支承不良，可能存在轨枕空吊、基底软弱等问题；Be较大说明道床可能存在局部板结；Be在合适范围内说明道床弹性良好。区段内Be平均值代表该区段轨下基础整体支承情况。道床支承均匀性指数Bsd是从统计学角度评价区段内轨枕相对支承情况的指数，Bsd较大说明轨枕左右侧道床存在支承偏差的情况，对应线路暗坑、三角坑等情况严重。

这两个参数采用中国铁道科学研究院集团有限公司的碎石道床频响智能测试仪（Ballast Bed Dynamic Model，BDM）进行逐枕测定。道岔区道床综合状态指数B的计算式为

B = 0.7B_e+ 0.3B_sd                        (1)

道岔区道床状态评分规则见表4。该评估方法适用于普速铁路所有速度等级。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

表4 道床状态评分规则

3 整组道岔状态评估方法

整组道岔状态采用道岔状态健康指数来综合评估。在计算道岔状态指数前，先要分别统计各当前状态项点的分值，填入综合评分表，见表5。

表5 道岔当前状态项点综合评分表

道岔综合状态评估指数由两部分组成：第一部分为各当前状态项点分值的加权平均，表征道岔当前状态优劣程度；第二部分为道岔轨件及零配件维修、更换的分值减扣，表征道岔全寿命周期中轨件及零配件更换对道岔状态的影响。

为了确定道岔各当前状态项点的权重系数，经专家咨询、现场调研后采用层级分析法，将9个项点按重要性分三个层级。第一层级为日常检测项点，包括静态几何尺寸、动态平顺性、扣件性能、工电接口、道床状态，这些项点出现故障后可通过现场维修快速恢复，权重系数为基础系数WR；第二层级为轨件项点中出现伤损后无法修复，缓慢积累达到下道标准后需要更换的项点，包括轨件磨耗、轨件伤损、尖轨降低值，权重系数为2W_R；第三层级为使用周期较长，平时少有问题，但一旦出现问题必须整组大修更换的项点，包括岔枕状态，权重系数为3W_R。

道岔轨件不能无限制更换，每次更换均要扣分。因此，轨件及零配件更换造成的维修减扣项点是从统计学的角度进行评分定义的。具体评分规则见表6。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

表6 维修减扣项点评分规则

道岔健康评估指数THI计算式为

$$THI=W_{BGD}R_{BGD}+W_{RDI}R_{RDI}+W_{RRW}R_{RRW}+W_{RRD}R_{RRD}\\+W_{RFP}R_{RFP}+W_{RTP}R_{RTP}+W_{RPM}R_{RPM}+W_{RTS}R_{RTS}+\\W_{RBB}R_{RBB}/W_{BGD}+W_{RDI}+W_{RRW}+W_{RRD}+W_{RFP}+W_{RTP}\\+W_{RPM}+W_{RTS}+W_{RBB}-\sum_{i=1}^{J}V_iN_i$$󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

式中：W、R分别为道岔各当前状态项点的权重系数和分值，下标含义参见表5；Vi、Ni分别为各维修减扣项点的单次分值和发生次数；J为维修减扣项点数量。

4 现场验证

为了验证本文提出的整组道岔状态评估方法的正确性与合理性，在北京局三家店车站选择了岔位为5#、33#、35#的3组道岔进行现场测试、评估。5#道岔运量较小，2020年通过总质量为0.2 Mt。33#和35#道岔位于丰沙铁路（丰台—沙城），其中33#道岔铺设于到发线，2020年通过总质量为65.2 Mt；35#道岔铺设于正线，2020年通过总质量为100.4 Mt。3组道岔均已完成了木枕更换混凝土岔枕的改造。被测道岔基本情况见表7。

表7 被测道岔基本情况

现场对3组道岔的9个当前状态项点和维修减扣项点进行评分，结果见表8。可知，按道岔状态健康指数计算得到的道岔状态与现场技术人员人工测评的结果完全一致。因此，按本文方法得到的道岔健康状态可作为道岔养护维修的技术指导。

表8 道岔健康状态评分表

5 养护维修策略

通过计算道岔THI，全面评价道岔综合状态，可使道岔大修由周期修迈向状态修。将道岔大修周期根据道岔THI大小进行分类。THI ≥ 85时，整组道岔状态优秀，保持日常的养护维修频次。70 ≤ THI < 85时，整组道岔状态良好，对各平顺性及结构状态项点的扣分项进行重点关注，扣分严重的要进行维修、更换。60 ≤ THI < 70时，整组状态一般，对扣分项进行重点关注，扣分严重的要进行维修、更换；同时需增加日常养护的频次，频次为日常养护的2倍。THI < 60时，先查找单项评分低于60分的项点进行单项整治，对存在问题的项点进行重点维修、更换。单项整治合格后再次进行整组测评。若经3次整治后THI仍小于60，则建议对整组道岔进行更换。更换时查看岔枕的状态，岔枕评分一般或不及格时建议带枕更换，岔枕评分良好及以上时可单独更换道岔。

6 结语

本文针对道岔大修提出了一种基于道岔状态评估的计算方法，该方法由两部分组成。第一部分为道岔的当前状态评分值，通过对道岔的静态几何尺寸、动态不平顺、轨件磨耗、轨件伤损、扣件性能、尖轨降低值、工电接口、岔枕状态、道床状态等9个项点分值的加权平均；第二部分为道岔全寿命周期轨件及零配件更换对道岔状态的影响，通过统计道岔铺设以来轨件、岔枕、道床等更换的次数相应减扣。

该评估方法计算得到的整组道岔状态分值分为优秀、良好、一般、失格四个等级，并对每个等级给出了养护维修建议。在北京局三家店车站选取3组道岔进行现场验证，经计算分析并与现场技术人员沟通交流，该方法计算的道岔状态分值与现场高度吻合，可作为道岔大修的评估方法进行推广试用。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

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原文名称：道岔健康状态综合评估方法󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

作者信息：杨亮（中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所， 北京 100081）󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

期刊信息：铁道建筑  2023年2月󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