2005年第26卷第1期华 北 工 学 院 学 报V o l.26 N o.1 2005 (总第99期)JOURNAL OF NORTH CH I NA I NSTI TUTE OF TECHNOLOG Y(Sum N o.99)
文章编号:100625431(2005)0120050203
Ξ
孟立凡，王恩怀，齐红丽
(华北工学院电子工程系，山西太原030051)
摘 要: 介绍了超声波无损探伤用于无缝钢轨纵向应力的检测，在轨温变化时，超声波在相同长度的钢轨 里传递时间随着轨温的变化而变化，而轨温与所检测的无缝钢轨纵向应力成正比，原理可行.其装置的特点
是简单，便携，方便使用，便于日常维护使用，不受使用时间和地点的限制.
关键词: 无缝钢轨；应力检测；超声波
京津唐
中图分类号: TB533 文献标识码:A
Research on Thermal Stress of Capless Ra il
w ith Ultrason ic M easurem en t
M eng L i2fan,W ang En2huai,Q i Hong2li
(D ep t.of E lectronic Engineering,N o rth U niversity of Ch ina,T aiyuan030051,Ch ina)
Abstract:T h is p ap er in troduced one m ethod app lied to analyzing lengthw ays stress of gap less rail by u l2 trason ic.T he u ltrason ic tran s m itting ti m e in the sam e length of rail changes w ith the tem peratu re change of rail and it is in direct p ropo rti to ther m al stress.T he p rinci p le can be u sed to m easu re lengthw ise stress.T he characteristic is si m p le,po rtab le,easy op erati on and conven ien t daily m ain te2 nance regardless of li m itati on of ti m e and p lace.
Key words:gap less rail;ther m al stress;u ltrason ic tran s m itting ti m e;daily m ain tenance
所谓无缝钢轨，亦称焊接长钢轨轨道，即把数十根标准轨焊接在一起使之成为几百米乃至数公里长的钢轨.许多世界难题都有一个共同特征，貌似简单实则深邃莫测.铁路科学研究领域，也有许多类似的世界难题.无缝钢轨纵向应力检测即是其中之一[1].
当钢轨焊接铺设好变为无缝线路时，扣件阻力及道床阻力的作用，使得长钢轨只能在两端100m范围内发生热胀冷缩.中间部分称为固定区，不随轨温收缩，于是钢轨内存储了相应的纵向温度应力.简单的数学关系可得出轨温每变化1℃，固定区内钢轨内温度应力变化2.5M Pa，若钢轨温度变化50℃，则钢轨内温度应力变化75M Pa.炎热夏季，当气温升高到一定程度时，轨温要高于气温20℃，线路受不了它的巨大压力，就会在某一较短的长度内释放其能量，即胀轨跑道.而在冬季铁轨的温度又比气温低很多，使钢轨承受很大的拉应力，在拉应力达到一定值时，就会拉断钢轨，造成重大铁路事故.因此，线路养护人员十分希望随时了解线路实际的纵向温度力，用以指导线路的维修，判断发生胀轨和断轨的可能性[2].
夏季气温较高，容易发生胀轨事件.冬天气温寒冷钢轨无法正常收缩，易产生断轨事件.据统计美国1980年发生170次胀轨跑道，因列车脱线造成经济损失1400万美元.1980年前后前苏联发生30余次胀轨跑道重大事故.我国铁路从铺设无缝线路1993年共发生胀轨跑道列车脱线事故19次，造成了重大经济损失[2].断轨事件也时有发生，除焊接工艺和质量的因素外，钢轨纵向应力有着直接的影响[3].遗
Ξ收稿日期:2004205225
基金项目：山西省留学生基金资助项目
作者简介：孟立凡(1956-)，女，教授.主要从事现代传感技术和非电量电测技术研究.
