IN2ZONE:推动欧盟向下一代铁路过渡区迈进

在欧洲，建设一条铁路线的平均成本在每公里1300万到4000万欧元之间，由于持续的维护，建设后的成本很高基础设施．这是因为，在某些情况下，由于交通拥挤、高速、施工质量差和地基差，以及其他在施工和/或运营数年后需要进一步注意的因素，可能需要进行大量的基础设施维护。轨道维护费用的一个主要来源是过渡地区;轨道支撑结构有较大变化的位置。通常，它们位于工程结构附近，如桥梁、涵洞和隧道，因为这里需要高水平的维护，以保持所需的轨道几何形状，以确保乘客的舒适度，并避免速度限制。据Sasaoka和Davis说¹在美国，每年用于美国铁路道口维护的费用为2亿美元，而欧洲的类似维护费用预计为8,500万欧元。

因此，过渡地区是显著减少直接和间接维护成本的大好机会，例如列车延误和线路中断造成的运力损失。过渡区域应允许列车平稳运行，并尽量减少轨道支撑层刚度变化的影响。当列车从路堤向刚性结构(如桥梁、隧道或涵洞和隧道)移动时，支撑刚度会发生突变，这将增加车轮的动态载荷，并导致轨道应力的高度增加。

为了解决这些长期存在的过渡区问题，Shift2Rail欧洲R&I项目应运而生IN2ZONE一直致力于设计和测试下一代过渡区解决方案的原型，该方案提供了轨道支持条件的阶梯式变化，并导致维护干预的大幅减少。为了实现这一目标，将设计新的自调平枕木，由合成材料制成，具有优化的几何形状和过渡区刚度。这将使过渡区解决方案能够自我纠正微小的轨道几何不规则或故障，这意味着更少和更少的维护活动。这些新型枕木将是整体设计的一部分，该设计还考虑了新型镇流器稳定、土壤改善和弹性元素，以优化过渡期间的刚度变化。一个先进的基于弹性的过渡带监测规范也将被设计出来，它结合了轨道，车辆和卫星传感器。新的解决方案将结合最新的现有过渡解决方案与其他领域的技术进步，包括材料科学的最新进展。

图1:IN2ZONE整体下一代过渡区解决方案的愿景。

IN2ZONE项目将使用比目前最先进的40年的时间框架作为基线。新设计将利用离散和有限元数值模拟工具的最新进展以及计算流体动力学进行优化。过渡区概念将在受控实验室环境中建立和测试。为了增加价值，用于铁路系统特征的危险识别(HAZID)(风险分析)、全寿命周期成本(LCC)和可靠性、可用性、可维护性和安全性(RAMS)也将作为项目的一部分进行调查。元素包括:

• 为下一代过渡领域制定技术规范，不局限于当前的实践，同时保留关键的铁路功能。该规范的制定将不仅关注其他部门的技术进步，还将考虑现有的最新过渡解决方案
• 新的方法将被发现，通过保持轨枕基座和镇流器之间的连续接触，即使出现更高的镇流器沉降，以及从天然路基到钢轨头的整体系统的均匀和最佳刚度，也可以实现性能的阶级性变化
• 为下一代过渡区设计模块化架构。这将使安装、维护和退役变得容易，特别是在升级现有的过渡区时
• 为过渡区域开发一种自校正设计。它将能够自我纠正微小的垂直轨道几何误差。研究每个主要过渡区组件的新材料，并整体优化其性能以最大化性能。研究的新材料将减少维护和环境影响，同时确保系统对气候变化的弹性
• 为系统生命周期的所有阶段制定危险识别和缓解的通用安全方法。这包括使用新材料，优化设计的可靠性，制造技术，安装方法，维护要求和退役
• 开发先进的数值模拟工具，以支持验证最终过渡区设计的一系列应用。这包括离散元素(即颗粒级)建模，以理解各种过渡类型的行为，如开关和交叉地下通道和轨道变化
• 为过渡区制定基于弹性的监测规范。这将允许所选的解决方案完全自我检查。结合先进的设计，它将是相对免维护，但如果需要维护，它将是及时的
• 通过全尺寸实验室测试验证新的过渡区解决方案
• 开发过渡解决方案的LCC和RAMS性能模型，并进行全面的成本效益分析。这将包括考虑由于过渡区内列车速度提高而增加的铁路基础设施能力所产生的影响。

主要技术成果及未来工作

一段采用新型自调平轨枕设计的轨道正在建造中，并在一个大型加速测试设施中进行测试。这种方法允许观察者在短短几天内模拟火车装载数年的效果。试验的目的是评估压实子结构上的压实轨道段的短期和长期性能。试验箱宽0.93m，长3.8m，深0.685m;它由厚的复合底座支撑。试验台采用液压执行器，分别能够在15Hz的加载频率下加载150kN，静态加载200kN。

图2:传感器在设施横截面上的位置。

镇流器下的压力单元、轨枕和轨枕上的位移传感器、镇流器和轨枕上的加速度计也将在设计中定位。基于弹性地基法的梁，在计算了中间轨枕的荷载后，进行了17吨轴载荷的静态和循环加载。

在本项目的框架内，将开发一个健全的监测系统，明确地设计用于在现有铁路车上和路边监测系统的基础上服务过渡区监测的特殊功能。鉴于铁路现场应用中需要高可靠性和高可用性的恶劣环境条件，重点将放在它上面。该系统将由各种传感器模块组成，安装在不同的轨道位置(即轨道线、轨枕、镇流器等)。

由于过渡区建设所用的结构和材料各不相同，监测系统应提供灵活的、模块化的和可扩展的方法，以满足不同的物理、时间和应用方面和要求。作为一种通用方法，监测系统将融合来自多个传感器的测量数据，通过现场通信设备(边缘计算)收集和聚合数据，并在数字孪生框架中应用不同的云级处理和评估。

参考

1.在AREMA 2005年会议上介绍为重轴重服务实施轨道过渡解决方案