基于超聲應(yīng)力檢測(cè)的鋼軌鎖定軌溫測(cè)定

邸錦玉

(中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司 保定工務(wù)段,河北 保定 071000)

鋼軌接頭是線路的薄弱環(huán)節(jié)，列車通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)。無(wú)縫線路減少了接頭數(shù)量，從而降低了列車運(yùn)行噪聲，提高了平穩(wěn)性，在我國(guó)高速鐵路的建造中大量應(yīng)用。無(wú)縫線路是把不鉆孔、不淬火的25 m長(zhǎng)鋼軌，在基地用氣壓焊或接觸焊焊接成200～500 m的長(zhǎng)軌道，再運(yùn)到鋪設(shè)地點(diǎn)焊接成 1 000～2 000 m 的長(zhǎng)度鋪設(shè)而成的。

由于無(wú)縫線路鋼軌較長(zhǎng)，溫度應(yīng)力和變形產(chǎn)生的應(yīng)力交匯作用容易引起斷軌或脹軌，必須采用相應(yīng)的維護(hù)措施[1-3]。

為防止斷軌或脹軌采用較多的是觀測(cè)樁法和應(yīng)力放散(橫向加力)法。觀測(cè)樁法觀測(cè)結(jié)果精度低；而應(yīng)力放散法須松開(kāi)扣件，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，需要的維修天窗時(shí)間較長(zhǎng)。一般通過(guò)觀測(cè)樁法的測(cè)量結(jié)果判定是否應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力放散[4-6]。

超聲波法是一種無(wú)損檢測(cè)法，不僅能夠探傷，而且能夠測(cè)鋼軌殘余應(yīng)力，同時(shí)對(duì)于其他原因產(chǎn)生的應(yīng)力也能夠測(cè)量。2012年，意大利的Rossini對(duì)比分析各種檢測(cè)方法后認(rèn)為，超聲波法是應(yīng)力測(cè)定發(fā)展方向上最有前途的技術(shù)之一[7-10]。

在無(wú)縫鋼軌的檢測(cè)中引入超聲波法，能夠迅速、精確地測(cè)定鋼軌的縱向應(yīng)力，進(jìn)而得到實(shí)時(shí)的鎖定軌溫，為運(yùn)營(yíng)安全提供保證。

1 超聲波測(cè)量原理

折射縱波法的原理是在發(fā)射端通過(guò)楔塊激勵(lì)出臨界折射縱波(LCR)，在被測(cè)物體(鋼軌)表面縱向傳播后，通過(guò)接收探頭接收折射縱波(見(jiàn)圖1)，進(jìn)而分析得到鋼軌的應(yīng)力狀態(tài)。

圖1 超聲波法測(cè)量原理

根據(jù)聲波原理，LCR波沿著應(yīng)力方向傳播時(shí)波速和應(yīng)力的關(guān)系式為

(1)

式中：v為L(zhǎng)CR波的傳播速度；σ為材料(鋼軌)應(yīng)力值(正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力);ρ0為材料(鋼軌)的密度；λ,μ，m為材料的二階彈性常數(shù)；l為材料的三階彈性常數(shù)。

對(duì)式(1)分別求導(dǎo)可以得到聲速變化和應(yīng)力變換的關(guān)系為

(2)

式中：dσ為應(yīng)力的變化量；dv為L(zhǎng)CR波傳播速度的變化量；v0為零應(yīng)力條件下LCR波的傳播速度；K為聲彈性常數(shù)。

由式(2)可知，在同一材料的固定傳播距離內(nèi)，應(yīng)力變化與聲速變化的關(guān)系可簡(jiǎn)化為

dσ=σ-σ0=K0dt=K0(t-t0)

(3)

σ=K0(t-t0)

(4)

式中:t0為零應(yīng)力條件下LCR波固定距離的傳播時(shí)間；K0為應(yīng)力常數(shù),K0=2/Kt0。

由式(4)可知，通過(guò)測(cè)量LCR波在鋼軌測(cè)量時(shí)刻的持時(shí)t，即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值σ。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與結(jié)果分析

在石家莊工務(wù)段提供的測(cè)試線路上，選取一段試驗(yàn)鋼軌。在軌道頂部安放軌溫計(jì)，通過(guò)人工讀取軌頂?shù)膶?shí)際軌溫，同時(shí)利用超聲波測(cè)量此溫度下鋼軌的應(yīng)力值，并轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)的鎖定軌溫。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在2017年6月17，18日實(shí)施。這兩天的天氣為晴天，風(fēng)速為微風(fēng)。采用24 h不間斷測(cè)量,在超聲波測(cè)試的同時(shí)記錄環(huán)境溫度和軌溫。

