專利名稱：測量鐵路鋼軌斷裂縱向力分布的實(shí)驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵路安全檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鐵路鋼軌斷裂縱向力分布規(guī)律測量的實(shí)驗(yàn)方法。
背景技術(shù)：
鐵路是我國陸上運(yùn)輸?shù)闹饕绞?，它具有運(yùn)行平穩(wěn)、運(yùn)送量大、能源消耗低、環(huán)境污染輕的優(yōu)勢。鋼軌是鐵路結(jié)構(gòu)的重要部件，其可靠性是保證鐵路運(yùn)行安全的關(guān)鍵。尤其是發(fā)展迅速的高速鐵路均為無縫線路，這種線路的鋼軌不能自由伸縮，隨著軌溫的變化，鋼軌內(nèi)部將產(chǎn)生巨大的縱向溫度力，這種巨大的溫度力可能引起鋼軌焊縫、過渡段等薄弱點(diǎn)發(fā)生斷裂，威脅行車安全。
應(yīng)力法是檢測鋼軌斷裂的重要手段，它是利用安裝在鋼軌上的傳感器來測量鋼軌的縱向力變化，并對(duì)其進(jìn)行比較分析來判斷是否出現(xiàn)斷軌，實(shí)現(xiàn)鋼軌的狀態(tài)監(jiān)測和故障報(bào)警。該方法的核心是通過分析鋼軌縱向力的變化來檢測是否發(fā)生斷軌，因此研究鋼軌斷裂的縱向力分布規(guī)律尤其重要。目前，鋼軌斷裂的縱向力分布分析主要采用理論計(jì)算和建模仿真，理論計(jì)算需要對(duì)鋼軌結(jié)構(gòu)及約束條件進(jìn)行一系列假設(shè)，這與鋼軌實(shí)際受力情況相差較大；建模仿真雖然充分考慮了軌道結(jié)構(gòu)及鋼軌受力狀態(tài)，但需要準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行驗(yàn)證。所以準(zhǔn)確性高、可控性好、適用性強(qiáng)的鋼軌斷裂縱向力分布分析的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)鋼軌斷裂的檢測具有重要意義。美國Samavedam等學(xué)者在研究鋼軌斷裂縱向力分布規(guī)律時(shí)采用低溫鋸斷鋼軌的實(shí)驗(yàn)方法，首先在約360米長的鐵路無縫線路直線段的鋼軌上按規(guī)律安裝應(yīng)變片，然后當(dāng)溫度最高時(shí)將鋼軌鎖定，等到溫度最低時(shí)將鋼軌鋸斷，通過研究鋼軌各點(diǎn)鋸斷前后縱向應(yīng)變的變化，分析鋼軌斷裂的縱向力分布規(guī)律。這種方法是在溫度最高時(shí)鎖定鋼軌，在溫度最低時(shí)鋸斷鋼軌，以保證鋸斷前鋼軌內(nèi)部存在較大的縱向溫度力，這種實(shí)驗(yàn)方法不僅受到時(shí)間的限制，同時(shí)也受自然溫差的局限，鋼軌內(nèi)部存在溫度力的大小難以掌控，再而，重復(fù)實(shí)驗(yàn)需要將鋼軌反復(fù)鋸斷和焊接，這也增加了實(shí)驗(yàn)成本，不利于鋼軌斷裂縱向力分布規(guī)律的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服上述實(shí)驗(yàn)方法的缺陷，采用對(duì)鋼軌預(yù)加應(yīng)力再釋放的方法來模擬鋼軌斷裂時(shí)的狀態(tài)變化，并通過測力傳感器組測量鋼軌預(yù)應(yīng)力釋放前后的鋼軌縱向力分布，獲得鋼軌斷裂縱向力分布規(guī)律。其中，鋼軌預(yù)應(yīng)力利用鋼軌拉伸機(jī)施加。該方法通過調(diào)節(jié)鋼軌拉伸機(jī)對(duì)鋼軌施加預(yù)應(yīng)力可以準(zhǔn)確獲得鋼軌斷裂前的應(yīng)力值，并能重復(fù)進(jìn)行不同軌溫或拉應(yīng)力下鋼軌斷裂縱向力分布的模擬實(shí)驗(yàn)研究，且該方法不受時(shí)間及自然溫差的限制，可以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間及降低實(shí)驗(yàn)成本。