無縫線路鋼軌實際鎖定軌溫超聲法測量研究

岳國軍

(中國鐵路北京局集團有限公司 唐山工務(wù)段，河北 唐山 064000)

無縫線路在帶來社會發(fā)展和出行便利的同時，仍然存在著許多隱患。這種隱患主要來源于鋼軌的內(nèi)部應(yīng)力，鋼軌內(nèi)部拉應(yīng)力過大或者壓應(yīng)力過大都會出現(xiàn)問題，比如斷軌、脹軌、裂紋及疲勞等[1-2]，往往會導(dǎo)致交通事故的發(fā)生，造成極大損失。產(chǎn)生鋼軌內(nèi)應(yīng)力的因素一般有3種，殘余應(yīng)力、溫度應(yīng)力和工作應(yīng)力，其中溫度應(yīng)力的影響尤為重要[3-4]，在長時間溫度積累的過程中，溫度應(yīng)力會對鋼軌內(nèi)部造成十分嚴(yán)重的影響。由此需要對鋼軌的內(nèi)部溫度應(yīng)力與線路的實際鎖定軌溫進行定時檢測與排查，以維護鋼軌安全，減少線路事故的發(fā)生。

目前鐵路系統(tǒng)大多采用觀測樁等傳統(tǒng)方法對鋼軌的鎖定軌溫進行測定[5-7]，但這些方法作業(yè)人員數(shù)量多，耗時長，受人為影響較大，費時費力。為能夠?qū)崿F(xiàn)無縫線路實際鎖定軌溫的準(zhǔn)確快速測量，新的方法不斷出現(xiàn)[8-9]。基于超聲無損檢測聲彈性原理，分析固定聲程內(nèi)聲時差的變化,進而得到鋼軌應(yīng)力值，利用溫度應(yīng)力、實時軌溫和設(shè)計鎖定軌溫的關(guān)系,計算實際鎖定軌溫。搭建多通道超聲波鋼軌應(yīng)力檢測系統(tǒng)，對鋼軌實施壓載試驗,確定理想的檢測頻率與位置。在現(xiàn)場選定一段試驗線進行溫度應(yīng)力超聲法與應(yīng)變片測試對比研究，獲取了溫度應(yīng)力與超聲測量值的對應(yīng)關(guān)系。最后開展超聲法在現(xiàn)場的測試與驗證，結(jié)果表明測量值與實際情況相符，滿足鎖定軌溫準(zhǔn)確快速測量的工程需要。

1 實際鎖定軌溫超聲測量原理

1.1 超聲波鋼軌應(yīng)力檢測理論

聲彈性理論研究彈性波傳播速度與應(yīng)力之間的關(guān)系，是超聲法應(yīng)力檢測的主要依據(jù)。鋼軌材質(zhì)滿足聲彈性效應(yīng)的4個基本假設(shè)，因此可以利用聲速的變化計算出鋼軌應(yīng)力的大小[10]。通過縱波、橫波、導(dǎo)波等不同模式超聲波對不同應(yīng)力狀態(tài)鋼軌的敏感度分析可得，選擇一發(fā)一收斜入射方式在鋼軌次表面產(chǎn)生臨界折射縱波(Lcr波)最利于鋼軌的應(yīng)力檢測[11-12]。

在零應(yīng)力條件下，超聲Lcr波在零應(yīng)力鋼軌中的傳播速度表示為

(1)

式中，ρ0為鋼軌密度;λ和μ為鋼軌二階彈性常數(shù)。

沿著應(yīng)力方向傳播的Lcr波聲速與應(yīng)力之間的關(guān)系[13]

(2)

式中，vl為鋼軌受應(yīng)力狀態(tài)時Lcr波聲速;l和m為鋼軌三階彈性常數(shù);σ為應(yīng)力值。

式(1)和式(2)結(jié)合，可得

(3)

式中，k為聲彈性系數(shù)[14]。

(4)

由此推出，Lcr波傳播速度的變化值與應(yīng)力變化值的關(guān)系

(5)

式中，dσ為應(yīng)力的改變量;dvl為Lcr波速度的改變量。

由式(5)可得，超聲Lcr波沿著應(yīng)力方向傳播的聲速變化與應(yīng)力變化量成對應(yīng)關(guān)系，在一定條件下標(biāo)定出鋼軌零應(yīng)力聲速，通過測量服役鋼軌的實際聲速，就可以計算出鋼軌在聲傳播方向上的應(yīng)力大小。

考慮到在溫差較大時鋼軌彈性常數(shù)也會發(fā)生變化，導(dǎo)致對應(yīng)力檢測結(jié)果產(chǎn)生干擾，可采取分溫度段標(biāo)定的辦法，在現(xiàn)場采集軌溫并調(diào)取鋼軌該溫度下最接近的零應(yīng)力波形庫數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的誤差修正和現(xiàn)場擬合，最終計算得到鋼軌應(yīng)力。

