CN101660958B - 无缝线路钢轨纵向力测量方法 - Google Patents

Abstract

一种无缝线路钢轨纵向力测量方法，属于铁道工程技术领域，步骤为：选择待测无缝线路区段，松开一侧若干根轨枕上的钢轨扣件螺栓，并用限位器固定其相邻两端的钢轨；反力架固定在松开扣件螺栓的钢轨的另一侧的钢轨扣件螺栓上，千斤顶安装在反力架上，顶在松开扣件螺栓的钢轨上，同时在千斤顶上安装位移传感器和压力传感器；用千斤顶逐渐加载横向力，同时测量加载点的位移，重复，取算术平均值作为最终的位移值y_test；根据施加的横向力对应的挠度临界值y_crit，计算出纵向力N；本发明原理简单、测量精确，是铁路工务部门判断无缝线路稳定性、确定锁定轨温的实用有效方法，本发明能为我国铁路线路状态评定、线路的养护与维修提供重要的技术支持。

Description

无缝线路钢轨纵向力测量方法

技术领域

本发明属于铁道工程技术领域。

背景技术

无缝线路钢轨的受力情况比较复杂，除受列车动荷载、制动力的作用外，在轨温变化幅度较大时，钢轨会受到巨大的温度力作用，桥上无缝线路还要受到桥梁的伸缩和挠曲变形引起的伸缩力和挠曲力的作用，在这些力的作用下，钢轨在薄弱地段会产生瞬间变形，甚至引起胀轨跑道或断轨，严重影响列车运行的安全。因此，及时准确的测量无缝线路钢轨内的纵向力，保证无缝线路的稳定和行车的安全，一直是铁路工务部门的重要工作。

为了能准确地测量无缝线路的纵向力，近年来国外学者一直在从事这方面的研究。人们根据不同应力下钢材的变形规律、磁导率变化规律、振动特性规律等，试图研究一种直接测量钢轨温度内力的方法，如形变仪法、观测桩法、测标法、位移法、X射线法、超声波法、磁弹性法、磁噪声法等等。这些方法在理论上都有一定的依据，但在实际工作中，由于受测量时间、测试工艺的影响，这些研究成果一直没有达到普及实用的程度。如形变仪法由于仪器和测点的接触无法准确定位等原因，实际测量精度较低；观测桩法虽然目前还广泛应用，但它依赖原锁定轨温的准确与稳定，且这种方法并不能给出实际的锁定轨温；而X射线法、超声波法、磁弹性法和磁噪声法等多受钢轨局部的微观结构、残余应力和表面状况等因素的影响，因此在实际应用中并不理想。

本发明通过建立无缝线路轨道模型来分析钢轨内纵向力变化时横向力作用及相应横向位移的变化规律，最终通过对钢轨横向位移的测量实现对钢轨纵向力的精确测试。

发明内容

首先建立无缝线路轨道的受力模型，解平衡微分方程，从而找到测点横向位移ytest与纵向力N的关系，对钢轨施加横向力，通过对钢轨横向位移的测量实现对钢轨纵向力的精确测试。

(一)考虑钢轨中有纵向压力的情况

钢轨受纵向压力和横向力作用计算模型见图1，对AC段0≤x≤l/2，列钢轨挠曲微分方程：

$\mathrm{EI}\frac{d^{2}y}{d{x}^2}=-\frac{W}{2}x-\mathrm{Ny}---\left(1\right)$

令 $k^2=\frac{N}{\mathrm{EI}}---\left(2\right)$

其中，E为钢轨弹性模量，I为惯性矩。

解上述微分方程，并考虑边界条件，得：

$y=\frac{W}{2\mathrm{EI}{k}^3}[\frac{\sin \mathrm{kx}}{\cos (\mathrm{kl}/2)}-\mathrm{kx}]---\left(3\right)$

当x＝l/2时，

$y_{\max }=\frac{W}{2\mathrm{EI}{k}^3}\left[\mathrm{tg}\right]\left(\frac{\mathrm{kl}}{2}\right)-\frac{\mathrm{kl}}{2}]---\left(4\right)$

其中，l为钢轨计算长度。

(二)考虑钢轨中有纵向拉力的情况

钢轨受纵向拉力和横向力作用计算模型见图2，对AC段0≤x≤l/2，列钢轨挠曲微分方程：

$\mathrm{EI}\frac{d^{2}y}{d{x}^2}=-\frac{W}{2}x+\mathrm{Ny}---\left(5\right)$

令 $k^2=\frac{N}{\mathrm{EI}},$

解上述微分方程，并考虑边界条件，得：

$y=\frac{W}{2\mathrm{EI}{k}^3}(\mathrm{kx}-\frac{e^{\mathrm{kx}}-e^{-\mathrm{kx}}}{e^{\mathrm{kl}/2}+e^{-\mathrm{kl}/2}})---\left(6\right)$

当x＝l/2时， $y_{\max }=\frac{W}{2\mathrm{EI}{k}^3}(\frac{\mathrm{kl}}{2}-\frac{1-e^{-\mathrm{kl}}}{1+e^{-\mathrm{kl}}})---\left(7\right)$

其中，y_max为加载点的实测位移。

(三)不计钢轨纵向力的情况

不计纵向力的钢轨挠曲微分方程为：

$\mathrm{EI}\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dx}}^2}=-\frac{W}{2}x---\left(8\right)$

