基于超声应力检测的钢轨锁定轨温测定

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。