憾的是，面对如此大的危害，迄今为止人们尚未到一种理想的方法测试钢轨纵向热应力.1983年铁路专家艾真曼教授来华讲学时，有人曾问及此事，他风趣地说:“如果谁能攻克这一难题，他将成为百万富翁.”日本应力测试专家，德岛大学冈田建一教授坦率地承认:“这是件非常棘手的事.”我国也投入了许多人力物力进行了长时间的研究[4].
1 热应力问题的现行解决方法
应力放散是指改变长轨条原有的长度，在其伸长或缩短后，重新锁定线路从而改变锁定轨温，根据施工当时的气温和轨温，可采用滚筒撞轨和滚筒拉伸两种方法.目的是使长轨条自由伸缩处于零应力状态，放散时的锁定轨温由当时的施工轨温和钢轨的窜动量来确定.计算钢轨温度应力的公式为
Ρt =E Α∃T .
(1)式中 E 为钢轨材料的弹性模量;Α为钢轨材料的线胀系数;∃T 为以中性锁定轨温为标准的钢轨温度的改变量.
依据长轨条的放散量=0.0118×放散长度×(预计放散后要达到的锁定轨温-放散前锁定轨温)的公式计算放散量，来确定锯轨量，释放钢轨应力，然后将钢轨端部焊接起来，避免涨轨跑道发生[4].这一切都是在春季完成的，为夏天高温的到来做好准备.上述防止涨轨跑道的方法费用较高.
2 利用超声波对钢轨热应力检测机理研究
超声检测是一种利用超声波在介质中传播的性质来判断工件和材料的缺陷和异常.超声是一种看不见、听不到的弹性波，在自然界和日常生活中普遍存在. 2.1 超声波的产生
超声波是一种机械振动所产生的波.物体在一定位置附近作往复运动称为振动，振动是波动的产生根源，波动是震动的产生根源，波动是震动的传播过程.所以超声波的产生必须依赖于作高频机械震动的声源和弹性介质的传播，超声波的传播过程包括振动状态和能量的传播.超声波传播时，可以将弹性介质看成是相互间由弹性力联系着的无数质点所组成，当在弹性介质的表面层施加一个按正弦规律变化的外力时，由于各质点间弹性力联系着，因而相临层上的质点也将产生相应的振动，一层推动一层，振动也就由近及远地传播出去.固体中(截面尺寸小于声波波长)的超声波声速可由式(2)表示[5].
C =E Θ.(2)式中 Θ为钢轨材料的密度.
图1 声时差随应力变化曲线F ig .1 T i m e difference of ultrasonic speed and stress curve
当超声波通过处于应力下的固体传播时，应力对其速度有两种影
响，弹性模量和密度随应变而改变；通常这两种变化都比较小，至多
定陵地下宫殿发掘记也只有0.1◊左右，而声速随应力的变化呈较理想的线性关系如图1
所示.因此，固体中声速的变化能够很好地反映其中的应力状况，单
从这方面考虑，超声波应力测试方法的精度取决于声速测量的灵敏
度.目前自动声速测量的灵敏度可达10-7-10-8，相应的应力分辨率
约为几个M Pa ，当然这里的应力分辨率与超声波在试件中走过的声程
有关，声程越短分辨率越低.必须指出，这里所述的应力即超声波在
钢轨中传播方向上所受的应力[6].超声波沿纵向传播，据此采用超声
波法来测试钢轨的热应力.
2.2 超声波的应用用于钢轨纵向力测定的超声波纵波的声弹性法则如图2所示，利用超声波波速在轨温变化时，其传播波速产生变化的原理，检测无缝钢轨纵向应力.作为预先赋予的初始值，若预先测定无应力状态(铺设前)长轨的超声波传播时间，则可通过测定锁定轨温铺设状态下的传播时间.钢轨的纵向力、拉应力愈大，传播速度愈慢；压应力愈小，则传播速度愈快.
1
5(总第99期)超声波检测无缝钢轨热应力研究(孟立凡等)
图2中设发射探头和接受探头中心间距为2S ，纵波和反射纵波的传播速度为C l ，则可得试件的高图2 测试装置原理图
F ig .2 T esting set of wo rk ing p rinci p le 度H 为
H =1 2C 2l t 21-4S 2.
