CN102877385A - 一种无缝线路钢轨零应力轨温的测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种无缝线路钢轨零应力轨温的测量装置及其测量方法，本发明涉及一种钢轨零应力轨温测量装置及其测量方法。本发明为解决现有无缝线路钢轨零应力轨温测量装置不能在铁路线路正常运行使用情况下实时测量钢轨温度力及其对应的零应力轨温，并且测量方法操作费时、费力、繁琐，具有操作安全风险的问题而提出的。无缝线路钢轨零应力轨温的测量装置由钢轨轨温应力测量装置和手持数据采集终端组成；所述钢轨轨温应力测量装置固定安装在钢轨的轨腰中性轴上；钢轨轨温应力测量装置的无线数据通讯输出输入端与手持数据采集终端的无线数据通讯输出输入端相连，实现测量数据的交换。本发明用于铁路线路正常运行状态下连续测量钢轨零应力轨温。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢轨零应力轨温测量装置及其测量方法。
背景技术
无缝线路由于消除了大部分的钢轨接头，因而具有行车舒适平稳，延长轨道部件的使用寿命，降低维修费用等优点，故而得到了工务部门的广泛应用。随着环境温度的变化和列车反复碾压，无缝线路钢轨内往往存有较大的不均匀的纵向内应力，它也随着温度的变化而变化。如果随着时间和温度的变化发生应力集中超限，将会造成涨轨跑道或断轨事故。同时，轨温升高或降低时会在无缝钢轨引起温度应力，为保证行车安全，必须将钢轨中纵向内应力限制在一定范围内。我们把钢轨纵向内应力为零所对应的温度叫做“零应力轨温”，测量无缝钢轨的零应力轨温对于确定钢轨内部应力状况，确保铁路运输安全是十分必要的。
无缝线路按照基础假设的不同，其静力分析分为两种，即连续点支承梁的计算和连续基础梁的计算。在连续点支承梁的计算法中，把钢轨视为一根支承在许多弹性支点上的无限长梁。弹性支点的沉落值假定与它所受的压力成正比，运用力学理论，任一截面处的钢轨弯矩、压力和挠度都可求得。
目前我国大部分铁路局的无缝钢轨温度力和零应力轨温的测量装置还在使用钢轨位移测量法、超声波测量法、导磁率测量法等方法。现有无缝钢轨温度力和零应力轨温的测量装置的测量方法均是以零应力轨温准确为前提条件，而钢轨的零应力轨温是随着钢轨的碾压不断变化的，并且在钢轨的施工、焊接、放散等过程中很难获得钢轨的均匀的零应力状态，更无法获得准确的零应力轨温。而发明专利ZL02104896.7公布的横向加力测量法虽然克服以上方法的不足，但是测量装置在测量过程存在中断较长行车时间，测量方法操作费力、繁琐，具有操作安全风险，不能在铁路线路正常运行使用情况下实时测量钢轨温度力及其对应的零应力轨温的缺点。
发明内容
本发明是为解决现有无缝线路钢轨零应力轨温测量装置及其测量方法不能在铁路线路正常运行使用情况下实时测量钢轨温度力及其对应的零应力轨温，且测量方法操作费时、费力、繁琐，具有操作安全风险的问题，而提出的一种无缝线路钢轨零应力轨温测量装置及其测量方法。
一种无缝线路钢轨零应力轨温的测量装置，所述测量装置由钢轨轨温应力测量装置1和手持数据采集终端2组成；所述钢轨轨温应力测量装置1固定安装在钢轨3的轨腰中性轴a上；所述钢轨轨温应力测量装置1的无线数据传送输出输入端与手持数据采集终端2的无线数据传送输出输入端相连。
采用无缝线路钢轨零应力轨温的测量装置的测量方法，选用纵横弯曲杆模型计算，以相邻两个扣件为支点，当重量精确的砝码车车轮经过钢轨测量点时，其受到的车轮压力和枕木道床的支撑力是一定的，即钢轨的垂向动荷载是一定的，则可得到钢轨的纵向弯曲变形应力是一定的。当钢轨分别受到纵向零作用力、纵向拉力或纵向压力时，其抗纵向挠曲变形的能力明显不同。当受纵向拉力时，抗纵向挠曲变形的能力提高，当受纵向压力时，抗纵向挠曲变形的能力降低。通过测量在垂向压力一定情况下，钢轨竖向压力和形变的变化量，即可通过力学计算得出钢轨此时所受的纵向温度应力值所述测量装置的测量具体步骤如下：