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種鐵路鋼軌斷裂縱向力分布規(guī)律測量的實(shí)驗(yàn)方法，其特征是首先在符合鐵路標(biāo)準(zhǔn)且具有一定長度軌道的長鋼軌I上安裝測力傳感器組2，然后將長鋼軌的扣件組3完全松開，并利用鋼軌拉伸機(jī)4對(duì)長鋼軌I施加一定的預(yù)應(yīng)力，再將長鋼軌的扣件組3鎖定，最后釋放預(yù)應(yīng)力，通過傳感節(jié)點(diǎn)組5和測力傳感器組2采集鋼軌的應(yīng)力數(shù)據(jù)，并經(jīng)過無線網(wǎng)關(guān)6將該數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)7，進(jìn)而獲得鋼軌斷裂后縱向力分布規(guī)律，具體步驟如下I)安裝測力傳感器組2、傳感節(jié)點(diǎn)組5、無線網(wǎng)關(guān)6和計(jì)算機(jī)7先將符合鐵路標(biāo)準(zhǔn)具有一定長度軌道的其中一根鋼軌的左、右兩個(gè)端頭8W分別固定在左、右兩鋼筋混凝土水泥臺(tái)11、1Γ上，在鋼軌適當(dāng)位置設(shè)置一定寬度的斷縫9 ;然后沿著長鋼軌I的縱向，選擇適當(dāng)間距，在鋼軌的中性軸位置，布置安裝測力傳感器組2 ;傳感節(jié)點(diǎn)組5安裝在測力傳感器組2中相應(yīng)傳感器兩側(cè)適當(dāng)范圍內(nèi)，以減少導(dǎo)線長度帶來的誤差；無線網(wǎng)關(guān)6安裝在傳感節(jié)點(diǎn)組5周圍適當(dāng)范圍內(nèi)，負(fù)責(zé)接收傳感節(jié)點(diǎn)組5通過測力傳感器組2采集的數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給計(jì)算機(jī)7進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析；2)施加鋼軌預(yù)應(yīng)力
首先將短鋼軌的扣件組10按照標(biāo)準(zhǔn)鎖緊扭矩鎖定，并將長鋼軌的扣件組3完全松開，使其處于零應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)開始采集長鋼軌I上各測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)；然后根據(jù)軌溫變化幅值換算的拉應(yīng)力，在斷縫9處，利用鋼軌拉伸機(jī)4對(duì)長鋼軌I施加拉應(yīng)力，同時(shí)觀測長鋼軌I上各測點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)，直到測得的應(yīng)力大小等于預(yù)加應(yīng)力值時(shí)，將長鋼軌的扣件組3按照標(biāo)準(zhǔn)鎖緊扭矩鎖定，同時(shí)保持鋼軌拉伸機(jī)4對(duì)鋼軌預(yù)應(yīng)力的施加狀態(tài)；3)獲取鋼軌斷裂縱向力數(shù)據(jù)首先開始采集長鋼軌I上各測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)；然后將鋼軌拉伸機(jī)4停止拉伸，釋放鋼軌拉伸機(jī)4對(duì)長鋼軌I施加的預(yù)應(yīng)力；待預(yù)應(yīng)力釋放結(jié)束且鋼軌狀態(tài)穩(wěn)定后，記錄預(yù)應(yīng)力釋放后長鋼軌I上各測點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)，獲得在一定軌溫變化幅值下鋼軌斷裂的縱向力分布值。本發(fā)明的顯著效果是利用鋼軌拉伸機(jī)對(duì)鋼軌預(yù)加應(yīng)力再釋放的方法，可以準(zhǔn)確控制鋼軌斷裂前的應(yīng)力值，實(shí)現(xiàn)不同軌溫變化幅值或拉應(yīng)力下鋼軌斷裂縱向力分布的反復(fù)精確實(shí)驗(yàn)研究，這種方法不受時(shí)間及自然溫差的限制，可以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間及降低實(shí)驗(yàn)成本。該方法可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、可控、低成本的鋼軌斷裂縱向力分布的實(shí)驗(yàn)。


圖I為鐵路鋼軌斷裂縱向力分布實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖，其中1_長鋼軌，2-測力傳感器組，2-1、2-2、……、2-n-測力傳感器，3-長鋼軌的扣件組，3-1、3-2、……、3_m-長鋼軌的扣件，4-鋼軌拉伸機(jī)，5-傳感節(jié)點(diǎn)組，5-1、5-2、……、5-n-傳感節(jié)點(diǎn)，6-無線網(wǎng)關(guān)，7-計(jì)
