CN103207117A - 一种高速铁路钢轨静态载荷模拟实验系统 - Google Patents

一种高速铁路钢轨静态载荷模拟实验系统 Download PDF

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戴恒震
王大志
任同群
梁军生
王珂
焦振华
薛松
刘冲
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Abstract

本发明涉及一种高速铁路无缝钢轨静载荷模拟实验系统。该实验系统由无碴钢轨路段、钢轨两端的固定装置、温度力模拟装置和测量钢轨应变的传感装置组成,无碴钢轨路段上的两根钢轨通过弹条扣件连接在轨道板上,两端固定,其中一根钢轨被切断,在切缝处设置温度力模拟装置,通过伸缩油缸施加拉力,模拟钢轨温度应力及断轨,另一根钢轨用于模拟自然温度下钢轨内部温度力的变化。由应变片和温度传感器组成的传感装置用于测量钢轨的应变、应力及温度。该实验系统提高了实验的可重复性,省时省力,减小了实验场地,大大降低了实验成本。

Description

一种高速铁路钢轨静态载荷模拟实验系统
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种模拟钢轨静态力加载系统,尤其是涉及一种高速铁路无缝钢轨温度力的模拟实验系统。
背景技术
[0002] 经过几年的快速发展,我国已成为世界上高速铁路运营里程最长,运营速度最高,在建规模最大的国家,对高速铁路的维护和监测成为必须面对的课题。钢轨是高速铁路中最基本的安全构件,由于无缝线路长轨条受到钢轨接头阻力、扣件阻力和道床阻力的约束,当轨温发生变化时,在长轨条中就会产生纵向温度力。轨温下降时,在钢轨中产生轴向拉力;当气温较低,尤其在寒冷地区的冬季季节,钢轨中纵向温度拉力较大,在钢轨的焊缝、裂纹等薄弱处因无法承受较大的纵向温度拉力可能发生钢轨断裂,进而造成列车脱轨,威胁到乘客的生命安全。因此,对钢轨在温度力作用下内部应力分布规律以及可能造成断轨的机理的实验研究显得十分重要。
[0003]目前,对钢轨断裂的研究的手段主要有仿真计算的方法和现场测试的方法。仿真计算由于采用简化的模型和参数,不能完全反映现场的真实环境,连续梁模型是当前钢轨纵向作用分析中最常用的模型,此模型将钢轨简化成连续梁结构,将纵向阻力简化成单位长度的阻力并取常量,而纵向阻力与钢轨纵向位移实际上是非线性关系,所得出的结果必然有局限性;现场测试的方法虽然可以采用真实的高速铁路环境,但所处的环境比较复杂不易控制,对实验设备的要求高。从美国联邦铁路局运输部的研究报告“Investigation onCffR longitudinal restraint behavior in winter rail break and summer distressingoperations[R].U.S.Department of Transportation D0T/FRA/0RD-97/01, 1997”查到G.Samavedam等学者在研究钢轨断裂后纵向温度拉力分布时是在366米长的有碴线路直线段进行的,虽然是在真实的轨道上进行的,但实验现场是有碴轨道,与无碴轨道有很大差别;温度加载是采用自然温度加载,加载时间长,重复性差,试验成本高。为了满足对钢轨断裂研究的需要,探寻一种可更加真实的模拟无碴轨道环境,缩短实验时间,提高实验的可重复性,降低试验成本,实现现场测试的实验条件可人为控制的试验方法及装置显得尤为重要。
发明内容
[0004] 为了克服现有仿真计算和现场测试的不足,本发明提供了一种高速铁路无缝钢轨静态载荷模拟系统,不仅可以更加真实的模拟无碴轨道环境,还可以实现现场测试的实验条件的可控性,从而为研究钢轨的静态载荷提供有力的工具。
[0005] 本发明采用的技术方案是:
[0006] 按无碴轨道标准建造一段双轨路段,两条钢轨的两端通过固定装置固定,轨上设有温度力模拟装置和测量钢轨应变的传感装置,其中:
[0007] I)无碴轨道系统:包括地基、混凝土底座、CA砂浆、轨道板、弹条扣件和两根钢轨。两根钢轨通过弹条扣件连接在轨道板上,其中将一根钢轨距端头一定位置处切割成两段钢轨,切缝调整至所需大小。
[0008] 2)两端固定装置:包括钢筋混凝土台及连轨装置。在钢筋混凝土台上对应每个钢轨端头处布置两根螺栓,其轴线平行于钢轨中性轴并位于同一高度上,连轨装置中的拉杆一端通过螺母与螺栓连接,另一端通过拉座与钢轨连接,旋转拉杆就可以拉紧或放松钢轨。
[0009] 3)温度力模拟装置:包括钢轨拉伸机及其附属部件。将钢轨拉伸机布置到钢轨切缝处,通过夹具锁紧两侧轨头,伸缩油缸了拉紧或放松钢轨,模拟钢轨温度应力或断轨。
[0010] 4)传感装置:包括多个应变片和温度传感器,布置在每跨钢轨跨中部位,沿钢轨纵向布置电源线,以便给传感器供电,传感装置用于测量钢轨的应变、应力及温度。
