铁路钢轨冻胀仿真分析与试验研究论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要 ：针对寒区钢轨冻胀高度测量问题， 通过仿真计算及实验分析验证应变电测法对钢轨冻胀高度进行测量的可行性 。寒区铁路 由于冬季路基冻胀导致钢轨产生几何变形， 出现钢轨鼓包等类余弦冻胀现象 。冻胀高度过大会增加轨道受力且加剧轨道状态恶化。 铁路养护部门需在冻胀期内对钢轨冻胀高度进行及时准确地测量， 以掌握钢轨冻胀情况并适时调整轨道结构， 保障轨道及列车通 行安全 。传统的人工测量方式对作业时间及人员技术要求较高 。基于上述背景， 通过 ANSYS 有限元软件仿真分析了无缝钢轨锁定 条件下的冻胀高度与冻胀应变的变化规律， 提出了利用应变电测法测量钢轨冻胀高度的方法 。建立了钢轨冻胀实验平台， 利用液 压装置模拟钢轨冻胀， 钢轨受力测量装置对钢轨冻胀应变进行测量 。根据钢轨冻胀高度与冻胀应变的曲线关系， 证明了应变电测 法可对钢轨冻胀高度进行测量 。通过此种方法可实现对钢轨冻胀高度的无人 、实时测量。

　　关键词 ：无缝钢轨,冻胀高度,ANSYS 仿真,应变电测法


　　Abstract: Aiming at the problem of measuring the frost heave height of the rail in cold regions, the feasibility of measuring the frost heave height of the rail by the strain electrical measurement method was verified by simulation calculation and experimental analysis . Due to the frost heave of the subgrade in winter, the railway in cold region causes the geometric deformation of the rail, and the phenomenon of cosine frost heave such as the bulge of the rail occurs. Excessive frost heave height increases the orbital force and aggravate the deterioration of the orbital state. The railway maintenance department needs to timely and accurately measure the frost heave height of the rail during the frost heave period, so as to grasp the condition of the rail frost heave and adjust the track structure in a timely manner to ensure the safety of the rail and trains. The traditional manual measurement method has high requirements on operation time and personnel skills . Based on the above background, ANSYS finite element software was used to simulate and analyze the changing law of frost heave height and frost heave strain under the condition of seamless rail locking, and a method was proposed to measure the rail frost heave height by using strain electrical measurement method. A rail frost heave experiment platform was established, the rail frost heave was simulated by a hydraulic device, and the rail frost heave strain was measured by a rail force measuring device . According to the curve relationship between the rail frost heave height and the frost heave strain, it is proved that the strain electrical measurement method can measure the rail frost heave height . The method can realize unmanned and real-time measurement of the rail frost heave height .

　　Key words: seamless steel rail; frost heave height; ANSYS simulation; strain electrical measurement method

　　0 引言

　　随着国家高速铁路建设的推进与电气化改造， 铁路 不平顺不仅会降低乘车舒适性， 更增加行车危险性[1-2]。 高寒地区由于铁路路基冻胀引起的钢轨冻胀会使钢轨发生 几何变形， 容易形成局部应力集中， 影响轨道寿命[3-4]。 及时开展钢轨冻胀变形监测工作对保障铁路钢轨正常运行 及提升列车通行安全性有重大实际意义及工程应用价值。


　　目前， 铁路维护部门一般采用人工水准观测 、观测 桩观测等无轮载作用的静态检测方式以及轨道在机车载荷或动态作用力下的动态检测为线路养护提供依据 。人 工水准测量是用水准仪和水准尺测定测点不同时间的高 差， 适用于铁路路基表面 、道床面和轨面冻胀变形监 测[5] 。观测桩则固定布设于轨道两侧病害易发段， 同样 需要人工使用经纬仪或其他设备辅助进行观测[6] 。轨道 动态检测主要检测设备包括： 大型轨道检查车与车载式 线路检查仪等 。随着测绘技术的不断发展， 如日月明公 司通过全站仪坐标测量及惯性法测量相结合方式采集钢 轨集合参数 。但该测量方式所用测量设备均需人工进行操作， 且大多数设备均为需外部供电的大型铁路设备， 需要利用铁路天窗期将检测设备置于铁轨上进行监测 。 测量工作对时间及检测人员要求较高[7]， 并且无法对某 一冻胀点进行长时多次测量 。因此， 研究开发一套全天 候 、可实时无人采集钢轨冻胀数据的钢轨冻胀高度测量 系统有重要的意义和实用价值。

　　本文采用 SolidWorks 建模软件建立无缝钢轨的三维有 限元模型， 利用ANSYS 有限元软件仿真分析了不同冻胀高 度变化条件下钢轨冻胀应变的变化规律， 提出了通过使用 应变电测法测量钢轨冻胀高度的方法。建立钢轨冻胀实验 平台， 通过实验平台实施了钢轨冻胀测量实验， 根据钢轨 冻胀高度及冻胀应变的曲线关系， 验证了该方案的可行性。