算機(jī)，8-鋼軌左端頭，8'-鋼軌右端頭，9-斷縫，10-短鋼軌的扣件組，10-1、10-2、......、
IO-P-短鋼軌的扣件，11-左鋼筋混凝土水泥臺(tái)，11'-右鋼筋混凝土水泥臺(tái)，12-直流電源，13-鋼軌拉伸機(jī)換向閥；圖2為軌溫變化幅值為-21. 3°C時(shí)的鋼軌斷裂縱向力分布曲線，I-鋼軌斷裂前縱向力曲線，2-鋼軌斷裂后縱向力曲線，橫坐標(biāo)-測點(diǎn)與斷縫處的距離，其單位為m，縱坐標(biāo)-鋼軌縱向力，其單位為KN。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。本發(fā)明利用鋼軌拉伸機(jī)對(duì)鋼軌預(yù)加應(yīng)力，通過安裝在鋼軌上的測力傳感器組可以準(zhǔn)確控制預(yù)加應(yīng)力大小，且根據(jù)胡克定律及固體熱膨脹應(yīng)變和溫度的關(guān)系，可換算得到相應(yīng)的軌溫變化幅值；在釋放預(yù)應(yīng)力后，通過測力傳感器組可以測得在一定的軌溫變化幅值或拉應(yīng)力下鋼軌斷裂縱向力分布值。本次實(shí)例是以軌溫變化幅值為-21. 3°C時(shí)，鋼軌斷裂的縱向力分布實(shí)驗(yàn)為例，具體實(shí)驗(yàn)方法步驟如下I)安裝測力傳感器組2及傳感節(jié)點(diǎn)組5、無線網(wǎng)關(guān)6、計(jì)算機(jī)7實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖I所示，取一段采用CRTS I型板式無碴軌道結(jié)構(gòu)，且利用鋼筋混凝土水泥臺(tái)11、11,固定兩鋼軌端頭8、8'的軌道，該軌道長度為22m，其鋼軌類型為60kg/m ;鋼軌拉伸機(jī)4用以對(duì)長鋼軌I施加及釋放預(yù)應(yīng)力；測力傳感器組2與傳感節(jié)點(diǎn)組 5、無線網(wǎng)關(guān)6、計(jì)算機(jī)7用以測量并記錄鋼軌各測點(diǎn)處應(yīng)變數(shù)據(jù)，其中測力傳感器組2采用溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片，傳感節(jié)點(diǎn)組5采用無線應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)。首先在軌道的兩條鋼軌中任意選擇其中一條，并在距離它的左鋼軌端頭8約2m處設(shè)置寬度為30mm的斷縫9 ;然后沿著長鋼軌I的縱向，分別在長鋼軌I上，距離斷縫9處O. 6m、2. 5m、4. 4m、……、13. 2m、15. Im的鋼軌中性軸處安裝測力傳感器，測力傳感器的導(dǎo)線長度為300mm ;在測力傳感器組2中各傳感器右側(cè)50mm處分別安裝一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn),橋路接線方式采用1/4橋，同時(shí)將傳感節(jié)點(diǎn)組5接入直流電源12 ;無線網(wǎng)關(guān)6安裝在距離傳感節(jié)點(diǎn)組周圍大約IOOm處,負(fù)責(zé)接收傳感節(jié)點(diǎn)組5通過測力傳感器組2采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給計(jì)算機(jī)7進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析；2)施加鋼軌預(yù)應(yīng)力鋼軌熱膨脹時(shí)應(yīng)變和溫度的關(guān)系為ε = a· Al(I)其中，ε為鋼軌的應(yīng)變；At為軌溫變化幅值；α為鋼軌的線膨脹系數(shù),其值為