1.2 鎖定軌溫的超聲測量

根據(jù)測標(biāo)法基本原理，t時刻鋼軌的實際鎖定軌溫[15]

(6)

式中，TR為t時刻鋼軌溫度;σL為鋼軌縱向應(yīng)力;E=2.1×105MPa(鋼軌的彈性模量);α=11.8με/℃(鋼軌的熱膨脹系數(shù))。

但在具體測量時，一般需要對應(yīng)變值清零，并記錄清零時刻t0的軌溫T0。在t時刻實際鎖定軌溫發(fā)生的變化量

(7)

則t時刻實際鎖定軌溫

TN=TN0+ΔT

(8)

式中，TN0為清零時刻t0時的鎖定軌溫，通常為線路的設(shè)計鎖定軌溫，是記錄存檔的已知量。

2 檢測系統(tǒng)的搭建與鋼軌壓載試驗

2.1 多通道鋼軌應(yīng)力超聲波檢測系統(tǒng)

多通道鋼軌應(yīng)力超聲波檢測系統(tǒng)的組成如圖1所示，其核心包括：工控主機、多路超聲信號采集模塊、鋼軌應(yīng)力檢測探頭、軌溫傳感器和采集模塊、外圍設(shè)備(如定位塊、信號傳輸線、耦合劑等)以及應(yīng)力解算與標(biāo)定軟件。

圖1 多通道鋼軌應(yīng)力超聲波檢測系統(tǒng)組成框圖

多路超聲信號采集模塊的組成如圖2所示，其超聲激勵模塊能產(chǎn)生9路信號，用于同時檢測鋼軌不同位置的應(yīng)力狀態(tài)。每路發(fā)射換能器以一定的入射角度將超聲波入射到鋼軌內(nèi)，使得鋼軌次表面激勵出Lcr波并傳播一定距離，之后每路接收換能器檢測到Lcr波信號并將其傳回超聲信號采集模塊，工控主機調(diào)取每路Lcr波接收信號，通過應(yīng)力解算軟件求解得到鋼軌應(yīng)力值。

圖2 多路超聲信號采集模塊組成原理圖

2.2 檢測探頭頻率及理想檢測點確定

為研究不同頻率探頭檢測鋼軌應(yīng)力的可行性，采用一截600 mm長、U75V材質(zhì)的60型鋼軌分別對5、4、2.5、1.5、1 MHz共5種頻率的探頭進行試驗，尋找最佳效果探頭的頻率及理想檢測點。圖3為超聲探頭與應(yīng)變片測試位置圖。圖4為超聲與應(yīng)變片應(yīng)力檢測試驗現(xiàn)場。

圖3 超聲探頭與應(yīng)變片的布置

圖4 超聲與應(yīng)變片應(yīng)力檢測試驗現(xiàn)場

根據(jù)華北平原的溫差特性，以線路鎖定軌溫27 ℃為零應(yīng)力，夏天鋼軌溫度最高零上80 ℃、冬天鋼軌溫度最低零下30 ℃計算，鋼軌最大的溫差載荷為120 t。試驗時給出一定余量，最大加載力選擇180 t。力加載方向為沿鋼軌縱向，加載噸位以每20 t為一個步進，直至加載到最大噸位后卸載，以此模擬不同溫差條件。鋼軌9個點分別采用應(yīng)變片、超聲波及理論計算得出應(yīng)力值。各點各載荷力的超聲應(yīng)變偏差率

(9)

式中，σu為超聲檢測應(yīng)力值；σy為應(yīng)變片測量應(yīng)力值。

通過對比偏差率可得，超聲探頭頻率2.5 MHz時，其檢測結(jié)果與應(yīng)變片測量值偏差最小，說明該頻率段最適合鋼軌縱向應(yīng)力的檢測。鋼軌軌頂位置能反映鋼軌的受力狀態(tài)，試驗效果較為理想，且工況條件下軌頂位置滿足測試要求。圖5為加載力140 t時，采用2.5 MHz超聲探頭檢測3次平均后各測點測量的應(yīng)力值分布網(wǎng)狀圖。圖6為0～180 t加載過程中各點超聲應(yīng)力測量值。

圖5 140 t時各點應(yīng)力值(單位：MPa)

試驗中還發(fā)現(xiàn)，對稱布置點的測量值不一定相同，如圖5中2、9及5、6對稱測點的應(yīng)力值存在較為明顯差異，其主要原因是鋼軌壓載面并不是絕對的平面，可能在截斷后由于殘余應(yīng)力的釋放造成微小翹曲，導(dǎo)致壓載偏心，產(chǎn)生一定的應(yīng)力梯度，而應(yīng)變片法和超聲法測量的是鋼軌表面和次表面應(yīng)力，由此造成了對稱點測量數(shù)據(jù)的不同。

