鋼軌應(yīng)力的超聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

姬冠妮

摘? 要：在分析了超聲波在鋼軌上的傳播和衰減特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)高鐵軌道應(yīng)力的超聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。鋼軌中超聲波傳播速度與應(yīng)力是線性關(guān)系，通過(guò)測(cè)量鋼軌上超聲波的傳播速度，計(jì)算出鋼軌所受的應(yīng)力，對(duì)研究高鐵軌道的受力與變化有實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：軌道;應(yīng)力;超聲波;監(jiān)測(cè)

1? 引言

列車運(yùn)行過(guò)程中會(huì)不斷與鋼軌發(fā)生沖擊、彎曲、擠壓與摩擦作用，鋼軌在這些應(yīng)力的重復(fù)作用下，極易出現(xiàn)疲勞裂紋，而疲勞裂紋但凡出現(xiàn)后便會(huì)快速的擴(kuò)展，進(jìn)而引發(fā)鋼軌斷裂和交通事故[1]。所以保證鋼軌安全運(yùn)輸?shù)闹饕胧┲痪褪情_(kāi)展鋼軌探傷及應(yīng)力檢測(cè)，因而及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理所存在的安全隱患就顯得至關(guān)重要。超聲臨界折射縱波對(duì)應(yīng)力最敏感，并且沿著被測(cè)試樣表面及亞表面?zhèn)鞑ィm用于檢測(cè)表面及亞表面的應(yīng)力。本文提出高速軌道應(yīng)力的超聲監(jiān)測(cè)，可長(zhǎng)時(shí)間在線監(jiān)測(cè)高速軌道應(yīng)力的變化。系統(tǒng)具有算法便捷、硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、小型實(shí)用、性價(jià)比高。

2 軌道中超聲波傳播特性分析

2.1軌道中超聲波傳播

假定：平面聲波，沿x方向傳播，鋼軌上傳播超聲波符合以下波動(dòng)方程：

（6）

其中：P-聲壓，v-質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，t-時(shí)間，c為速度常量（與鋼軌密度及彈性系數(shù)有關(guān)）

2.2超聲的衰減

超聲強(qiáng)度隨傳播距離增加而減弱的現(xiàn)象，稱超聲衰減。超聲衰減的原因是由擴(kuò)散、散射和吸收造成的。平面波在鋼軌中傳播時(shí)，近似有指數(shù)型關(guān)系

（11）

（12）

β—鋼軌的超聲衰減常數(shù)。式中，P0 —x=0處的聲壓有效值

3 超聲波高鐵軌道監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

3.1 高鐵軌道應(yīng)力

由于高速軌道是無(wú)縫連接，炎熱的夏天會(huì)有較大的壓應(yīng)力，而在寒冷的冬天則會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。全國(guó)各地的中和溫度Tn不同，南方高，北方低，中和溫度對(duì)應(yīng)的軌道應(yīng)力為0，溫度每升高1度，軌道應(yīng)力增加約為2.5MPa。怎樣測(cè)量鋼軌的應(yīng)力，并通過(guò)應(yīng)力的變化來(lái)判斷鋼軌的狀態(tài)是本文的主要內(nèi)容[3]。

3.2? 方案設(shè)計(jì)

超聲波在軌傳播速度測(cè)量依據(jù)速度=距離/時(shí)間，設(shè)計(jì)硬件電路測(cè)量超聲波在一定距離上傳播的時(shí)間，從而獲得傳輸速度。設(shè)備發(fā)射端控制電路同時(shí)發(fā)射無(wú)線數(shù)傳和超聲波兩路信號(hào)。發(fā)端無(wú)線數(shù)傳發(fā)射啟動(dòng)信號(hào)，與此同時(shí)，發(fā)射端啟動(dòng)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生30KHZ超聲波信號(hào);收端無(wú)線數(shù)傳接收無(wú)線信號(hào)，收端超聲傳感器采集鋼軌傳輸?shù)某暡ㄐ盘?hào)[4]。計(jì)算出收發(fā)兩端超聲波的傳輸時(shí)間，自動(dòng)計(jì)算出超聲波的傳播速度。