步骤一：前期通过试验采集车重数据，并运用统计方法对所得数据进行分析，所述分析过程为对所有获取的数据依照数值大小进行排序，剔除排序中最高数值和最低数值，再剔除排序中最高5％范围内的数值和最低5％范围内的数值，即剔除超重和空载车辆，对剩余的数据进行统计分析并生成直方图，对所有剩余的数据取平均值，并以此平均值作为平均车重内部参考值P；
将车辆平均车重内部参考值P和钢轨零应力时刻车辆平均车重内部参考值P作用下纵向应力N0的内部参考值在钢轨轨温应力测量装置1首次使用前配置于钢轨轨温应力测量装置1中；
步骤二：当铁路车辆经过时，测量钢轨向下形变量L1以及钢轨的实时温度T1；根据钢轨变形位移公式：
计算出此时钢轨所受的纵向应力N1；参数δ为跨中挠度，参数L为被测试段钢轨长度，且K2＝N/EI，参数EI为钢轨抗弯刚度；
由钢轨所受的纵向温度力ΔN计算出温度变化值Δt：Δt＝ΔN/αEF，其中ΔN＝N1-N0，N0为同一钢轨零应力时相同车重下所受纵向应力，E为钢轨的弹性模量，α为钢轨的线膨胀系数，F为钢轨横截面积；通过公式：T＝T1+Δt，计算出钢轨内部纵向温度力为ΔN时对应的钢轨零应力轨温T；
步骤三：钢轨轨温应力测量装置1通过无线数据通讯输出端将数据发送到手持数据采集终端2中；
步骤四：手持数据采集终端2存储测量的数据，由工作人员将所有数据通过有线或无线网络上传至服务器，对数据进行处理；
步骤五：根据各个站点服务器中历史数据生成的数据表格和曲线，对历史数据进行统计分析，结合使用其他校准设备定期实测的钢轨零应力轨温数据T对车辆平均车重内部参考值P和零应力下车辆平均车重内部参考值P作用下钢轨的纵向应力N0进行修正。
本发明的优点在于：
1、能够直接的、准确的实现钢轨温度应力的在线监测测量；
2、使用1只带有4个敏感栅的电阻应变片，通过相互电连接形成全电桥并且恒流供电，来测量钢轨竖向弹性变形剪切力，从而提高了灵敏度、减小非线性误差，且具有温度补偿作用。同时基于敏感栅的位置安排，可以有效检测各个切线方向的形变；
3、测量完成后测量数据由操作人员定期读取并存储在手持数据采集终端的数据存储模块16内，数据计算和超限判断由服务器根据上传的数据计算完成，实现了操作简便，测量准确，且可实现在不影响铁路运行的情况下连续测量无缝钢轨零应力轨温，超限自动报警；
4、测量装置为自供电型，安装简便，采用无线通信方式，无外部接线；
5、根据手持数据采集终端上传的测量数据进行存储、管理和进一步分析，并针对不同路段对钢轨数据进行大量的统计，作为报警阈值设置和零应力轨温计算参数修正的依据，进一步提高了测量精度。
附图说明
图1为本发明所述测量装置的结构示意图；
图2为本发明所述测量装置的钢轨轨温应力测量装置的模块结构示意图；
图3为本发明所述测量装置的应变传感模块的结构示意图；
图4为本发明所述测量装置的手持数据采集终端的结构示意图；
图5为本发明所述测量方法在校准时的测量原理分析图；
图6为本发明所述测量方法在进行日常工作时的测量原理分析图；
图7为本发明所述测量方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式。一种无缝线路钢轨零应力轨温的测量装置，所述测量装置由钢轨轨温应力测量装置1和手持数据采集终端2组成；所述钢轨轨温应力测量装置1固定安装在钢轨3的轨腰中性轴a上；所述钢轨轨温应力测量装置1的无线数据传送输出输入端与手持数据采集终端2的无线数据传送输出输入端相连。
具体实施方式二：结合图2具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一不同点在于所述钢轨轨温应力测量装置1包括测温传感模块4、应变传感模块5、数据处理模块6、数据存储模块7、无线数据通讯模块8和供电模块9；所述测温传感模块4的温度传感信号输出端与数据处理模块6的温度传感信号输入端相连；所述应变传感模块5的应变传感信号输出端与数据处理模块6的应变传感信号输入端相连；所述数据存储模块7的存储信号输入输出端与数据处理模块6的存储信号输出输入端相连；所述无线数据通讯模块8的无线通讯数据输入输出端与数据处理模块6的无线通讯数据输出输入端相连；所述供电模块9的供电端与数据处理模块6的受电端相连。