圖2為環(huán)境溫度隨時(shí)間變化曲線，圖3為測(cè)定的軌溫隨時(shí)間變化曲線。

圖3 軌溫隨時(shí)間變化曲線

對(duì)比圖2和圖3可知二者密切相關(guān)，低溫點(diǎn)一般在凌晨04:00點(diǎn)左右，高溫點(diǎn)在下午14:00點(diǎn)左右。在環(huán)境溫度變化為10 ℃時(shí)，軌溫的變化幅度可達(dá)30 ℃，軌溫的變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)境溫度。主要原因是鋼材的吸熱和散熱不僅受到環(huán)境溫度的影響，而且受到日照等其他因素的影響。

超聲波測(cè)量鋼軌應(yīng)力前，通過(guò)試驗(yàn)室測(cè)定鋼軌的應(yīng)力常數(shù)K0值，然后用退火后的鋼軌(材料和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的鋼軌同材質(zhì))標(biāo)定初始值t0。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，利用差值和初始值，可以得到測(cè)定時(shí)刻的鋼軌應(yīng)力，其隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖4。

圖4 鋼軌應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

已知本段線路的初始鎖定軌溫為27 ℃，軌道變形等其他因素對(duì)應(yīng)力的影響較小。可以看出鋼軌內(nèi)部殘余應(yīng)力不大，拉應(yīng)力最大值為50 MPa，壓應(yīng)力最大值為-13 MPa。由于溫度應(yīng)力幅值相對(duì)較小，鋼軌強(qiáng)度遠(yuǎn)大于溫度應(yīng)力，能夠安全可靠地使用。

環(huán)境溫度的變化一般鋼軌能夠正常承受。軌道中產(chǎn)生的斷軌、脹軌主要是其他因素如變形等產(chǎn)生的，變形產(chǎn)生的應(yīng)力激增會(huì)使軌道的安全受到影響，一般可以通過(guò)變形、應(yīng)力反映出來(lái)，故通過(guò)測(cè)試軌道的內(nèi)部應(yīng)力可以判斷軌道的安全狀態(tài)。一般軌道維護(hù)時(shí)采用的應(yīng)力放散法是通過(guò)溫度進(jìn)行判定。如果初始鎖定軌溫為27 ℃，測(cè)定的鎖定軌溫和此值的差別過(guò)大，則有可能出現(xiàn)斷軌、脹軌，就需要松開(kāi)鋼軌的扣件，并對(duì)軌道進(jìn)行切割等相應(yīng)操作。

為了和實(shí)際的放散法操作進(jìn)行對(duì)比，也可以把應(yīng)力轉(zhuǎn)換為測(cè)定的鎖定軌溫。即

Δs=Δg-σ/2.48

(5)

式中：Δs為測(cè)定的鎖定軌溫;Δg為軌溫;常數(shù)2.48反映的是單位溫度(1 ℃)變化在鋼軌中產(chǎn)生的應(yīng)力值2.48 MPa[5]。

故通過(guò)超聲波測(cè)定的軌道應(yīng)力可以轉(zhuǎn)換為鎖定軌溫,見(jiàn)圖5。鎖定軌溫最小值為26 ℃，最大值為 32 ℃。當(dāng)假定扣件固定鋼軌為絕對(duì)剛性狀態(tài)的理想情況時(shí)，該應(yīng)力都是由溫度產(chǎn)生的，故通過(guò)式(5)計(jì)算的一天(甚至是一段時(shí)間)鎖定軌溫為定值。但是實(shí)測(cè)的結(jié)果非定值，證明扣件在軌道縱向拉壓時(shí)，固定不是絕對(duì)剛性的，而是一種彈性支座的狀態(tài)。

圖5 鋼軌鎖定軌溫

通過(guò)超聲波法可以測(cè)定軌道應(yīng)力，將其轉(zhuǎn)換為鎖定軌溫后可以判定鋼軌的應(yīng)力狀態(tài)，在拉壓應(yīng)力較大或鎖定軌溫和初始鎖定軌溫差別較大時(shí)，應(yīng)采取措施防止脹軌和斷軌。超聲波法能夠測(cè)量由溫度應(yīng)力、殘余應(yīng)力、軌道變形等共同產(chǎn)生的應(yīng)力，進(jìn)而可以判定軌道的安全狀態(tài)。

3 結(jié)論

1)無(wú)縫鋼軌的軌溫和環(huán)境溫度密切相關(guān)。

2)環(huán)境溫度和軌溫在凌晨04：00左右最低，在下午14：00左右最高。

3)利用超聲波法能夠測(cè)定鋼軌的應(yīng)力，進(jìn)而結(jié)合軌道溫度轉(zhuǎn)換為鎖定軌溫，作為軌道安全狀況的判定指標(biāo)。

4)由扣件、防爬設(shè)施固定的鋼軌是可以產(chǎn)生微小位移的，而不是絕對(duì)的剛性固定。