CN102721501B - 测量铁路钢轨断裂纵向力分布的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明测量铁路钢轨断裂纵向力分布的实验方法涉及铁路安全检测技术领域，特别涉及一种铁路钢轨断裂纵向力分布规律测量的实验方法。该方法采用对钢轨预加应力再释放来模拟钢轨断裂时的状态变化，并通过测力传感器组测量钢轨预应力释放前后的钢轨纵向力分布，获得钢轨断裂纵向力分布规律；首先在一定长度轨道的长钢轨上安装测力传感器组，然后将长钢轨的扣件完全松开，并利用钢轨拉伸机对长钢轨施加一定的预应力，再将长钢轨的扣件锁定，最后释放预应力，通过传感节点组和测力传感器组采集钢轨应力数据，用无线网关将该数据发送到计算机，获得钢轨断裂后纵向力分布规律。该方法可以实现准确、可控、低成本的钢轨断裂纵向力分布的实验。

Description

测量铁路钢轨断裂纵向力分布的实验方法

技术领域

本发明涉及铁路安全检测技术领域，特别涉及一种铁路钢轨断裂纵向力分布规律测量的实验方法。

背景技术

铁路是我国陆上运输的主要方式，它具有运行平稳、运送量大、能源消耗低、环境污染轻的优势。钢轨是铁路结构的重要部件，其可靠性是保证铁路运行安全的关键。尤其是发展迅速的高速铁路均为无缝线路，这种线路的钢轨不能自由伸缩，随着轨温的变化，钢轨内部将产生巨大的纵向温度力，这种巨大的温度力可能引起钢轨焊缝、过渡段等薄弱点发生断裂，威胁行车安全。

应力法是检测钢轨断裂的重要手段，它是利用安装在钢轨上的传感器来测量钢轨的纵向力变化，并对其进行比较分析来判断是否出现断轨，实现钢轨的状态监测和故障报警。该方法的核心是通过分析钢轨纵向力的变化来检测是否发生断轨，因此研究钢轨断裂的纵向力分布规律尤其重要。目前，钢轨断裂的纵向力分布分析主要采用理论计算和建模仿真，理论计算需要对钢轨结构及约束条件进行一系列假设，这与钢轨实际受力情况相差较大；建模仿真虽然充分考虑了轨道结构及钢轨受力状态，但需要准确的实验手段进行验证。所以准确性高、可控性好、适用性强的钢轨断裂纵向力分布分析的实验方法对钢轨断裂的检测具有重要意义。

美国Samavedam等学者在研究钢轨断裂纵向力分布规律时采用低温锯断钢轨的实验方法，首先在约360米长的铁路无缝线路直线段的钢轨上按规律安装应变片，然后当温度最高时将钢轨锁定，等到温度最低时将钢轨锯断，通过研究钢轨各点锯断前后纵向应变的变化，分析钢轨断裂的纵向力分布规律。这种方法是在温度最高时锁定钢轨，在温度最低时锯断钢轨，以保证锯断前钢轨内部存在较大的纵向温度力，这种实验方法不仅受到时间的限制，同时也受自然温差的局限，钢轨内部存在温度力的大小难以掌控，再而，重复实验需要将钢轨反复锯断和焊接，这也增加了实验成本，不利于钢轨断裂纵向力分布规律的研究。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服上述实验方法的缺陷，采用对钢轨预加应力再释放的方法来模拟钢轨断裂时的状态变化，并通过测力传感器组测量钢轨预应力释放前后的钢轨纵向力分布，获得钢轨断裂纵向力分布规律。其中，钢轨预应力利用钢轨拉伸机施加。该方法通过调节钢轨拉伸机对钢轨施加预应力可以准确获得钢轨断裂前的应力值，并能重复进行不同轨温或拉应力下钢轨断裂纵向力分布的模拟实验研究，且该方法不受时间及自然温差的限制，可以缩短实验时间及降低实验成本。

本发明采用的技术方案是：一种铁路钢轨断裂纵向力分布规律测量的实验方法，其特征是：首先在符合铁路标准且具有一定长度轨道的长钢轨1上安装测力传感器组2，然后将长钢轨的扣件组3完全松开，并利用钢轨拉伸机4对长钢轨1施加一定的预应力，再将长钢轨的扣件组3锁定，最后释放预应力，通过传感节点组5和测力传感器组2采集钢轨的应力数据，并经过无线网关6将该数据发送到计算机7，进而获得钢轨断裂后纵向力分布规律，具体步骤如下：

1）安装测力传感器组2、传感节点组5、无线网关6和计算机7

先将符合铁路标准具有一定长度轨道的其中一根钢轨的左、右两个端头8、8′分别固定在左、右两钢筋混凝土水泥台11、11′上，在钢轨适当位置设置一定宽度的断缝9；然后沿着长钢轨1的纵向，选择适当间距，在钢轨的中性轴位置，布置安装测力传感器组2；传感节点组5安装在测力传感器组2中相应传感器两侧适当范围内，以减少导线长度带来的误差；无线网关6安装在传感节点组5周围适当范围内，负责接收传感节点组5通过测力传感器组2采集的数据，并将其发送给计算机7进行数据处理分析；

