CN106017719B - 无缝线路长钢轨锁定轨温的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无缝线路长钢轨锁定轨温的检测方法，该方法的技术特征在于利用了金属磁记忆‑磁巴克豪森融合在线检测方法。首先搭建系统平台，其次，利用MMM检测方法对长钢轨进行快速检测，记录钢轨中温度应力分布图谱，定位温度应力集中区；然后利用MBN方法对应力集中区的温度应力进行逐点定量检测，确定应力变化大小；最后根据线路设计承受荷载的能力，确定无缝线路轨道的锁定轨温。这一方法实现了对无缝长钢轨内部温度应力的快速定量检测。本发明根据轨道参数和现场轨温，建立了无缝线路实际锁定轨温的计算公式，实现无缝线路“实际”锁定轨温的在线、无损、快速检测。

Description

无缝线路长钢轨锁定轨温的检测方法

技术领域

本发明属于高速铁路无缝线路轨道稳定性的检测和评估领域，涉及到在线检测无缝线路钢轨温度应力的检测技术、方法。以及无缝线路长钢轨“实际”锁定轨温的检测方案、方法。

背景技术

无缝线路在设计时针对各地域的气候和环境变化应选择适当的锁定轨温，被称为“设计”锁定轨温，线路在铺设时的锁定温度被称为“施工”锁定轨温，线路铺设上线以后受环境温度、湿度的影响；道床横向阻力、塑性原始弯曲的影响；纵向热胀冷缩温度应力的影响，线路锁定轨温会发生变化，改变后的锁定轨温被称为“实际”锁定轨温。“实际”锁定轨温的改变对无缝线路的强度和稳定性有很大影响。例如：如果“施工”锁定轨温为20℃，现场轨温上升到70℃，当实际锁定轨温与施工锁定轨温相等时(锁定轨温没有发生偏移)，单根钢轨内部温度压应力峰值变化为121.4MPa(轨温每变化1℃钢轨内温度应力变化2.428MPa)，如果锁定轨温发生偏移，“实际”锁定轨温下降到10℃，当在线轨温上升到70℃时，钢轨内部温度压应力峰值变化为145.68MPa。“实际”锁定轨温的偏移，造成钢轨线路内部压应力峰值变化超出线路设计范围近50MPa，“实际”锁定轨温继续偏移，线路内部压应力峰值超出设计范围继续增大，无疑相当于在线路中埋下了重大隐患，所以“实际”锁定轨温是无缝线路稳定运行的重要指标。在昼夜温差变化比较大的季节和区域，弯道和上下坡区段更容易发生无缝线路的胀轨跑道事故。

长期以来我国和世界许多有无缝线路国家的铁路部门现场测定无缝线路钢轨纵向温度应力主要采用①观测桩法，②温度补偿铟尺法，③普通钢尺法。在线检测准确度极低，但是迄今还没有更好的方法取代铁路传统费时、费力、肉眼观测的方法。近十年来，人们几乎采用了一切可能的方法，用以检测钢轨纵向温度应力，经归纳有：X射线法，超声波法和应变片法。X射线法检测是通过金属晶格形变检测应力，受电磁趋肤效应影响，检测深度仅达数μm，设备复杂，现场工程检测不方便；超声波法是通过测量超声波在铁磁材料中力学性能相异方向上传播速度差异来测定应力，因为超声波耦合的因素，严重影响检测精度；应变片法是依靠贴在钢轨腰部中轴应变片内部的电阻丝栅随钢轨发生弹性形变来检测应力，若无缝线路固定区内钢轨固定不产生形变，则无法检测内部温度应力。

金属磁记忆检测技术可以检测金属构件上以应力集中为特征的危险区域,对这一技术的深入研究有望解决构件损伤早期诊断与寿命预测中的关键问题。依金属磁记忆检测的原理和应用范围以及磁记忆检测的国内外研究现状，本发明归纳现有的金属磁记忆(Metal Magnetic Memory,简记MMM)和磁巴克豪森噪声(Magnetic Barkhausen Noise简记MBN)两种磁法检测技术，MMM技术的优点是：不需要对受检对象表面作任何清理；不需要人工磁化；是唯一能以1mm位移精度，以150m/分钟速度测定构件应力集中区域和分布的方法。缺点是：只能检测构件应力的集中区域、分布和集中程度，缺乏对应力大小、破坏程度的判断。MBN技术的优点是：可以对同材质，同工艺经表面处理的铁磁构件进行定点、定量和瞬间检测。缺点是：采用主动交流磁化，传感器需要贴在构件的表面，对构件表面的粗糙度有一定的要求。

