鋼軌應力的超聲監測系統

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上，設計高鐵軌道應力的超聲監測系統。鋼軌中超聲波傳播速度與應力是線性關系，通過測量鋼軌上超聲波的傳播速度，計算出鋼軌所受的應力，對研究高鐵軌道的受力與變化有實際意義。

關鍵詞：軌道;應力;超聲波;監測

1? 引言

列車運行過程中會不斷與鋼軌發生沖擊、彎曲、擠壓與摩擦作用，鋼軌在這些應力的重復作用下，極易出現疲勞裂紋，而疲勞裂紋但凡出現后便會快速的擴展，進而引發鋼軌斷裂和交通事故[1]。所以保證鋼軌安全運輸的主要措施之一就是開展鋼軌探傷及應力檢測，因而及時發現并處理所存在的安全隱患就顯得至關重要。超聲臨界折射縱波對應力最敏感，并且沿著被測試樣表面及亞表面傳播，適用于檢測表面及亞表面的應力。本文提出高速軌道應力的超聲監測，可長時間在線監測高速軌道應力的變化。系統具有算法便捷、硬件設計簡單、小型實用、性價比高。

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方程：

（6）

其中：P-聲壓，v-質點振動速度，t-時間，c為速度常量（與鋼軌密度及彈性系數有關）

2.2超聲的衰減

超聲強度隨傳播距離增加而減弱的現象，稱超聲衰減。超聲衰減的原因是由擴散、散射和吸收造成的。平面波在鋼軌中傳播時，近似有指數型關系

（11）

（12）

β—鋼軌的超聲衰減常數。式中，P0 —x=0處的聲壓有效值

3 超聲波高鐵軌道監測方案設計

3.1 高鐵軌道應力

由于高速軌道是無縫連接，炎熱的夏天會有較大的壓應力，而在寒冷的冬天則會產生拉應力。全國各地的中和溫度Tn不同，南方高，北方低，中和溫度對應的軌道應力為0，溫度每升高1度，軌道應力增加約為2.5MPa。怎樣測量鋼軌的應力，并通過應力的變化來判斷鋼軌的狀態是本文的主要內容[3]。

3.2? 方案設計

超聲波在軌傳播速度測量依據速度=距離/時間，設計硬件電路測量超聲波在一定距離上傳播的時間，從而獲得傳輸速度。設備發射端控制電路同時發射無線數傳和超聲波兩路信號。發端無線數傳發射啟動信號，與此同時，發射端啟動超聲波發生器產生30KHZ超聲波信號;收端無線數傳接收無線信號，收端超聲傳感器采集鋼軌傳輸的超聲波信號[4]。計算出收發兩端超聲波的傳輸時間，自動計算出超聲波的傳播速度。

3.3? 項目實測數據

1）信號傳播波形分析（收發遠距離采集信號）

超聲產生器和超聲波傳感器放置點相差X距離。收端采集到的無線傳輸信號和超聲信號波形。

2）超聲傳輸時間測量

速度測量設備的軟件程序實現以下功能，當無線數據傳輸到接收端時，單片機開始計時，超聲波信號經過鋼軌傳輸到接收端時，結束計時，從而記錄超聲波在軌傳播時間。

3.4? 高速軌道應力變化規律

高速軌道應力的超聲監測系統在北京易莊路段進行長時間測試，系統每2秒鐘給出一個超聲波速度值并自動計算出應力值，將典型時間的軌道應力列表如表1，24小時應力變化曲線如圖4。測試條件：中和溫度Tn=120℃，最高氣溫Th=180℃，最低氣溫Tl=50℃。

測試數據如表1：

4? 軌道應力的監測與分析

正常條件下，軌道應力變化應為變形正弦曲線，由于各地日出時間不同，對應的應力曲線也不同，但曲線的形狀是類似的。曲線的上升弧時間短（本例中6時至14時8小時），下降弧長（14時至次日6時16小時）。從曲線可見，應力變化較快的是曲線的上升弧，應力變化越快越容易引起鋼軌發生“形變”[4]。激烈變化的熱潮且發生在14時左右，可造成鋼軌壓應力出現極大值，出現嚴重脹軌現象，是重點監測時期;激烈變化的寒流且發生在凌晨，出現嚴重縮軌現象，是形成斷軌最大可能時期，應重點監測。溫差變化較大的環境下，需要消除溫度對測量結果的影響，可以在應力監測系統中加入溫度補償，消除溫度變化對鋼軌的影響。

在軌道應力測量分析系統中預存當地P-V圖表和鋼軌的應力曲線。當地當日的平均溫度T0高于中和溫度Tn，與T0相對應的軌道應力為P0=2.5（T0-Tn）MPa，則圖4的鋼軌應力曲線將上移P0MPa，曲線的形狀不變。對比數據庫的坐標曲線，對比歷史記錄曲線，找出曲線變化點，分析應力變化原因。參考當地氣候、氣溫、列車運行次數，周邊環境影響，利用分析軟件，對軌道狀態做出判斷。

5? 結語

由于超聲波從軌腰饋入，近似成簡諧平面波，超聲波的衰減也近似為隨超聲波頻率f和傳播距離x呈指數型衰減，得出的結論對超聲波軌道應力監測有指導意義。給出了超聲波縱波在鋼軌中的傳播速度與應力的關系和變化規律。在實際高鐵軌道上測得了時間與應力日變化曲線。

參考文獻

[1]? 張銀花，周清躍，陳朝陽等.中國高速鐵路用鋼軌的質量現狀及分析[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力特性分布研究[J].機械設計與制造工程，2017，46（7）：82-85

[3]? 王立鼎，岳國棟，徐征，劉沖，陳義等.面向高鐵鋼軌應力廣域監測的無線傳感網系統架構及性能測試[J].吉林大學學報（工學版），2015，45（11）：16-22

[4]? 曾興斌，張青波，翁正國等.國內超聲波技術的新進展[J]聲學技術，2017，36（6）：31-35