(8)式的解为：

$y=\frac{1}{\mathrm{EI}}(\frac{W{l}^2}{16}x-{\frac{W}{12}x}^3)---\left(9\right)$

当x＝l/2时，

$y_{\mathrm{crit}}=\frac{{\mathrm{Wl}}^3}{48\mathrm{EI}}---\left(10\right)$

其中，y_crit为钢轨挠度临界值。

表1为根据(10)式计算得到的不同横向力作用下钢轨挠度的临界值y_crit(mm)(其中取W＝2kN，W＝4kN，W＝6kN，W＝8kN，W＝10kN，)。图3为横向力W＝10kN，l＝3.6m，p60钢轨分别受拉、压力作用时，不同轨温对应的钢轨最大挠度。从图中可看出，钢轨受拉力时，钢轨挠度均小于临界值；反之，钢轨受压力时，钢轨挠度均大于临界值。

表1  不同横向力作用下钢轨挠度的临界值

本发明是通过以下技术方案实现的。

1、选择待测无缝线路区段，松开一侧若干根轨枕上的钢轨扣件螺栓，并用限位器[4]固定其相邻两端的钢轨；

2、反力架[5]固定在松开扣件螺栓的钢轨的另一侧的钢轨扣件螺栓上，千斤顶[3]安装在反力架[5]上，顶在松开扣件螺栓的钢轨上，同时在千斤顶上安装位移传感器[1]和压力传感器[2]；

3、将千斤顶[3]横向逐渐加力至表1所述的横向力(如W＝2kN、W＝10kN)，同时测量加载点的位移，重复本步骤数次，取算术平均值作为最终的位移值y_test(mm)；

4、根据施加的横向力，查表1，得到对应的挠度临界值y_crit(mm)。

(1)若y_test＞y_crit，表明钢轨受压应力作用，将y_test代入(4)式，解方程得到k；

(2)若y_test≤y_crit，表明钢轨受拉应力作用，将y_test代入(7)式，解方程得到k；

5、将步骤4所得k值代入(2)式，计算出纵向力N。

本发明原理简单、测量精确，是铁路工务部门判断无缝线路稳定性、确定锁定轨温的实用有效方法，本发明能为我国铁路线路状态评定、线路的养护与维修提供重要的技术支持。

附图说明

图1为钢轨受纵向压力和横向力作用计算模型。EI为单根钢轨的抗弯刚度，l为钢轨计算长度，W为作用在钢轨上的横向集中力，N为钢轨中的纵向压力。

图2为钢轨受纵向拉力和横向力作用计算模型。EI为单根钢轨的抗弯刚度，l为钢轨计算长度，W为作用在钢轨上的横向集中力，N为钢轨中的纵向拉力。

图3为不同轨温时钢轨的最大挠度(W＝10kN，l＝3.6m，p60钢轨)。

图4为无缝线路钢轨纵向力测量装置，其中1为位移传感器，2为压力传感器，3为千斤顶，4为限位器，5为反力架。

具体实施方式

本发明将通过以下实施例作进一步说明。

实施例。

在待测无缝线路区段(P60钢轨)，松开一侧5根轨枕上的钢轨扣件螺栓，按图4安装加载设备、测力传感器和位移传感器，在测区两端的轨枕上加装限位器。用千斤顶逐渐加载横向力到W＝10kN，同时测量加载点的位移y_test(mm)。

若5次测量的结果分别为：

y_test1＝1.439mm；y_test2＝1.438mm；y_test3＝1.436mm；y_test4＝1.437mm；y_test5＝1.440mm。其平均值y_test＝1.438mm。

查表1，因为y_test≤y_crit＝9.0046mm，表明钢轨受拉应力作用，将y_test代入

解方程得到：

k＝0.030391848

带入方程

得：

钢轨中的纵向力N＝6.24KN。

Claims (1)

1.一种无缝线路钢轨纵向力测量方法，其特征是，按以下步骤：

(1)选择待测无缝线路区段，松开一侧若干根轨枕上的钢轨扣件螺栓，并用限位器[4]固定其相邻两端的钢轨；

(2)反力架[5]固定在松开扣件螺栓的钢轨的另一侧的钢轨扣件螺栓上，千斤顶[3]安装在反力架[5]上，顶在松开扣件螺栓的钢轨上，同时在千斤顶上安装位移传感器[1]和压力传感器[2]；

(3)将千斤顶[3]横向逐渐加横向力W，同时测量加载点的位移，重复本步骤，取算术平均值作为最终的位移值y_test；

(4)根据施加的横向力对应的挠度临界值y_crit：

(i)若y_test＞y_crit，表明钢轨受压应力作用，将y_test代入下式，解方程得到k；

$y_{\max }=\frac{W}{2\mathrm{EI}{k}^3}[\mathrm{tg}\left(\frac{\mathrm{kl}}{2}\right)-\frac{\mathrm{kl}}{2}]$

(ii)若y_test≤y_crit，表明钢轨受拉应力作用，将y_test代入下式，解方程得到k；

$y_{\max }=\frac{W}{2\mathrm{EI}{k}^3}(\frac{\mathrm{kl}}{2}-\frac{1-e^{-\mathrm{kl}}}{1+e^{-\mathrm{kl}}})$

(5)将步骤(4)所得k值代入下式，计算出纵向力N

$k^2=\frac{N}{\mathrm{EI}}$

其中，E为钢轨的弹性模量，I为惯性矩，l为钢轨的计算长度。

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