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同点在于所述测温传感模块4采用接触式测温传感器，所述接触式测温传感器的温度传感信号输出端即为测温传感模块4的温度传感信号输出端。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图3具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式二不同点在于所述应变传感模块5由应变片10、全桥差动电路和电桥信号调理电路11组成；所述应变片10以粘接方式安装在轨腰中性轴a上，所述应变片10与轨腰中性轴a的夹角为45°；所述全桥差动电路安装在应变片10上；电桥信号调理电路11的差动信号输入端与全桥差动电路的差动信号输出端相连。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式五：结合图3具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式四不同点在于所述全桥差动电路的四个桥臂上均装有规格相同的敏感栅12，位于轨腰中性轴a上方的两个桥臂上的敏感栅12相互垂直，位于轨腰中性轴a下方的两个桥臂上的敏感栅12相互垂直。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图4具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一不同点在于所述手持数据采集终端2包括中央处理器13、显示器14、无线数据通讯模块15、数据存储模块16、USB数据通讯模块17、供电电源18和按键19；所述显示器14的显示信号输入端与中央处理器13的显示信号输出端相连；所述无线数据通讯模块15的无线通讯数据输入输出端与中央处理器13的无线通讯数据输出输入端相连；所述数据存储模块16的存储信号输入输出端与中央处理器13的存储信号输出输入端相连；所述USB数据通讯模块17的通讯数据输出输入端与中央处理器13的通讯数据输入输出端相连；所述供电模块18的供电端与中央处理器13的受电端相连；所述按键19的按键信号输出端与中央处理器13的按键信号输入端相连。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图5、图6和图7具体说明本实施方式。本实施方式采用具体实施方式一所述无缝线路钢轨零应力轨温的测量装置的测量方法，所述测量方法如下步骤实现：
步骤一：前期通过试验采集车重数据，并运用统计方法对所得数据进行分析，所述分析过程为对所有获取的数据依照数值大小进行排序，剔除排序中最高数值和最低数值，再剔除排序中最高5％范围内的数值和最低5％范围内的数值，即剔除超重和空载车辆，对剩余的数据进行统计分析并生成直方图，对所有剩余的数据取平均值，并以此平均值作为平均车重内部参考值P；
将车辆平均车重内部参考值P和钢轨零应力时刻车辆平均车重内部参考值P作用下纵向应力N0的内部参考值在钢轨轨温应力测量装置1首次使用前配置于钢轨轨温应力测量装置1中；
步骤二：当铁路车辆经过时，测量钢轨向下形变量L1以及钢轨的实时温度T1；根据钢轨变形位移公式：
计算出此时钢轨所受的纵向应力N1；参数δ为跨中挠度，参数L为被测试段钢轨长度，且K2＝N/EI，参数EI为钢轨抗弯刚度；
由钢轨所受的纵向温度力ΔN计算出温度变化值Δt：Δt＝ΔN/αEF，其中ΔN＝N1-N0，N0为同一钢轨零应力时相同车重下所受纵向应力，E为钢轨的弹性模量，α为钢轨的线膨胀系数，F为钢轨横截面积；通过公式：T＝T1+Δt，计算出钢轨内部纵向温度力为ΔN时对应的钢轨零应力轨温T；
步骤三：钢轨轨温应力测量装置1通过无线数据通讯输出端将数据发送到手持数据采集终端2中；
步骤四：手持数据采集终端2存储测量的数据，由工作人员将所有数据通过有线或无线网络上传至服务器，对数据进行处理；
步骤五：根据各个站点服务器中历史数据生成的数据表格和曲线，对历史数据进行统计分析，结合使用其他校准设备定期实测的钢轨零应力轨温数据T对车辆平均车重内部参考值P和零应力下车辆平均车重内部参考值P作用下钢轨的纵向应力N0进行修正。对车辆平均车重内部参考值P和零应力下车辆平均车重内部参考值P作用下钢轨的纵向应力N0进行修正具体方法如下：