　　1 钢轨冻胀仿真

　　1.1 无缝轨道有限元模型

　　使用 SolidWorks 建模软件建立图 1 中由钢轨 、扣件、 轨枕 、轨道板等组成的无缝轨道模型 。钢轨长度为 9 m， 60 kg/m， 共 14 跨 。基于结构和载荷的对称性， 取实际结 构的 1/2 进行建模分析 。将模型导入 Ansys workbench 中进 行网格划分， 采用 sweep 扫略方法 。由于钢轨在扣件处受 到扣压力的作用， 对与扣件和轨下胶垫接触的钢轨部分进 行细化[8]， 设置网格大小为 0.01 m。对建立的无缝轨道有 限元模型施加相应边界条件， 以模拟实际工况无缝线路。


　　1.2 钢轨冻胀有限元分析

　　在对此模型施加边界条件： 轨枕与轨道板 、轨枕与 橡胶垫板均为绑定接触; 钢轨与橡胶垫板为摩擦接触; 钢轨与扣件为不分离接触 。将模型中的钢轨及道床两端 进行Z方向完全约束， 模拟一段较长且轨向锁定的钢轨; 对扣件的 X 轴方向完全约束， Y 轴方向不约束; 为模 拟扣件对钢轨的作用力， 对扣件上表面垂直向下施加 8 000 N 的压力来模拟弹条及螺栓的扣紧力[9] 。轨道板 Y 方向施加向上的垂向位移载荷 10 mm， 模拟钢轨冻胀 。 实际钢轨结构与受力情况相较于简化计算模型更复杂， 这里对钢轨冻胀受力仿真分析， 目的是评估利用应变测 量法进行钢轨冻胀高度测量的可行性。

　　有限元分析结果如图 2 所示 。对钢轨模型进行了应 变分析 。从应变云图中可以看出， 受到来自地基向上的 冻胀力作用后， 各层轨道结构受路基冻胀变形载荷和重 力及扣紧力的共同作用， 钢轨同时受力并产生拱形形变，轨道各层结构的变形情况基本一致 。在冻胀最高处， 轨 道受下部结构上拱作用， 应变也达到最大[10] 。钢轨的变 形基本符合“类余弦型”曲线的变化规律， 越靠近冻胀 的中心区域， 钢轨变形量越大; 远离冻胀区域的位置， 轨道结构基本没有发生变形。


　　钢轨冻胀最高处钢轨 Y 向冻胀高度及冻胀应变分布 曲线如图 3 (a) 所示， 此处钢轨冻胀应变轨底到轨顶方 向呈先降低后增加的趋势， 最大值出现在钢轨轨顶处， 为 1 203×10-6; 极 小 值 出 现 在 钢 轨 中 性 轴 附 近 处， 为 260×10-6 。钢轨冻胀高度沿轨底向轨顶方向略有升高， 平均为 9.6 mm。

　　为后续方便对钢轨冻胀应变进行测量， 应变片粘贴 时选择不易受钢轨扭转等变形影响且易于粘贴的位置， 即 钢轨轨腰中性轴附近， 导出此位置 Z 方向应变及冻胀高度 数据， 如图 3 (b) 所示 。冻胀应变与冻胀高度大小一致 性较高， 最大应变处位于中心轨枕旁轨间距内[9]， 约为 280×10-6. 应变沿Z轴向两侧逐渐降低， 边缘处应变接近0.


　　为验证钢轨冻胀高度与冻胀应变关系， 调整有限元 仿真分析中的位移载荷大小， 在 0~ 10 mm 范围内均匀取 11 个高度值进行计算， 导出钢轨冻胀最高点中性轴处不 同冻胀高度下对应的冻胀应变数值， 如图 4 所示 。根据仿真结果分析， 钢轨冻胀高度值与冻胀应变之间有较明显的线性关系，冻胀应变随着冻胀高度的增加而增大 。仿真结果表明： 钢轨结构受冻胀影响产生冻胀高度及应变， 应变值大小随冻胀高度增大而增加并呈线性关系， 斜率为 27.9×10-6/mm。 以冻胀高度 10 mm 为例， 有限元仿真计算结果最大冻胀 处钢轨轨腰应变值达到 280×10-6 。通过仿真分析可知钢 轨冻胀高度测量可利用应变测量法测量钢轨冻胀应变， 以此计算钢轨冻胀高度。


　　2 钢轨冻胀高度测量分析

　　2.1 钢轨冻胀测量装置及测量方式

　　为验证应变法测钢轨冻胀高度的可行性， 通过钢轨 冻胀模拟实验平台进行试验验证 。钢轨冻胀模拟实验平 台包括标准 60 钢轨轨道 、液压装置 、磁栅尺 、钢轨冻胀 高度测量单元， 如图 5 所示 。液压装置作为力源对钢轨 施加垂向位移载荷， 以模拟钢轨冻胀过程; 磁栅尺精确 测量钢轨冻胀高度 。钢轨冻胀应变测量单元中， 钢轨受 力监测节点测量磁栅尺点位处钢轨应变 、温度等数据并 通过网关传输至云服务器中; 云服务器中算法程序将数 据进行处理后计算钢轨冻胀应变。