本发明将两种技术融合，优势互补，缺点互除，采用自动控制技术切换金属磁记忆和磁巴克豪森噪声工作系统，提出一种简便、快速、无损、在线的应力检测方法——金属磁记忆-磁巴克豪森噪声(MMM-MBN)融合检测方法。建立了无缝线路“实际”锁定轨温计算公式，确定了“实际”锁定轨温检测的在线实施方法。此公式根据在线检测无缝线路温度应力及现场轨温，实现无缝线路“实际”锁定轨温的在线检测。

发明内容

为解决上述工程问题，本发明采用的技术方案为：将MBN、MMM技术优点互补，缺点互锄，采用快速全线覆盖的融合检测方式，首先采用金属磁记忆检测方法快速检测钢轨线路的温度应力集中变化区域，根据区域内应力变化的程度采用磁巴克豪森噪声技术逐点检测温度应力变化的大小，提高了应力检测的精度和在线检测的速度。根据线路设计承受载荷的能力，确定无缝线路轨道的稳定性。

本发明采用的技术方案为无缝线路长钢轨锁定轨温的检测方法，该方法的实施流程如下。

首先，搭建系统平台，该系统由金属磁记忆检测系统和磁巴克豪森系统构成，具体包括：传感器、检测放大滤波电路、功率放大器、电源和驱动单元、A/D转换及存储单元、MODBUS控制器、钢轨应力检测工作车、夹具和分析工作平台等。

磁记忆传感器和磁巴克豪森传感器分别由钢轨应力检测车上的夹具夹在高速无缝线路长钢轨轨腰的两侧，检测车沿钢轨长度方向运动，带动传感器移动以记录各个时间节点检测的数据；磁记忆传感器和磁巴克豪森传感器分别由各自的电源和驱动单元驱动，磁记忆传感器接收来自长钢轨在地磁场中受力所产生的磁场随位移的变化梯度信号磁巴克豪森传感器接收来自长钢轨被局部磁化所释放的MBN信号，经传感器检测到的磁记忆信号和磁巴克豪森信号与各自的检测电路相连接，经系统放大、滤波，再经过A/D转换及存储，由系统内MODBUS控制器将在线检测的过程信号传输到分析工作平台。

其次，钢轨应力检测工作车行进，带动传感器驱动，通过传感器扫描待测钢轨，对待测钢轨沿长度方向的各个位置节点、时间节点检测到的MMM-MBN数据存储、记录。

利用MMM检测方法对无缝线路长钢轨进行快速检测，检测长钢轨中磁场过零值线H＝0随位移的变化梯度信号并确定长钢轨温度应力集中区。同时利用MBN方法对应力集中区内的温度应力进行逐点定量检测，确定应力变化大小。

再次，根据虎克定律，对待测钢轨的温度应力进行理论模型计算，进而得出钢轨能承受的最大温度力。

最后，根据待测钢轨沿长度方向的各个位置节点，时间节点检测的数据，采用融合检测方法，根据线路设计承受载荷的能力，根据建立的锁定轨温的分析模型，确定无缝线路长钢轨道的锁定轨温。

在线锁定钢轨，当轨温变化时，钢轨将无法伸缩，于是在钢轨内产生温度应力。根据虎克定律，温度应力为：

σ＝β′αΔt……………………………………(1)

式中：β′为钢轨的杨氏弹性模量；α为线路线胀系数；△t为现场轨温与无缝线路锁定轨温的差值。

在线锁定钢轨所产生的温度应力与钢轨本身长度无关，仅和轨温变化△t成正比例关系。降低钢轨内部温度应力的关键在于如何控制轨温变化幅度。钢轨能承受的温度力为：

P＝σF…………………………………………(2)

