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基于超声应力检测的钢轨锁定轨温测定

2018-11-07邸锦玉

铁道建筑 2018年9期
关键词:扣件环境温度常数

邸锦玉

(中国铁路北京局集团有限公司 保定工务段,河北 保定 071000)

钢轨接头是线路的薄弱环节,列车通过时会产生冲击和振动。无缝线路减少了接头数量,从而降低了列车运行噪声,提高了平稳性,在我国高速铁路的建造中大量应用。无缝线路是把不钻孔、不淬火的25 m长钢轨,在基地用气压焊或接触焊焊接成200~500 m的长轨道,再运到铺设地点焊接成 1 000~2 000 m 的长度铺设而成的。

由于无缝线路钢轨较长,温度应力和变形产生的应力交汇作用容易引起断轨或胀轨,必须采用相应的维护措施[1-3]。

为防止断轨或胀轨采用较多的是观测桩法和应力放散(横向加力)法。观测桩法观测结果精度低;而应力放散法须松开扣件,费时费力,需要的维修天窗时间较长。一般通过观测桩法的测量结果判定是否应进行应力放散[4-6]。

超声波法是一种无损检测法,不仅能够探伤,而且能够测钢轨残余应力,同时对于其他原因产生的应力也能够测量。2012年,意大利的Rossini对比分析各种检测方法后认为,超声波法是应力测定发展方向上最有前途的技术之一[7-10]。

在无缝钢轨的检测中引入超声波法,能够迅速、精确地测定钢轨的纵向应力,进而得到实时的锁定轨温,为运营安全提供保证。

1 超声波测量原理

折射纵波法的原理是在发射端通过楔块激励出临界折射纵波(LCR),在被测物体(钢轨)表面纵向传播后,通过接收探头接收折射纵波(见图1),进而分析得到钢轨的应力状态。

图1 超声波法测量原理

根据声波原理,LCR波沿着应力方向传播时波速和应力的关系式为

(1)

式中:v为LCR波的传播速度;σ为材料(钢轨)应力值(正值为拉应力,负值为压应力);ρ0为材料(钢轨)的密度;λ,μ,m为材料的二阶弹性常数;l为材料的三阶弹性常数。

对式(1)分别求导可以得到声速变化和应力变换的关系为

(2)

式中:dσ为应力的变化量;dv为LCR波传播速度的变化量;v0为零应力条件下LCR波的传播速度;K为声弹性常数。

由式(2)可知,在同一材料的固定传播距离内,应力变化与声速变化的关系可简化为

dσ=σ-σ0=K0dt=K0(t-t0)

(3)

σ=K0(t-t0)

(4)

式中:t0为零应力条件下LCR波固定距离的传播时间;K0为应力常数,K0=2/Kt0。

由式(4)可知,通过测量LCR波在钢轨测量时刻的持时t,即可计算出对应的应力值σ。

2 现场试验与结果分析

在石家庄工务段提供的测试线路上,选取一段试验钢轨。在轨道顶部安放轨温计,通过人工读取轨顶的实际轨温,同时利用超声波测量此温度下钢轨的应力值,并转换为实时的锁定轨温。

现场试验在2017年6月17,18日实施。这两天的天气为晴天,风速为微风。采用24 h不间断测量,在超声波测试的同时记录环境温度和轨温。

图2为环境温度随时间变化曲线,图3为测定的轨温随时间变化曲线。

图3 轨温随时间变化曲线

对比图2和图3可知二者密切相关,低温点一般在凌晨04:00点左右,高温点在下午14:00点左右。在环境温度变化为10 ℃时,轨温的变化幅度可达30 ℃,轨温的变化幅度远远大于环境温度。主要原因是钢材的吸热和散热不仅受到环境温度的影响,而且受到日照等其他因素的影响。

超声波测量钢轨应力前,通过试验室测定钢轨的应力常数K0值,然后用退火后的钢轨(材料和现场测试的钢轨同材质)标定初始值t0。在现场测量时,利用差值和初始值,可以得到测定时刻的钢轨应力,其随时间变化曲线见图4。

图4 钢轨应力随时间变化曲线

已知本段线路的初始锁定轨温为27 ℃,轨道变形等其他因素对应力的影响较小。可以看出钢轨内部残余应力不大,拉应力最大值为50 MPa,压应力最大值为-13 MPa。由于温度应力幅值相对较小,钢轨强度远大于温度应力,能够安全可靠地使用。

环境温度的变化一般钢轨能够正常承受。轨道中产生的断轨、胀轨主要是其他因素如变形等产生的,变形产生的应力激增会使轨道的安全受到影响,一般可以通过变形、应力反映出来,故通过测试轨道的内部应力可以判断轨道的安全状态。一般轨道维护时采用的应力放散法是通过温度进行判定。如果初始锁定轨温为27 ℃,测定的锁定轨温和此值的差别过大,则有可能出现断轨、胀轨,就需要松开钢轨的扣件,并对轨道进行切割等相应操作。

为了和实际的放散法操作进行对比,也可以把应力转换为测定的锁定轨温。即

Δs=Δg-σ/2.48

(5)

式中:Δs为测定的锁定轨温;Δg为轨温;常数2.48反映的是单位温度(1 ℃)变化在钢轨中产生的应力值2.48 MPa[5]。

故通过超声波测定的轨道应力可以转换为锁定轨温,见图5。锁定轨温最小值为26 ℃,最大值为 32 ℃。当假定扣件固定钢轨为绝对刚性状态的理想情况时,该应力都是由温度产生的,故通过式(5)计算的一天(甚至是一段时间)锁定轨温为定值。但是实测的结果非定值,证明扣件在轨道纵向拉压时,固定不是绝对刚性的,而是一种弹性支座的状态。

图5 钢轨锁定轨温

通过超声波法可以测定轨道应力,将其转换为锁定轨温后可以判定钢轨的应力状态,在拉压应力较大或锁定轨温和初始锁定轨温差别较大时,应采取措施防止胀轨和断轨。超声波法能够测量由温度应力、残余应力、轨道变形等共同产生的应力,进而可以判定轨道的安全状态。

3 结论

1)无缝钢轨的轨温和环境温度密切相关。

2)环境温度和轨温在凌晨04:00左右最低,在下午14:00左右最高。

3)利用超声波法能够测定钢轨的应力,进而结合轨道温度转换为锁定轨温,作为轨道安全状况的判定指标。

4)由扣件、防爬设施固定的钢轨是可以产生微小位移的,而不是绝对的刚性固定。

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