11.8Χ1(Γ6/。。。鋼軌預(yù)加應(yīng)力為σ t = E · ε(2)其中，σ t為鋼軌預(yù)加應(yīng)力；E為鋼軌彈性模量，其值為2. IXlO5MPa0鋼軌縱向溫度力為Ft = σ ·Α(3)其中，F(xiàn)t為鋼軌縱向溫度力；Α為鋼軌斷面積，其值為77. 45cm2。當(dāng)軌溫變化幅值為-21. 3°C時(shí)，根據(jù)公式(I)可知，鋼軌應(yīng)變?chǔ)艦?51.3μ ε ;根據(jù)公式(2)可知，鋼軌預(yù)加應(yīng)力σ t為52. 8MPa ;根據(jù)公式(3)可知，鋼軌縱向溫度力Ft為408. 8KN。鋼軌預(yù)應(yīng)力的施加步驟如下首先在鋼軌斷縫9處安裝液壓鋼軌拉伸機(jī)4，其最大牽引力為900KN，并將短鋼軌的扣件組10按照標(biāo)準(zhǔn)鎖緊扭矩鎖定，該扭矩大小為120N · m ；然后將長鋼軌的扣件組3完全松開，使其處于零應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)開始采集長鋼軌I上各測點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行清零；扳動(dòng)鋼軌拉伸機(jī)4的換向閥13至拉伸檔位，對(duì)長鋼軌I進(jìn)行拉伸，直到距離斷縫9最近的測點(diǎn)處的應(yīng)變?chǔ)偶s為251.3μ ε并穩(wěn)定后，扳動(dòng)換向閥13至保壓檔位，保持長鋼軌I上所施加拉應(yīng)力大小，并記錄長鋼軌I上各測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù) ’最后將長鋼軌的扣件組3按照標(biāo)準(zhǔn)鎖緊扭矩鎖定，該扭矩大小為120Ν · m,同時(shí)保持鋼軌拉伸機(jī)4對(duì)鋼軌預(yù)應(yīng)力的施加狀態(tài)，此時(shí)，鋼軌的預(yù)加應(yīng)力為52. 8MPa，鋼軌的縱向溫度力為408. 8KN ；3)獲取鋼軌斷裂縱向力數(shù)據(jù) 扳動(dòng)換向閥13至卸荷檔位,釋放鋼軌拉伸機(jī)4對(duì)長鋼軌I施加的預(yù)應(yīng)力；待預(yù)應(yīng)力釋放結(jié)束且鋼軌狀態(tài)穩(wěn)定3-5分鐘后，記錄預(yù)應(yīng)力釋放后長鋼軌I上各測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)；根據(jù)公式(2)和(3)，由預(yù)應(yīng)力釋放前后各測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出當(dāng)軌溫變化幅值為-21. 3°C時(shí)，鋼軌斷裂前、后各測點(diǎn)的應(yīng)力值，即獲得鋼軌斷裂的縱向力分布值，如圖2所
/Jn ο本發(fā)明提出一種鐵路鋼軌斷裂縱向力分布實(shí)驗(yàn)方法，采用對(duì)鋼軌預(yù)加應(yīng)力再釋放的方法進(jìn)行鋼軌斷裂縱向力分布的實(shí)驗(yàn)研究，可以準(zhǔn)確控制鋼軌斷裂前的應(yīng)力值，實(shí)現(xiàn)在不同軌溫變化幅值或拉應(yīng)力下鋼軌斷裂縱向力分布準(zhǔn)確獲取及反復(fù)實(shí)驗(yàn)研究，這種方法不受時(shí)間及自然溫差的限制，可以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間及降低實(shí)驗(yàn)成本。
權(quán)利要求
1.一種測量鐵路鋼軌斷裂縱向力分布的實(shí)驗(yàn)方法，其特征是采用對(duì)鋼軌預(yù)加應(yīng)力再釋放的方法來模擬鋼軌斷裂時(shí)的狀態(tài)變化，并通過測力傳感器組測量鋼軌預(yù)應(yīng)力釋放前后的鋼軌縱向力分布，獲得鋼軌斷裂縱向力分布規(guī)律；首先在符合鐵路標(biāo)準(zhǔn)且具有一定長度軌道的長鋼軌(I)上安裝測力傳感器組(2)，然后將長鋼軌的扣件組(3)完全松開，并利用鋼軌拉伸機(jī)(4)對(duì)長鋼軌(I)施加一定的預(yù)應(yīng)力，再將長鋼軌的扣件組(3)鎖定，最后釋放預(yù)應(yīng)力，通過傳感節(jié)點(diǎn)組(5)和測力傳感器組(2)采集鋼軌的應(yīng)力數(shù)據(jù)，并經(jīng)過無線網(wǎng)關(guān)(6)將該數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)(7)，進(jìn)而獲得鋼軌斷裂后縱向力分布規(guī)律，具體步驟如下 1)安裝測力傳感器組(2)、傳感節(jié)點(diǎn)組(5)、無線網(wǎng)關(guān)(6)和計(jì)算機(jī)(7) 