式中：F为钢轨横截面积。

根据无缝线路温度应力与线路温度变化的虎克定律，研究温度应力与实际锁定轨温的变化关系。建立检测实际锁定轨温的计算公式：

式中：T_n为线路实际锁定轨温；T_i为线路钢轨各点表面轨温；σ_i为钢轨各点的温度应力；α为钢轨的线胀系数；β′为钢轨的弹性模量；γ为钢轨的区域补偿系数；n为检测点的数量。

附图说明

图1无缝线路金属磁记忆MMM漏磁场曲线：

(a)无缝线路左股钢轨(36℃)，(b)无缝线路右股钢轨(42℃)

图2为金属磁记忆检测系统结构

图3为磁巴克豪森噪讯检测系统结构

图4本发明的系统平台结构图。

图5为本发明的实施流程图。

具体实施方式

以下结合附图1-5和实施例，对本发明作进一步详细说明。

如图2-4所示，首先搭建MMM-MMM系统和系统平台的结构，按照图5所示的流程进行具体实施。

实施例

利用自制系统对中国某铁路局某工务段下行一段长度为1100m的正在服役中的无缝线路进行温度应力的检测。其中线路两端伸缩区分别为100m，中间固定区为900m。该线路钢轨规格为U74型60Kg/m钢轨，其横截面积A＝77.45cm²，惯性矩为I＝3217cm⁴，弹性模量E＝2.06×10⁵MPa，热膨胀系数α＝1.18×10⁵m/℃，轨枕配置为1840根/Km的Ⅱ型混凝土轨枕，轨枕间距为0.568m,长度2.6m，轨枕断面宽0.25m，高0.2m，轨枕弹性模量为E_tie＝1.5×10⁴MPa，轨道初始道床横向阻力为12.1N/mm。连续两天中午进行检测，共检测两次，现场轨温分别为36℃和42℃，温度误差为±2℃。利用金属磁记忆系统快速非接触扫描无缝线路固定区，扫描速度60m/min。检测系统检测得到的各个温度下无缝线路漏磁场曲线如图1所示。

图1(a)中可以看出无缝线路左股钢轨固定区漏磁场梯度变化趋势平缓，漏磁场梯度峰值仅仅达到3A/m/mm，没有检测出明显的应力集中区。图1(b)中无缝线路右股钢轨固定区180m附近出现漏磁场梯度峰，峰值达到5.3A/m/mm。这说明此处可能出现应力波动，这一应力波动产生的原因有可能是道钉松动。MMM的在线检测系统如图2所示。

此段无缝线路的应力分布还需要利用磁巴克豪森噪声方法检测的应力数据做出进一步分析，MBN的在线检测系统如图3所示。利用磁巴克豪森噪声方法每隔20m对钢轨进行温度应力检测。无缝线路左股钢轨36℃的温度应力值如表1所示：

表1无缝线路左股钢轨36℃温度应力数据

无缝线路右股钢轨42℃的温度应力值如表2所示：

表2无缝线路右股钢轨42℃温度应力数据

根据表1和2中的温度应力数据，计算无缝线路左右钢轨固定区各点温度应力平均值分别为σ_left ³⁶＝38.16MPa和σ_right ⁴²＝51.17MPa。从表2中可以看出，在900m的固定区中，温度应力变化平缓，仅在右股钢轨固定区180m处出现17.5MPa的应力差，但应力值都在安全范围内。这与金属磁记忆技术检测的结果相一致。在线检测时钢轨温度为36℃和42℃。在线检测的数据由检测平台中的MODBUS上传到检测平台，如图4所示。根据检测钢轨沿长度方向的各个位置节点，时间节点检测的数据，由锁定轨温的公式(3)计算得到的实际锁定轨温为分别为20.74℃和21.53℃。某公务段提供的此段无缝线路的施工锁定轨温为21℃，与检测结果基本一致。

根据某公务段提供的施工锁定轨温以及现场轨温，利用公式(1)计算钢轨中温度应力平均值为：σ′_left ³⁶＝36.42MPa，σ′_right ⁴²＝50.99MPa。自制检测系统测量得到的此段无缝线路应力平均值为：σ_left ³⁶＝38.16MPa，σ_right ⁴²＝51.17MPa。检测系统温度应力检测相对误差为4.78％。