3.3? 項(xiàng)目實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

1）信號(hào)傳播波形分析（收發(fā)遠(yuǎn)距離采集信號(hào)）

超聲產(chǎn)生器和超聲波傳感器放置點(diǎn)相差X距離。收端采集到的無(wú)線傳輸信號(hào)和超聲信號(hào)波形。

2）超聲傳輸時(shí)間測(cè)量

速度測(cè)量設(shè)備的軟件程序?qū)崿F(xiàn)以下功能，當(dāng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮斩藭r(shí)，單片機(jī)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)鋼軌傳輸?shù)浇邮斩藭r(shí)，結(jié)束計(jì)時(shí)，從而記錄超聲波在軌傳播時(shí)間。

3.4? 高速軌道應(yīng)力變化規(guī)律

高速軌道應(yīng)力的超聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在北京易莊路段進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，系統(tǒng)每2秒鐘給出一個(gè)超聲波速度值并自動(dòng)計(jì)算出應(yīng)力值，將典型時(shí)間的軌道應(yīng)力列表如表1，24小時(shí)應(yīng)力變化曲線如圖4。測(cè)試條件：中和溫度Tn=120℃，最高氣溫Th=180℃，最低氣溫Tl=50℃。

測(cè)試數(shù)據(jù)如表1：

4? 軌道應(yīng)力的監(jiān)測(cè)與分析

正常條件下，軌道應(yīng)力變化應(yīng)為變形正弦曲線，由于各地日出時(shí)間不同，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力曲線也不同，但曲線的形狀是類似的。曲線的上升弧時(shí)間短（本例中6時(shí)至14時(shí)8小時(shí)），下降弧長(zhǎng)（14時(shí)至次日6時(shí)16小時(shí)）。從曲線可見(jiàn)，應(yīng)力變化較快的是曲線的上升弧，應(yīng)力變化越快越容易引起鋼軌發(fā)生“形變”[4]。激烈變化的熱潮且發(fā)生在14時(shí)左右，可造成鋼軌壓應(yīng)力出現(xiàn)極大值，出現(xiàn)嚴(yán)重脹軌現(xiàn)象，是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)期;激烈變化的寒流且發(fā)生在凌晨，出現(xiàn)嚴(yán)重縮軌現(xiàn)象，是形成斷軌最大可能時(shí)期，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。溫差變化較大的環(huán)境下，需要消除溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，可以在應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中加入溫度補(bǔ)償，消除溫度變化對(duì)鋼軌的影響。

在軌道應(yīng)力測(cè)量分析系統(tǒng)中預(yù)存當(dāng)?shù)豍-V圖表和鋼軌的應(yīng)力曲線。當(dāng)?shù)禺?dāng)日的平均溫度T0高于中和溫度Tn，與T0相對(duì)應(yīng)的軌道應(yīng)力為P0=2.5（T0-Tn）MPa，則圖4的鋼軌應(yīng)力曲線將上移P0MPa，曲線的形狀不變。對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)的坐標(biāo)曲線，對(duì)比歷史記錄曲線，找出曲線變化點(diǎn)，分析應(yīng)力變化原因。參考當(dāng)?shù)貧夂颉鉁亍⒘熊囘\(yùn)行次數(shù)，周邊環(huán)境影響，利用分析軟件，對(duì)軌道狀態(tài)做出判斷。

5? 結(jié)語(yǔ)

由于超聲波從軌腰饋入，近似成簡(jiǎn)諧平面波，超聲波的衰減也近似為隨超聲波頻率f和傳播距離x呈指數(shù)型衰減，得出的結(jié)論對(duì)超聲波軌道應(yīng)力監(jiān)測(cè)有指導(dǎo)意義。給出了超聲波縱波在鋼軌中的傳播速度與應(yīng)力的關(guān)系和變化規(guī)律。在實(shí)際高鐵軌道上測(cè)得了時(shí)間與應(yīng)力日變化曲線。

參考文獻(xiàn)

[1]? 張銀花，周清躍，陳朝陽(yáng)等.中國(guó)高速鐵路用鋼軌的質(zhì)量現(xiàn)狀及分析[J].鋼鐵，2011，46（12）：1-9

[2]? 羅雁云，唐吉意，陸可人等.焊接鋼軌軌腰殘余應(yīng)力特性分布研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2017，46（7）：82-85

[3]? 王立鼎，岳國(guó)棟，徐征，劉沖，陳義等.面向高鐵鋼軌應(yīng)力廣域監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)及性能測(cè)試[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2015，45（11）：16-22

[4]? 曾興斌，張青波，翁正國(guó)等.國(guó)內(nèi)超聲波技術(shù)的新進(jìn)展[J]聲學(xué)技術(shù)，2017，36（6）：31-35