先將符合鐵路標(biāo)準(zhǔn)具有一定長度軌道的其中一根鋼軌的左、右兩個(gè)端頭(8、8')分別固定在左、右兩鋼筋混凝土水泥臺(tái)(11、11')上，在鋼軌適當(dāng)位置設(shè)置一定寬度的斷縫(9);然后沿著長鋼軌(I)的縱向，選擇適當(dāng)間距，在鋼軌的中性軸位置，布置安裝測力傳感器組 (2);傳感節(jié)點(diǎn)組(5)安裝在測力傳感器組(2)中相應(yīng)傳感器兩側(cè)適當(dāng)范圍內(nèi)，以減少導(dǎo)線長度帶來的誤差；無線網(wǎng)關(guān)(6)安裝在傳感節(jié)點(diǎn)組(5)周圍適當(dāng)范圍內(nèi)，負(fù)責(zé)接收傳感節(jié)點(diǎn)組(5)通過測力傳感器組(2)采集的數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給計(jì)算機(jī)(7)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析； 2)施加鋼軌預(yù)應(yīng)力 首先將短鋼軌的扣件組(10)按照標(biāo)準(zhǔn)鎖緊扭矩鎖定，并將長鋼軌的扣件組(3)完全松開，使其處于零應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)開始采集長鋼軌(I)上各測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)；然后根據(jù)軌溫變化幅值換算的拉應(yīng)力，在斷縫(9)處，利用鋼軌拉伸機(jī)(4)對(duì)長鋼軌(I)施加拉應(yīng)力，同時(shí)觀測長鋼軌(I)上各測點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)，直到測得的應(yīng)力大小等于預(yù)加應(yīng)力值時(shí)，將長鋼軌的扣件組(3)按照標(biāo)準(zhǔn)鎖緊扭矩鎖定，同時(shí)保持鋼軌拉伸機(jī)(4)對(duì)鋼軌預(yù)應(yīng)力的施加狀態(tài)； 3)獲取鋼軌斷裂縱向力數(shù)據(jù) 首先開始采集長鋼軌(I)上各測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)；然后將鋼軌拉伸機(jī)(4)停止拉伸，釋放鋼軌拉伸機(jī)(4)對(duì)長鋼軌(I)施加的預(yù)應(yīng)力；待預(yù)應(yīng)力釋放結(jié)束且鋼軌狀態(tài)穩(wěn)定后，記錄預(yù)應(yīng)力釋放后長鋼軌(I)上各測點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)，獲得在一定軌溫變化幅值下鋼軌斷裂的縱向力分布值。
全文摘要
本發(fā)明測量鐵路鋼軌斷裂縱向力分布的實(shí)驗(yàn)方法涉及鐵路安全檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鐵路鋼軌斷裂縱向力分布規(guī)律測量的實(shí)驗(yàn)方法。該方法采用對(duì)鋼軌預(yù)加應(yīng)力再釋放來模擬鋼軌斷裂時(shí)的狀態(tài)變化，并通過測力傳感器組測量鋼軌預(yù)應(yīng)力釋放前后的鋼軌縱向力分布，獲得鋼軌斷裂縱向力分布規(guī)律；首先在一定長度軌道的長鋼軌上安裝測力傳感器組，然后將長鋼軌的扣件完全松開，并利用鋼軌拉伸機(jī)對(duì)長鋼軌施加一定的預(yù)應(yīng)力，再將長鋼軌的扣件鎖定，最后釋放預(yù)應(yīng)力，通過傳感節(jié)點(diǎn)組和測力傳感器組采集鋼軌應(yīng)力數(shù)據(jù)，用無線網(wǎng)關(guān)將該數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，獲得鋼軌斷裂后縱向力分布規(guī)律。該方法可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、可控、低成本的鋼軌斷裂縱向力分布的實(shí)驗(yàn)。
文檔編號(hào)G01L5/00GK102721501SQ20121019935
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者任同群, 劉沖, 宋曉偉, 戴恒震, 梁軍生, 王大志, 王珂, 王立鼎, 薛松 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)