3 溫度應(yīng)力超聲與應(yīng)變片測試對比分析

依據(jù)工務(wù)段提供的可供測試線路，選取一段500 m無縫線路直線段(設(shè)計鎖定軌溫為27 ℃)開展溫度應(yīng)力超聲法與應(yīng)變片測試對比研究，以驗證無縫線路鋼軌溫度應(yīng)力超聲檢測的可行性并取得相關(guān)測試參數(shù)，為實際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

圖7 試驗線路截面的選取及各截面應(yīng)變片布置

在試驗段內(nèi)，選取9個截面，每個截面分別在軌頂、軌頂側(cè)面、軌腰及軌底選取7個測試位置，如圖7所示。采用溫度自補償應(yīng)變片和補償塊法測量鋼軌受約束未能產(chǎn)生的應(yīng)變。應(yīng)變片測試為連續(xù)不間斷自動采集方法，每秒采集一次。利用多通道鋼軌應(yīng)力超聲波檢測系統(tǒng)檢測各截面軌頂溫度應(yīng)力。根據(jù)軌溫計顯示的軌道溫度變化，完整測試每天從低溫到高溫，再到低溫完整的溫度變化過程。軌溫每變化1 ℃超聲檢測一次。

從應(yīng)變片隨時間變化特征看，各截面的各測點應(yīng)變每天的變化遵循相同規(guī)律，即在早上5點到8點之間應(yīng)變值達到受拉最大值，表示鋼軌溫度應(yīng)力受拉達到最大；而下午2點到5點之間，應(yīng)變值達到受壓最大值，表示鋼軌溫度應(yīng)力受壓達到最大。圖8為截面2的應(yīng)變片應(yīng)變隨時間變化情況。

圖8 截面2應(yīng)變片應(yīng)變隨時間變化圖(對各對稱測點取均值)

以27 ℃的鎖定軌溫為零應(yīng)力點，橫坐標(biāo)為溫度增量(軌溫高于27 ℃為正，低于27 ℃為負)，縱坐標(biāo)為溫度應(yīng)力，繪出因溫度增減所引起的溫度應(yīng)力變化曲線。圖9分別為截面2應(yīng)變片與超聲測的溫度應(yīng)力變化散點圖及擬合曲線。通過對比分析可得，2種方法均表現(xiàn)出較強的線性關(guān)系，可通過超聲測量值反映出鋼軌實際溫度應(yīng)力狀態(tài)。

圖9 截面2溫度應(yīng)力隨溫度變化散點圖及擬合曲線

4 實際鎖定軌溫超聲法測量的現(xiàn)場驗證

選取新建的石家莊到濟南客運專線石家莊東站作為測試現(xiàn)場，石濟線設(shè)計鎖定軌溫28 ℃。在車站開通前，采用超聲法實測站內(nèi)鎖軌溫度，圖10為現(xiàn)場測試圖片。測量采用2種方法：方法一是測點分布在一定區(qū)域，選取不同位置進行測試；方法二是測點固定在某一位置，進行不同溫度下測試。第一種方法測量位置為K19 km+100 m到K19 km+180 m，每隔10 m選取上行左、右股和下行左、右股4個位置，圖11(a)為其測量結(jié)果。第二種方法測試位置為K19 km+190 m處下行右股道，圖11(b)為其測量結(jié)果。

圖10 東站鎖定軌溫超聲法現(xiàn)場測量

圖11 東站鎖定軌溫超聲法現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)

從數(shù)據(jù)結(jié)果來看，方法一測量的平均值為27.6 ℃，方法二為27.2 ℃。2種方法實測的鎖定軌溫變化范圍均在28 ℃附近，誤差不超過±1.5 ℃，驗證了超聲法實際鎖定軌溫測量的準(zhǔn)確性可以滿足工程需要。

5 結(jié)語

伴隨我國鐵路的高速發(fā)展，鐵路無縫線路里程日益增加，以鎖定軌溫為重要參數(shù)的線路維護與維修任務(wù)日益繁重，人力、物力、財力的投入日益加大，如何打破傳統(tǒng)檢測鎖定軌溫的方法，實現(xiàn)無縫線路實際鎖定軌溫準(zhǔn)確快速測量，減少成本支出成為鐵路工務(wù)部門迫切需要解決的問題?；诖耍瑢⒊昄cr波應(yīng)用到無縫線路實際鎖定軌溫的檢測中，通過理論分析、試驗數(shù)據(jù)擬合與參數(shù)提取，最終實現(xiàn)了鋼軌鎖定軌溫的快速無損檢測。每測點檢測時間1～2 min，不需拆除扣件或者埋設(shè)觀測樁，現(xiàn)場1～2人即可完成檢測任務(wù)，檢測誤差小，應(yīng)用效果良好，為解決實際鎖定軌溫測量的問題提供了新方案。