應(yīng)變電測法監(jiān)測無縫線路實際鎖定軌溫的變化*

張 海, 劉 沖,2, 王大志,2, 張志新,2， 任同群,2， 梁軍生,2

(1.大連理工大學(xué) 遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點(diǎn)實驗室，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實驗室，遼寧 大連 116024)

0 引 言

鎖定軌溫是無縫線路的零應(yīng)力軌溫，是鋼軌在鋪設(shè)之前根據(jù)線路通過地區(qū)的溫度條件來計算的，可分為施工鎖定軌溫和實際鎖定軌溫。施工鎖定軌溫是無縫線路在鋪設(shè)時鋼軌被扣件鎖定時的溫度。鎖定軌溫在無縫線路運(yùn)營過程中可能發(fā)生變化，因此,用實際鎖定軌溫來表示實際零應(yīng)力狀態(tài)的軌溫。

無縫線路的實際鎖定軌溫與鋼軌溫度之差決定了鋼軌中的縱向溫度力大小，縱向溫度力過大，可能導(dǎo)致鋼軌脹曲甚至被拉斷的危險，嚴(yán)重威脅無縫線路的行車安全[1]。為此，國內(nèi)外對實際鎖定軌溫測量儀器和方法進(jìn)行了廣泛的研究，主要有測標(biāo)法[2]、偏向加載法[3]、觀測樁法[4]、聲彈法[5]和應(yīng)變電測法等。其中測標(biāo)法和觀測樁法是分別通過標(biāo)尺和觀測樁直接測量鋼軌的爬行位移來監(jiān)測的，在國內(nèi)取得了廣泛的應(yīng)用,但是,此法耗費(fèi)時間和人力較多。偏向加載法是先松開一定的鋼軌扣件再對該鋼軌施加一定的橫向力或垂向力，然后通過測量該力和鋼軌產(chǎn)生的偏向位移關(guān)系來測量的，但是，此法難以實現(xiàn)在線長期監(jiān)測。聲彈法是通過根據(jù)金屬中的應(yīng)力和內(nèi)部超聲波聲速發(fā)生變化的關(guān)系原理來進(jìn)行測定的，目前還沒有取得廣泛的應(yīng)用。應(yīng)變電測法是將應(yīng)變片或應(yīng)變傳感器粘貼在被測件表面，通過測量的鋼軌應(yīng)變和溫度關(guān)系來解算鋼軌的實際鎖定軌溫[6]，美國QinetiQ North America公司的Intelligent Rail Integrity System (IRIS)采用應(yīng)變電測法，這種系統(tǒng)仍處于研究階段。

本文采用應(yīng)變電測法監(jiān)測無縫線路的實際鎖定軌溫的變化，在1 500 m長的實際無縫線路段的26處監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行傳感器的安裝布局，實現(xiàn)了一個月的在線監(jiān)測試驗，并對該試驗段不同路段的實際鎖定軌溫變化進(jìn)行了對比分析。

1 應(yīng)變電測法原理

如圖1所示，本文采用半橋測量法，測量片R1和補(bǔ)償片R2作相鄰橋臂,R3和R4是無線應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)內(nèi)的橋臂電阻器。應(yīng)變片R1測量被扣件鎖定的鋼軌縱向應(yīng)變，補(bǔ)償片粘貼在與鋼軌材料相同的補(bǔ)償塊上，用于測量無約束的鋼軌應(yīng)變。由半橋法原理可知,本文測量的是軌溫變化時鋼軌由于扣件阻礙作用未發(fā)生的應(yīng)變ε[7]。

圖1 半橋法測量鋼軌縱向應(yīng)變

如圖2所示，測量應(yīng)變片R1粘貼在鋼軌中性層和軌中交點(diǎn)處，敏感柵方向與鋼軌中性層縱向重合，裝有補(bǔ)償應(yīng)變片R2和溫度傳感器DS18B20補(bǔ)償塊粘貼在鋼軌中性層上。集成有無線測量節(jié)點(diǎn)的測量單元安裝在鋼軌中間位置。

圖2 傳感器安裝位置

本文按照以上方法監(jiān)測無縫鋼軌的縱向應(yīng)變和軌溫，采集數(shù)據(jù)之前對應(yīng)變節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變清零，再以無線傳感網(wǎng)的方式采集和傳輸應(yīng)變和溫度數(shù)據(jù)，最后通過式(1)[7,8]解算無縫線路實際鎖定軌溫的變化值

ΔT=T-T0+ε/α,

(1)

式中 ΔT為無縫線路鎖定軌溫的變化量；T為鋼軌溫度；T0為節(jié)點(diǎn)清零時的鋼軌溫度。

2 試驗方案

無縫線路試驗段自起點(diǎn)K6+447.13處至終點(diǎn)K8+014.87處總長1 500 m，有道岔區(qū)附近的無砟軌道段，無砟軌道與有砟軌道過渡段，有砟軌道段3個區(qū)域。共布局13處監(jiān)測位置，每處分左右股共26個監(jiān)測點(diǎn)，分別粘貼應(yīng)變片并安裝測量單元，共26個測量單元。傳感器系統(tǒng)布局方案如圖3所示。