2）施加钢轨预应力

首先将短钢轨的扣件组10按照标准锁紧扭矩锁定，并将长钢轨的扣件组3完全松开，使其处于零应力状态，同时开始采集长钢轨1上各测点应力数据；然后根据轨温变化幅值换算的拉应力，在断缝9处，利用钢轨拉伸机4对长钢轨1施加拉应力，同时观测长钢轨1上各测点的应力数据，直到测得的应力大小等于预加应力值时，将长钢轨的扣件组3按照标准锁紧扭矩锁定，同时保持钢轨拉伸机4对钢轨预应力的施加状态；

3）获取钢轨断裂纵向力数据

首先开始采集长钢轨1上各测点应力数据；然后将钢轨拉伸机4停止拉伸，释放钢轨拉伸机4对长钢轨1施加的预应力；待预应力释放结束且钢轨状态稳定后，记录预应力释放后长钢轨1上各测点的应力数据，获得在一定轨温变化幅值下钢轨断裂的纵向力分布值。

本发明的显著效果是：利用钢轨拉伸机对钢轨预加应力再释放的方法，可以准确控制钢轨断裂前的应力值，实现不同轨温变化幅值或拉应力下钢轨断裂纵向力分布的反复精确实验研究，这种方法不受时间及自然温差的限制，可以缩短实验时间及降低实验成本。该方法可以实现准确、可控、低成本的钢轨断裂纵向力分布的实验。

附图说明

图1为铁路钢轨断裂纵向力分布实验装置系统示意图，其中：1-长钢轨，2-测力传感器组，2-1、2-2、……、2-n-测力传感器，3-长钢轨的扣件组，3-1、3-2、……、3-m-长钢轨的扣件，4-钢轨拉伸机，5-传感节点组，5-1、5-2、……、5-n-传感节点，6-无线网关，7-计算机，8-钢轨左端头，8′-钢轨右端头，9-断缝，10-短钢轨的扣件组，10-1、10-2、……、10-p-短钢轨的扣件，11-左钢筋混凝土水泥台，11′-右钢筋混凝土水泥台，12-直流电源，13-钢轨拉伸机换向阀；

图2为轨温变化幅值为-21.3℃时的钢轨断裂纵向力分布曲线，1-钢轨断裂前纵向力曲线，2-钢轨断裂后纵向力曲线，横坐标-测点与断缝处的距离，其单位为m，纵坐标-钢轨纵向力，其单位为KN。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明利用钢轨拉伸机对钢轨预加应力，通过安装在钢轨上的测力传感器组可以准确控制预加应力大小，且根据胡克定律及固体热膨胀应变和温度的关系，可换算得到相应的轨温变化幅值；在释放预应力后，通过测力传感器组可以测得在一定的轨温变化幅值或拉应力下钢轨断裂纵向力分布值。

本次实例是以轨温变化幅值为-21.3℃时，钢轨断裂的纵向力分布实验为例，具体实验方法步骤如下：

1)安装测力传感器组2及传感节点组5、无线网关6、计算机7

实验装置系统如图1所示，取一段采用CRTSⅠ型板式无碴轨道结构，且利用钢筋混凝土水泥台11、11′固定两钢轨端头8、8′的轨道，该轨道长度为22m，其钢轨类型为60kg/m；钢轨拉伸机4用以对长钢轨1施加及释放预应力；测力传感器组2与传感节点组5、无线网关6、计算机7用以测量并记录钢轨各测点处应变数据，其中测力传感器组2采用温度自补偿应变片，传感节点组5采用无线应变传感器节点。首先在轨道的两条钢轨中任意选择其中一条，并在距离它的左钢轨端头8约2m处设置宽度为30mm的断缝9；然后沿着长钢轨1的纵向，分别在长钢轨1上，距离断缝9处0.6m、2.5m、4.4m、……、13.2m、15.1m的钢轨中性轴处安装测力传感器，测力传感器的导线长度为300mm；在测力传感器组2中各传感器右侧50mm处分别安装一个传感节点，桥路接线方式采用1/4桥，同时将传感节点组5接入直流电源12；无线网关6安装在距离传感节点组周围大约100m处，负责接收传感节点组5通过测力传感器组2采集的应变数据，并将其发送给计算机7进行数据处理分析；

2)施加钢轨预应力

钢轨热膨胀时应变和温度的关系为：

$\mathrm{\ϵ}=\mathrm{\α}\·\mathrm{\Δt}---\left(1\right)$

其中，ε为钢轨的应变；Δt为轨温变化幅值；α为钢轨的线膨胀系数，其值为11.8×10^-6/℃。

钢轨预加应力为：

${\mathrm{\σ}}_t=E\·\mathrm{\ϵ}---\left(2\right)$

其中，σ_t为钢轨预加应力；E为钢轨弹性模量，其值为2.1×10⁵MPa。

钢轨纵向温度力为：

$F_t={\mathrm{\σ}}_t\·A---\left(3\right)$

其中，F_t为钢轨纵向温度力；A为钢轨断面积，其值为77.45cm²。

当轨温变化幅值为-21.3℃时，根据公式（1）可知，钢轨应变ε为251.3με；根据公式（2）可知，钢轨预加应力σ_t为52.8MPa；根据公式（3）可知，钢轨纵向温度力F_t为408.8KN。