[0011] 当松开弹条扣件,开启拉伸机拉伸钢轨,保持拉伸力不变,用扭力扳手将弹条扣件锁紧,就可以模拟设想温度下的温度力;松开拉伸机夹具,还可以模拟钢轨断裂;另一根没有切缝的钢轨可以模拟高速铁路正线随着温度的升降而产生的温度力。
[0012] 本发明与背景技术相比具有的有益效果是:
[0013] 利用两端固定系统,使钢轨在受到拉力时两端头不发生位移,有效模拟高速铁路正线真实情况,使用钢轨拉伸机模拟温度力,使钢轨产生纵向拉力,不仅能模拟不同大小的温度力,还可以提高实验的可重复性,使实验操作方便快捷,省时省力,减小了实验场地,大大降低了实验成本。
附图说明
[0014] 图1高速铁路无缝钢轨静态载荷模拟系统示意图。
[0015] 图2两端固定装置示意图。
[0016] 图3温度力模拟装置示意图。
[0017] 图4传感器布局示意图。
[0018] 图中:1混凝土底座,2 CA砂浆,3轨道板,4扣件系统,5有切缝钢轨,6无切缝钢轨,7钢筋混凝土凸台,8 M48螺栓,9 M48螺母,10挡板,11 M48内螺母,12拉杆,13锁紧带,14拉座,15 M30螺栓,16夹具,17拉伸机,18高压油管,19低压油管,20换向阀,21压力表,22油缸,23传感器。
具体实施方式
[0019] 以下结合技术方案和附图对本发明进一步说明。
[0020] 如图1所示,一种高速铁路无缝钢轨静态载荷模拟系统,包括无碴轨道系统,两端固定装置,温度力模拟装置,传感器系统。
[0021] 无碴轨道系统的组成自下至上依次为钢筋混凝土底座1、CA砂浆2、轨道板3、扣件系统4、有切缝钢轨5及无切缝钢轨6。有切缝的钢轨5和无切缝的钢轨6通过扣件系统4连接在轨道板3上,轨道板3坐落在CA砂浆2上,CA砂浆2坐落在混凝土底座I上。其中,两根钢轨型号均为60kg/m,长度为22m,在钢轨5的一端不远位置上将钢轨切断,另一根钢轨6没有切缝;在两根钢轨每个端头处中性轴上钻有三个0 32通孔,用以与两端固定装置连接。
[0022] 图2为两端固定装置结构,位于无碴轨道系统两端的钢筋混凝土凸台7上对应每根钢轨端头处布置有两个M48的螺栓8,其轴线与对应钢轨的钢轨中性轴等高。螺栓8 —端埋入钢筋混凝土凸台7内并与其连为一体,另一端与拉杆12连接,挡板10穿过螺栓8,一侧顶住钢轨端部,另一侧用M48的螺母9将其紧固,用来防止夏季钢轨升温胀轨产生位移,拉杆12方孔内部布置有一个M48的螺母11与螺栓8旋合,钢轨两侧的两个拉座14的右侧弯头部有阶梯圆柱豁孔,与拉杆12的左端配合,拉座14的左侧有三个0 32通孔,用三个M30的铰制孔螺栓15与钢轨固定。用撬杠插入拉杆12上的圆孔可扳动拉杆12转动,带动螺母11转动拉紧或放松拉座14,从而可以拉紧或放松了钢轨。在拉紧钢轨后,为保证螺母11不松动,在拉座14与拉杆12之间的配合处安装了一个锁紧带13,可以通过拉座14的右侧弯头部上的小螺栓锁紧,避免拉杆12的转动。
[0023] 图3为温度力模拟装置示意图,通过钢轨拉伸机17拉伸钢轨,可以模拟钢轨内部的温度力;首先将钢轨拉伸机17布置在钢轨切缝处,松开钢轨5的所有扣件4,用钢轨拉伸机17两端夹具16锁紧切缝钢轨切缝两侧的轨头,通过调整换向阀20,高压油管18进油,低压油管19出油,拉伸机油缸22收缩,拉紧钢轨,通过压力表21读出相应的油压值,即可得到钢轨所受的拉力,此时使钢轨拉伸机17处于保压状态,将钢轨5的所有扣件4按照标准锁紧扭矩120N • m锁定;如果扳动换向阀22,低压油管19进油,高压油管18出油,拉伸机17迅速松开钢轨,这样可以模拟断轨情况。
[0024] 图4表示传感器系统,沿钢轨纵向每跨处布置相应的应变传感器23,应变传感器23通常位于每跨中段的中性轴位置,在钢轨表面上还可布置温度传感器以测量钢轨温度,通过测量的应变和温度值可以计 算出钢轨内部应力情况,便于钢轨温度力研究。

Claims (1)

1.一种高速铁路钢轨静态载荷模拟实验系统,其特征在于,该系统包括无碴轨道系统、两端固定装置、温度力模拟装置和传感装置; 无碴轨道系统:包括地基、混凝土底座、CA砂浆、轨道板、扣件系统和两根钢轨,两根钢轨通过扣件系统固定在轨道板上,一根钢轨距端头按需求位置处切断成两段,切缝调整至所需大小; 两端固定装置:包括钢筋混凝土台及连轨装置。在钢筋混凝土台上对应每个钢轨端头处布置两根螺栓,其轴线平行于钢轨中性轴并位于同一高度上,连轨装置中的拉杆一端通过螺母与螺栓连接,另一端通过拉座与钢轨连接,旋转拉杆完成拉紧或放松钢轨; 温度力模拟装置:包括钢轨拉伸机及其附属部件,将钢轨拉伸机布置到钢轨切缝处,通过夹具锁紧两侧轨头,伸缩油缸了拉紧或放松钢轨,模拟钢轨温度应力或断轨; 传感装置:包括多个应变片和温度传感器,布置在每跨钢轨跨中部位,同时沿钢轨纵向布置电源线,给传感器供电。
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