在线检测的实施流程如图5所示。

Claims (1)

1.无缝线路长钢轨锁定轨温的检测方法，其特征在于：

采用金属磁记忆-磁巴克豪森噪声融合检测方法，实现了对高速无缝线路长钢轨锁定轨温的在线快速无损检测；

本方法的实施流程如下，

首先，搭建系统平台，该系统由金属磁记忆检测系统和磁巴克豪森系统构成，具体包括：磁记忆传感器和磁巴克豪森传感器、放大滤波电路、检波电路、功率放大器、电源和驱动单元、A/D转换电路、存储单元、MODBUS控制器、钢轨应力检测工作车、夹具及分析工作平台；

磁记忆传感器和磁巴克豪森传感器分别由钢轨应力检测工作车上的夹具夹在高速无缝线路长钢轨轨腰的两侧，钢轨应力检测工作车沿高速无缝线路长钢轨长度方向记录下各个时间节点检测的数据；磁记忆传感器和磁巴克豪森传感器分别由各自的电源和驱动单元驱动，磁记忆传感器接收来自高速无缝线路长钢轨在地磁场中受力所产生的磁场过零值线H＝0随位移的变化梯度信号磁巴克豪森传感器接收来自高速无缝线路长钢轨局部磁化受力释放磁巴克豪森噪声大小的信号，经磁记忆传感器和磁巴克豪森传感器检测到的磁记忆信号和磁巴克豪森信号与各自的检测电路相连接，经系统放大、滤波、A/D转换及存储后，由系统内MODBUS控制器将在线检测的过程信号传输到分析工作平台；

其次，钢轨应力检测工作车行进，带动磁记忆传感器和磁巴克豪森传感器移动以扫描待测高速无缝线路长钢轨，对待测高速无缝线路长钢轨沿长度方向的各个位置节点、时间节点检测到的金属磁记忆-磁巴克豪森噪声数据进行存储和记录；

利用金属磁记忆检测方法对无缝线路长钢轨进行快速检测，检测高速无缝线路长钢轨中磁场过零值线H＝0随位移的变化梯度信号并确定高速无缝线路长钢轨温度应力集中区；同时利用磁巴克豪森噪声方法对应力集中区内的温度应力进行逐点定量检测，确定应力变化大小；

其次，根据虎克定律，对待测高速无缝线路长钢轨的温度应力进行理论模型计算，得出高速无缝线路长钢轨所能承受的最大温度力；

最后，根据待测高速无缝线路长钢轨沿长度方向的各个位置节点，时间节点检测的数据，采用融合检测方法，根据线路设计承受载荷的能力和建立的锁定轨温的分析模型，确定高速无缝线路长钢轨的锁定轨温；

锁定的高速无缝线路长钢轨，当轨温变化时，高速无缝线路长钢轨将无法伸缩，于是在高速无缝线路长钢轨内产生温度应力，根据虎克定律，温度应力为：

σ＝β′αΔt……………………………………(1)

式中：β′为高速无缝线路长钢轨的杨氏弹性模量；α为高速无缝线路长钢轨的线胀系数；△t为现场轨温与无缝线路锁定轨温的差值；锁定的高速无缝线路长钢轨所产生的温度应力与高速无缝线路长钢轨本身长度无关，仅和轨温变化△t成比例关系，高速无缝线路长钢轨能承受的温度力为：

P＝σF…………………………………………(2)

式中：F为高速无缝线路长钢轨横截面积；

根据无缝线路温度应力与线路温度变化的虎克定律，研究温度应力与实际锁定轨温的变化关系，建立检测实际锁定轨温的计算公式：

式中：T_n为线路实际锁定轨温；T_i为高速无缝线路长钢轨各点表面轨温；σ_i为高速无缝线路长钢轨各点的温度应力；α为高速无缝线路长钢轨的线胀系数；β′为高速无缝线路长钢轨的杨氏弹性模量；γ为高速无缝线路长钢轨的区域补偿系数；n为检测点的数量。