高铁轨道应力的超声监测*

姬冠妮 王 菲 肖蕾蕾

（1.西安交通工程学院中兴通信学院 西安 710300）（2.西安交通工程学院电气工程学院 西安 710300）

1 引言

铁路运输是我国不可或缺的一种运输方式，其运输的安全性是非常重要的［1］。城市轨道交通中钢轨是线路上部建筑中直接承受机车车辆各种荷载的部分。钢轨的质量、工作状态对整个线路的质量以及行车安全有着直接的影响。

列车运行过程中会不断与钢轨发生冲击、弯曲、挤压与摩擦作用，钢轨在这些应力的重复作用下，极易出现疲劳裂纹，而疲劳裂纹但凡出现后便会快速的扩展，进而引发钢轨断裂和交通事故［2］。所以保证钢轨安全运输的主要措施就是开展钢轨探伤及应力检测，因而及时发现并处理所存在的安全隐患就显得至关重要。

目前用于铁路钢轨在线应力检测还没有好的方法，本文提出高速轨道应力的超声监测，可长时间在线监测高速轨道应力的变化［3］。系统具有算法便捷、硬件设计简单、小型实用、性价比高。

2 轨道中超声波传播特性分析

2.1 轨道中超声波传播

假定：平面声波，沿x方向传播，钢轨上传播超声波符合以下波动方程［4］：

其中：p为声压，v为质点振动速度，t为时间，c为速度常量（与钢轨密度及弹性系数有关）。

由于超声波从轨腰馈入，近似成简谐平面波可写为

式中：k=ω/c=2π/λ为波数；ω=2πf为角频。

式（4）中，第一项x同向波，第二项x反向波。

本文中的监测系统不用反向波（反射波），则令A2=0。

该式表明：在离声源x处的振动，要在声源振动的一个时延x/c后才发生，式（5）为本研究提供了理论依据。

2.2 超声的衰减

超声强度随传播距离增加而减弱的现象，称超声衰减［4］。超声衰减的原因是由扩散、散射和吸收造成的。平面波在钢轨中传播时，近似有指数型关系

β为钢轨的超声衰减常数。

式中，P0为x=0处的声压有效值。

超声传播衰减声压级：

可见，对于钢轨随着f和x的增加，衰减迅速增加，因此，本文涉及的监测系统采用低超声频段。

3 超声波高铁轨道监测方案设计

3.1 高铁轨道应力

由于高速轨道是无缝连接，炎热的夏天会有较大的压应力，而在寒冷的冬天则会产生拉应力［5］。全国各地的中和温度Tn不同，南方高，北方低，中和温度对应的轨道应力为0，温度每升高1°，轨道应力增加约为2.5MPa。高铁每千米有1840根混凝土枕，钢轨可承受的应力变化为270MPa，相应的温差约为108℃，我国南方地面的温度-4℃～70℃，北方在-40℃～40℃，温差在80℃左右，可见正常情况下钢轨是安全的。但钢轨是有制造缺陷的，或长时间大应力下出现疲劳，可能会造成钢轨的损伤。怎样测量钢轨的应力，并通过应力的变化来判断钢轨的状态是本文的主要内容［6］。

3.2 方案设计

超声波在轨传播速度测量依据速度=距离/时间，设计硬件电路测量超声波在一定距离上传播的时间，从而获得传输速度。设备发射端控制电路同时发射无线数传和超声波两路信号。发端无线数传发射启动信号，与此同时，发射端启动超声波发生器产生30kHz超声波信号；收端无线数传接收无线信号，收端超声传感器采集钢轨传输的超声波信号［5～7］。无线数传信号属于无线电磁波传输，传播速度极快，短距离忽略无线数传信号的传播时间。收端单片机计算无线数传机和超声信号的传输时间差，计算出收发两端超声波的传输时间，自动计算出超声波的传播速度［7］。图1中超声波发射端采用300W超声波产生器，接收端采用长沙鹏翔的PXR02声发射传感器和PXPA2超声波放大器。

图1 超声速度测量设计方案

图2 超声波换能器和声波发射探测器与轨道连接图

3.3 钢轨中超声波传播速度与应力的关系

超声波纵波在钢轨中的传播速度是5200m/s～5990m/s，当钢轨受到热胀的压力时，钢轨上传播的超声波速度就会增加，并呈现线性变化［8］，变化规律如图3所示。

图3 传播速度与压应力的关系

不同地区的中和温度Tn是不同的，对应Tn的应压力Pn=0，对应Tn的中和超声波速度Vn，图3中Vn=5840m/s。定义应力变化率k：

从式（10）中可知，测得轨道中传播的超声波速度，就可计算出轨道的应力。

3.4 高速轨道应力变化规律

高速轨道应力的超声监测系统在北京易庄路段进行长时间测试，系统每2s给出一个超声波速度值并自动计算出应力值［9～10］，将典型时间的轨道应力列表如表1，24h应力变化曲线如图4。

测试条件：中和温度Tn=120℃，最高气温Th=180℃，最低气温Tl=50℃。

测试数据如表1。

表1 时间与钢轨应力对应值

应压力随时间的变化曲线见图4。

图4 应压力随时间的变化曲线

4 轨道应力的监测与分析

由于各地日出时间不同，对应的应力曲线也不同，但曲线的形状是类似的。曲线的上升弧时间短（本例中6时至14时8小时），下降弧长（14时至次日6时16小时）。从曲线可见，应力变化较快的是曲线的上升弧，应力变化越快越容易引起钢轨发生“形变”。

曲线的变化率为0时，即应力最大值点（14时）和最小值点（6时）是重要的观测点，它是一天中的应力最大值点和应力最小值点。应力最大值点时出现胀轨现象，应力最小点轨道受拉力最大。当温度T=Tn时，钢轨承受的应力为Pn=0，温差最大的地区钢轨应力变化也最大［11］。应力变化最大的地区是钢轨易受损地区，应重点监测。阴雨天气会引起气温下降，阵雨的影响可使应力曲线变化较快。应力曲线将发生较快变化。持续时间较长的热潮和寒流变化较缓慢，近似将曲线上下平移，影响钢轨应力最大值和最小值变化。这种天气带来的危害也要引起重视。

激烈变化的热潮且发生在14时左右，可造成钢轨压应力出现极大值，出现严重胀轨现象，是重点监测时期；激烈变化的寒流且发生在凌晨，出现严重缩轨现象，是形成断轨最大可能时期，应重点监测。温差变化较大的环境下，需要消除温度对测量结果的影响，可以在应力监测系统中加入温度补偿，消除温度变化对钢轨的影响［12］。

在轨道应力测量分析系统中预存当地P-V图表和钢轨的应力曲线。当地当日的平均温度T0高于中和温度Tn，与T0相对应的轨道应力为P0=2.5（T0-Tn）MPa，则图4的钢轨应力曲线将上移P0MPa，曲线的形状不变。对比数据库的坐标曲线，对比历史记录曲线，找出曲线变化点，分析应力变化原因［13］。参考当地气候、气温、列车运行次数，周边环境影响，利用分析软件，对轨道状态做出判断。

5 结语

由于超声波从轨腰馈入，近似成简谐平面波，超声波的衰减也近似为随超声波频率f和传播距离x呈指数型衰减，得出的结论对超声波轨道应力监测有指导意义［14］。给出了超声波纵波在钢轨中的传播速度与应力的关系和变化规律。在实际高铁轨道上测得了时间与应力日变化曲线。