圖3 試驗段的監(jiān)測傳感器系統(tǒng)

將測量單元與無線網(wǎng)成功組網(wǎng)后，先對無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)清零并記錄清零溫度T0，再設(shè)置節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集參數(shù),然后以無線傳感網(wǎng)方式采集和傳輸數(shù)據(jù)：由應(yīng)變片和溫度傳感器DS18B20分別采集應(yīng)變和軌溫，再由無線網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)保存至計算機(jī)數(shù)據(jù)庫，最后通過式(1)解算出實際鎖定軌溫的變化，數(shù)據(jù)傳輸流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸流程

3 試驗結(jié)果

3.1 鋼軌應(yīng)變與溫度數(shù)據(jù)分析

應(yīng)變電測法是測量鋼軌由于扣件和道床阻力作用而未能自由伸長的應(yīng)變。當(dāng)軌溫高于節(jié)點(diǎn)清零溫度時鋼軌發(fā)生膨脹,由于阻力作用未能伸長而受壓應(yīng)力;相反,則受拉應(yīng)力[5]。應(yīng)變和軌溫隨時間變化的趨勢和關(guān)系如圖5所示。從圖5中應(yīng)變隨軌溫變化擬合關(guān)系圖可以看出:應(yīng)變隨溫度變化具有較高的重復(fù)性，而且具有較好的線性關(guān)系。

圖5 鋼軌應(yīng)變與時間及軌溫變化關(guān)系

3.2 解算實際鎖定軌溫的變化

由無線節(jié)點(diǎn)采集得到的的軌溫T和應(yīng)變ε，再由式(1)即可解算出實際鎖定軌溫的變化值。圖6為試驗段起點(diǎn)處與中點(diǎn)處鋼軌同股實際鎖定軌溫變化對比，起點(diǎn)處左股為-12.8～+11.2 ℃，右股為-8.2～+3.7 ℃。試驗段中點(diǎn)處左股為-2.1～+2.3 ℃，右股為-2.5～+1.5 ℃。

圖6 試驗段起點(diǎn)與中點(diǎn)同股鋼軌實際鎖定軌溫變化對比

從上圖對比結(jié)果可以看出:起點(diǎn)處實際鎖定軌溫變化明顯大于中點(diǎn),這是因為試驗段道岔區(qū)起點(diǎn)附近有鋼軌接頭，鋼軌接頭為絕緣軌縫，軌縫寬度除去絕緣片的厚度普遍還有3～5 mm左右的縫隙，接頭附近的鋼軌可以隨軌溫變化而發(fā)生一定限度的位移[4]，鋼軌應(yīng)力得到釋放，實際鎖定軌溫的變化較大。圖7為起點(diǎn)處和中點(diǎn)處左右股實際鎖定軌溫變化對比。

圖7 試驗段起點(diǎn)與中點(diǎn)左右股鋼軌實際鎖定軌溫變化對比

3.3 左右股鋼軌實際鎖定軌溫差值

將同一位置的左右股鋼軌實際鎖定軌溫變化相減并取絕對值，得到該試驗段左右股鋼軌實際鎖定軌溫差值。為了比較這個差值在監(jiān)測時間內(nèi)的總體情況，將一個月的左右股鋼軌鎖定軌溫差值分別取最大值和平均值，如圖8所示，其中,K6+448.30～K6+578.10為位于臨近道岔區(qū)無砟軌道段，K6+578.10～K6+617.60為過渡段，K6+617.60～K8+0113.67為有砟軌道段。

圖8 左右股鎖定軌溫差對比

通過對比顯示:臨近道岔區(qū)的無砟軌道段鎖定軌溫差的變化為3.2～10.8 ℃，是無縫線路維修和養(yǎng)護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域，遠(yuǎn)離道岔區(qū)的過渡段和有砟軌道段平均變化小于3 ℃，符合鐵道標(biāo)準(zhǔn)對無縫線路左右股實際鎖定軌溫差值的規(guī)定[9]。

4 結(jié) 論

1)臨近道岔區(qū)的無縫線路段實際鎖定軌溫變化和左右股鋼軌鎖定軌溫差變化較大，是無縫線路維護(hù)和維修的重點(diǎn)區(qū)域。

2)遠(yuǎn)離道岔區(qū)的試驗段實際鎖定軌溫和左右股鋼軌鎖定軌溫差變化較小，相對穩(wěn)定，滿足鐵路維修規(guī)則中對鎖定軌溫變化的規(guī)定。

3)用應(yīng)變電測法監(jiān)測該試驗段實際鎖定軌溫的變化與試驗現(xiàn)場的實際情況相符合，具有一定的可靠性、穩(wěn)定性及可應(yīng)用性，對無縫線路軌道安全的長期在線監(jiān)測具有重要意義。

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