首先根据新增数据与原有数据的变化，排除大规模更换车辆和运行班次调整，并将新增数据加入历史数据求取滑动平均值(即总平均值)；
由于不同车辆段通过车型及车重分布特点不同，对本装置使用集中的车辆段数据进行单独统计，并形成该车辆段专用的车辆平均车重内部参考值，从而提高测量精度；
最后通过定期使用其他测量装置，如数字应力测量仪等对被测点零应力轨温进行测量，用以车辆平均车重内部参考值P作用下钢轨的纵向应力N0，从而不断提高本装置的测量精度。
本发明的工作原理：
由于我国铁路货运车辆中非标车辆和不满载车辆仅占总车辆数目的3％以下，且货运车辆正常运载情况均为满载配置(个别大件运输除外)，多数满载车辆车重偏差小于3％，因此前期通过试验采集车重数据，并运用统计方法对所得数据进行分析，所述分析过程为对所有获取的数据依照数值大小进行排序，剔除排序中最高数值和最低数值，再剔除排序中最高数值5％范围内的数值和最低数值5％范围内的数值，对剩余的数据进行统计分析并生成直方图，对所有剩余的数据取平均值，并以此平均值作为平均车重内部参考值P；
将车辆平均车重内部参考值P和钢轨零应力时刻车辆平均车重内部参考值P作用下纵向应力N0的内部参考值在钢轨轨温应力测量装置1首次使用前配置于钢轨轨温应力测量装置1中；
当铁路车辆经过时，测量钢轨向下形变量L1以及钢轨的实时温度T1；根据钢轨变形位移公式：
计算出此时钢轨所受的纵向应力N1；参数δ为跨中挠度，参数L为被测试段钢轨长度，且K2＝N/EI，参数EI为钢轨抗弯刚度；
由钢轨所受的纵向温度力ΔN计算出温度变化值Δt：Δt＝ΔN/αEF，其中ΔN＝N1-N0，N0为同一钢轨零应力时相同车重下所受纵向应力，E为钢轨的弹性模量，α为钢轨的线膨胀系数，F为钢轨横截面积；通过公式：T＝T1+Δt，计算出钢轨内部纵向温度力为ΔN时对应的钢轨零应力轨温T；
钢轨轨温应力测量装置1通过无线数据通讯输出端将数据发送到手持数据采集终端2中；
手持数据采集终端2存储测量的数据，由工作人员将所有数据通过有线或无线网络上传至服务器，对数据进行处理；
数据处理原理如下：
由于不同铁路车辆实际车重有所偏差，因此不同车辆经过钢轨测量点时计算所得数据各不相同，由于测量数据与车重呈比例关系，因此数据出现频度依照正态分布，由于钢轨零应力轨温变化缓慢，一天当中发生跳变的和明显偏离中心线附近的数据将被剔除排除特殊重量车辆造成的干扰，具体方法如下：
1、对测量所得零应力轨温数据进行大小排序，剔除排序中最高和最低5％的数值；
2、对剩余数值求取平均值和标准差，保留2倍标准差之内的数据并再次求取平均值作为当天零应力轨温测量值T。
经过上述处理后即可获得当天的零应力轨温T，判断其与钢轨使用所允许的最高零应力轨温TH和最低零应力轨温TL之间的关系；如所测数据超出钢轨使用所允许范围则报警提示；
铁路工作人员定期向服务器输入指定日期和时间的车型参数，开发人员根据各个站点服务器中历史数据生成的数据表格和曲线，对历史数据进行统计分析，结合使用其他校准设备定期实测的钢轨零应力轨温数据T对车辆平均车重内部参考值P和零应力下车辆平均车重内部参考值值P作用下钢轨的纵向应力N0进行修正。
Claims (7)
1.一种无缝线路钢轨零应力轨温的测量装置，其特征在于所述测量装置由钢轨轨温应力测量装置(1)和手持数据采集终端(2)组成；所述钢轨轨温应力测量装置(1)固定安装在钢轨(3)的轨腰中性轴(a)上；所述钢轨轨温应力测量装置(1)的无线数据传送输出输入端与手持数据采集终端(2)的无线数据传送输出输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种无缝线路钢轨零应力轨温的测量装置，其特征在于所述钢轨轨温应力测量装置(1)包括测温传感模块(4)、应变传感模块(5)、数据处理模块(6)、数据存储模块(7)、无线数据通讯模块(8)和供电模块(9)；所述测温传感模块(4)的温度传感信号输出端与数据处理模块(6)的温度传感信号输入端相连；所述应变传感模块(5)的应变传感信号输出端与数据处理模块(6)的应变传感信号输入端相连；所述数据存储模块(7)的存储信号输入输出端与数据处理模块(6)的存储信号输出输入端相连；所述无线数据通讯模块(8)的无线通讯数据输入输出端与数据处理模块(6)的无线通讯数据输出输入端相连；所述供电模块(9)的供电端与数据处理模块(6)的受电端相连。