钢轨预应力的施加步骤如下：首先在钢轨断缝9处安装液压钢轨拉伸机4，其最大牵引力为900KN，并将短钢轨的扣件组10按照标准锁紧扭矩锁定，该扭矩大小为120N·m；然后将长钢轨的扣件组3完全松开，使其处于零应力状态，同时开始采集长钢轨1上各测点应变数据并对其进行清零；扳动钢轨拉伸机4的换向阀13至拉伸档位，对长钢轨1进行拉伸，直到距离断缝9最近的测点处的应变ε约为251.3με并稳定后，扳动换向阀13至保压档位，保持长钢轨1上所施加拉应力大小，并记录长钢轨1上各测点的应变数据；最后将长钢轨的扣件组3按照标准锁紧扭矩锁定，该扭矩大小为120N·m，同时保持钢轨拉伸机4对钢轨预应力的施加状态，此时，钢轨的预加应力为52.8MPa，钢轨的纵向温度力为408.8KN；

3)获取钢轨断裂纵向力数据

扳动换向阀13至卸荷档位，释放钢轨拉伸机4对长钢轨1施加的预应力；待预应力释放结束且钢轨状态稳定3-5分钟后，记录预应力释放后长钢轨1上各测点的应变数据；根据公式（2）和（3），由预应力释放前后各测点的应变数据，可以计算出当轨温变化幅值为-21.3℃时，钢轨断裂前、后各测点的应力值，即获得钢轨断裂的纵向力分布值，如图2所示。

本发明提出一种铁路钢轨断裂纵向力分布实验方法，采用对钢轨预加应力再释放的方法进行钢轨断裂纵向力分布的实验研究，可以准确控制钢轨断裂前的应力值，实现在不同轨温变化幅值或拉应力下钢轨断裂纵向力分布准确获取及反复实验研究，这种方法不受时间及自然温差的限制，可以缩短实验时间及降低实验成本。

Claims (1)

1.一种测量铁路钢轨断裂纵向力分布的实验方法，其特征是：采用对钢轨预加应力再释放的方法来模拟钢轨断裂时的状态变化，并通过测力传感器组测量钢轨预应力释放前后的钢轨纵向力分布，获得钢轨断裂纵向力分布规律；首先在符合铁路标准且具有一定长度轨道的长钢轨（1）上安装测力传感器组（2），然后将长钢轨的扣件组（3）完全松开，并利用钢轨拉伸机（4）对长钢轨（1）施加一定的预应力，再将长钢轨的扣件组（3）锁定，最后释放预应力，通过传感节点组（5）和测力传感器组（2）采集钢轨的应力数据，并经过无线网关（6）将该数据发送到计算机（7），进而获得钢轨断裂后纵向力分布规律，具体步骤如下：

1）安装测力传感器组（2）、传感节点组（5）、无线网关（6）和计算机（7）

先将符合铁路标准具有一定长度轨道的其中一根钢轨的左、右两个端头（8、8′）分别固定在左、右两钢筋混凝土水泥台（11、11′）上，在钢轨适当位置设置一定宽度的断缝（9）；然后沿着长钢轨（1）的纵向，选择适当间距，在钢轨的中性轴位置，布置安装测力传感器组（2）；传感节点组（5）安装在测力传感器组（2）中相应传感器两侧适当范围内，以减少导线长度带来的误差；无线网关（6）安装在传感节点组（5）周围适当范围内，负责接收传感节点组（5）通过测力传感器组（2）采集的数据，并将其发送给计算机（7）进行数据处理分析；

2）施加钢轨预应力

首先将短钢轨的扣件组（10）按照标准锁紧扭矩锁定，并将长钢轨的扣件组（3）完全松开，使其处于零应力状态，同时开始采集长钢轨（1）上各测点应力数据；然后根据轨温变化幅值换算的拉应力，在断缝（9）处，利用钢轨拉伸机（4）对长钢轨（1）施加拉应力，同时观测长钢轨（1）上各测点的应力数据，直到测得的应力大小等于预应力值时，将长钢轨的扣件组（3）按照标准锁紧扭矩锁定，同时保持钢轨拉伸机（4）对钢轨预应力的施加状态；

3）获取钢轨断裂纵向力数据

首先开始采集长钢轨（1）上各测点应力数据；然后将钢轨拉伸机（4）停止拉伸，释放钢轨拉伸机（4）对长钢轨（1）施加的预应力；待预应力释放结束且钢轨状态稳定后，记录预应力释放后长钢轨（1）上各测点的应力数据，获得在一定轨温变化幅值下钢轨断裂的纵向力分布值。

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