式中 t 1为试件底部入射波与反射波的传播时间;H 为试
件的高度，则可得
4H 2+4S 2 C 2l =t 1.
得出C l 与t 1之间为反比关系.根据温度变化引起路轨长
度变化，产生路轨的伸长量为∃l =Α∃TL .
(3)式中 L 为路轨锁定轨温时长度.那么超声波在伸长量∃l 中传播所需的时间为
∃t =∃l C l ,
(4)∃t =t 0-t 1.(5)
式中 t 0为无应力状态下的超声波传播时间;t 1为温度产生应力状态下的超声波传播时间；把式(3)代入式(4)有
t 0-t 1=Α∃TL C l .电子工业专用设备
(6)根据材料力学则有温度产生的应变Ε=∃l L ，而温度产生应力则为Ρt =E Ε,t 0=L C l ，代入式(6)则有丛文景
(t 0-t 1) t 0=k Ρt
.(7)式中 k 为声弹性常数(k =1 E ).根据式(7)测定其间的传播时间，可计算纵向力cruise软件
.3 结 论
为了使分辨率提高，能量集中，超声波探头可采用频率为5M H z 的超声波，水为耦合剂，使发射超声波有效地射入被检钢轨，使用斜入射法，测定装置的两端有发送部分与接收部分、发送与接收部分间的距离为1m .测定装置本体可自由装拆，测定时将装置本体装于轨腰，以磁铁固定.用超声波法测钢轨应力，还需要测定超声波传播时间的装置、微机等.本装置适合于扫查空间小的范围，在日常无缝线路养护中可以达到快捷便利的目的.
风湿骨痛宁胶囊参考文献:
[1] 王言孝，刘振武.一个貌似简单的世界难题：钢纵向力测量[J ].铁道知识,1992(1):42-43.
W ang Yanxiao ,L iu Zhenw u .O ne Seem ingly Si m p le W o rld D ifficult P roblem :A bout H eat Stress of R ail T est [J ].R ail w ay Know ledge ,1992(1):42-43.(in Ch inese )
[2] 卢耀荣.无缝线路动态失稳特征的分析研究[J ].铁道学报,1993(3):77-83.
L u Yao rong .Study and analysis on characteristics of the dynam ic buck ling of c w r track [J ].R ai w ay Constructi on ,1993(3):77-83.(in Ch inese )
[3] 祁欣，于石生，郭重雄，等.无缝线路钢轨纵向力在线检测研究[J ].机械工程学报,1998,34(2):104-111.
Q i X in ,Yu Sh isheng ,Guo Chongxi ong ,et al .Study on testing fo r vertical temperature stress of seam less rail 2road
[J ].Ch inese Journal of M echanical Engineering ,1998,34(2):104-111.(in Ch inese )
[4] 陆化平，王印来.无缝线路铺设施工时锁定轨温确定方法与比较[J ].科技情报开发与经济,2001,12(6):137-
138.
L u H uap ing ,W ang Y inlai
.D eter m inati on and compari on of M ethods of locked rail temperature in j o intless track lay 2ing constructi on [J ].Sci tech Info r m ati on D evelopm ent &Econom y ,2001,12(6):137-138.(in Ch inese )
[5] 冯若.超声手册[M ].南京大学出版社,1999.17-30.
Feng R uo .U ltrasonics H andbook [M ].N anjing U niversity P ress ,1999.17-30.(in Ch inese )
[6] 刘振清，华剑南，梁穗，王路.螺栓材料应力与声速、温度关系的测定[J ].应用声学,1997(5):26-51.
L iu Zhenqing ,H ua J iannan ,L iang Sui ,W ang L u .D eter m inati on of ultrasonic w avevelocity 2stress 2tempereture rela 2ti ons in bo lt m aterials inspecti on [J ].A pp lied A coustics ,1997(5):26-31.(in Ch inese )25华北工学院学报2005年第1期