3.根据权利要求2所述的一种无缝线路钢轨零应力轨温的测量装置，其特征在于所述测温传感模块(4)采用接触式测温传感器，所述接触式测温传感器的温度传感信号输出端即为测温传感模块(4)的温度传感信号输出端。
4.根据权利要求2所述的一种无缝线路钢轨零应力轨温的测量装置，其特征在于所述应变传感模块(5)由应变片(10)、全桥差动电路和电桥信号调理电路(11)组成；所述应变片(10)以粘接方式安装在轨腰中性轴(a)上，所述应变片(10)与轨腰中性轴(a)的夹角为45°；所述全桥差动电路安装在应变片(10)上；电桥信号调理电路(11)的差动信号输入端与全桥差动电路的差动信号输出端相连。
5.根据权利要求4所述的一种无缝线路钢轨零应力轨温的测量装置，其特征在于所述全桥差动电路的四个桥臂上均装有规格相同的敏感栅(12)，位于轨腰中性轴(a)上方的两个桥臂上的敏感栅(12)相互垂直，位于轨腰中性轴(a)下方的两个桥臂上的敏感栅(12)相互垂直。
6.根据权利要求1所述的一种无缝线路钢轨零应力轨温的测量装置，其特征在于所述手持数据采集终端(2)包括中央处理器(13)、显示器(14)、无线数据通讯模块(15)、数据存储模块(16)、USB数据通讯模块(17)、供电电源(18)和按键(19)；所述显示器(14)的显示信号输入端与中央处理器(13)的显示信号输出端相连；所述无线数据通讯模块(15)的无线通讯数据输入输出端与中央处理器(13)的无线通讯数据输出输入端相连；所述数据存储模块(16)的存储信号输入输出端与中央处理器(13)的存储信号输出输入端相连；所述USB数据通讯模块(17)的通讯数据输出输入端与中央处理器(13)的通讯数据输入输出端相连；所述供电模块(18)的供电端与中央处理器(13)的受电端相连；所述按键(19)的按键信号输出端与中央处理器(13)的按键信号输入端相连。
7.采用权利要求1所述一种无缝线路钢轨零应力轨温的测量装置的测量方法，其特征在于它由如下步骤实现：
步骤一：前期通过试验采集车重数据，并运用统计方法对所得数据进行分析，所述分析过程为对所有获取的数据依照数值大小进行排序，剔除排序中最高数值和最低数值，再剔除排序中最高5％范围内的数值和最低5％范围内的数值，即剔除超重和空载车辆，对剩余的数据进行统计分析并生成直方图，对所有剩余的数据取平均值，并以此平均值作为平均车重内部参考值P；
将车辆平均车重内部参考值P和钢轨零应力时刻车辆平均车重内部参考值P作用下纵向应力N0的内部参考值在钢轨轨温应力测量装置(1)首次使用前配置于钢轨轨温应力测量装置(1)中；
步骤二：当铁路车辆经过时，测量钢轨向下形变量L1以及钢轨的实时温度T1；根据钢轨变形位移公式：
计算出此时钢轨所受的纵向应力N1；参数δ为跨中挠度，参数L为被测试段钢轨长度，且K2＝N/EI，参数EI为钢轨抗弯刚度；
由钢轨所受的轴向温度力ΔN计算出温度变化值Δt：Δt＝ΔN/αEF，其中ΔN＝N1-N0，N0为同一钢轨零应力时相同车重下所受纵向应力，E为钢轨的弹性模量，α为钢轨的线膨胀系数，F为钢轨横截面积；通过公式：T＝T1+Δt，计算出钢轨内部纵向温度力为ΔN时对应的钢轨零应力轨温T；
步骤三：钢轨轨温应力测量装置(1)通过无线数据通讯输出端将数据发送到手持数据采集终端(2)中；
步骤四：手持数据采集终端(2)存储测量的数据，由工作人员将所有数据通过有线或无线网络上传至服务器，对数据进行处理；
步骤五：根据各个站点服务器中历史数据生成的数据表格和曲线，对历史数据进行统计分析，结合使用其他校准设备定期实测的钢轨零应力轨温数据T对车辆平均车重内部参考值P和零应力下车辆平均车重内部参考值P作用下钢轨的纵向应力N0进行修正。
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