　　本文基于应变电测法测量钢轨冻胀应变， 钢轨冻胀 高度测量单元主要由应变测量模块及轨温测量模块构成。 在应变测量模块中主要电路为惠斯通测量电路， 选取了半 桥法测应变。将应变片用胶粘剂粘贴于钢轨轨腰处， 同时 将相同规格的补偿应变片粘贴于钢轨同材质且呈自由状 态的补偿块表面 。当钢轨发生变形时， 钢轨变形通过胶 粘层传递到敏感栅， 应变片电阻值将发生相应的变化[11]。 后续转换电路将此电阻变化转换成电压信号的变化， 再 经放大后通过数字信号的方式输出应变值 。本文选用金 属应变片作为钢轨应变的测量元件， 此类型应变片环境适 应性强， 线性度较高。除此之外， 为求出钢轨的冻胀应变 还要对钢轨的温度进行测量， 轨温测量模块中本文采用数 字式温度传感器对轨温进行测量， 此类型传感器输出数 字信号， 具有精度高 、体积小 、抗干扰能力强等特点[12] 。

　　2.2 钢轨冻胀测量实验及结果

　　通过钢轨冻胀模拟实验平台完成钢轨冻胀高度测量分 析试验。钢轨受力监测系统通过测量钢轨冻胀产生的应变变 化计算钢轨冻胀高度， 同时节点安装位置旁固定安装的磁栅 尺精确测量钢轨垂向位移量。对比磁栅尺与冻胀监测系统测 量数据的一致性， 可验证钢轨冻胀监测系统的监测有效性。

　　在钢轨冻胀模拟实验平台进行了验证测试试验。利用 液压装置作为力源， 在钢轨底部施加3~ 11 mm 范围内15 组 不同高度的垂向位移载荷， 模拟钢轨产生冻胀。钢轨受力监 测节点测量钢轨冻胀应变， 验证了钢轨发生冻胀后冻胀应变的变化趋势。钢轨冻胀应变随冻胀高度变化的趋势和关系如图 6 所示。从散点图可以得出： 钢轨冻胀应变与冻胀高度基本呈线性变化， 冻胀高度越高，冻胀应变值越大， 斜率约为 26.6×10-6/mm 。前述仿真计算中， 钢轨冻胀高度与冻 胀应变关系为 27.9×10-6/mm， 试验结果与仿真结果接近。


　　3 结束语

　　本文基于有限元仿真分析方法， 建立了无缝轨道三 维有限元模型， 根据钢轨实际受力情况施加边界条件， 仿真计算了钢轨受垂向位移载荷作用产生冻胀后的钢轨 变形情况， 分析了长度为 9 m 的无缝钢轨冻胀应变随冻 胀高度的变化趋势 。通过钢轨冻胀实验平台模拟钢轨冻 胀并对冻胀应变进行测量， 验证了应变电测法测量钢轨 冻胀高度的可行性 。结果表明， 利用本文建立的无缝轨 道三维有限元模型和钢轨冻胀实验平台对钢轨冻胀应变 进行仿真计算及测量分析， 钢轨冻胀应变仿真结果与实 验结果吻合良好， 验证了有限元模型的可靠性， 同时也验 证了通过测量钢轨冻胀应变计算钢轨冻胀高度的可行性。


　　参考文献：

　　[1] 杨忠吉 . 提速道岔病害分析及整治[J]. 铁道建筑,2003(5):40-41.

　　[2] 刘学毅, 曾宪海,黎国清,等 . 铁路工务检测技术[M]. 北京:中国 铁道出版社,2011.

　　[3] 冷景岩 , 吕菲 , 陈则连 . 严寒地区铁路路基冻胀监测技术[C]// 2017 铁路科技创新工作会议论文集,2017.

　　[4] 张世杰 . 无砟轨道桥上无缝道岔交叉渡线纵向力研究[D]. 成 都:西南交通大学,2008.

　　[5] 安彦坤 . 桥梁沉降对岔区无砟轨道结构力学特性的影响研究 [D]. 北京:北京交通大学,2012.

　　[6] 王安, 于娜,程传畅 . 电动转辙机测试仪道岔阻力测试方法设 计[J]. 现代电子技术,2011.34(8):207-210.

　　[7] 王安,王亚萍,王铁山 . 基于测量电参数实时求解道岔阻力方 法的研究[J]. 测控技术,2013.32(7):150- 152.

　　[8] 游林涛,王大志, 梁军生,等 . 无砟轨道钢轨温度力的有限元分 析及实验研究[J]. 中国科技论文,2013.8(11):1119- 1121.

　　[9] 杨伟伟,王安 . 基于电参数的道岔转换阻力测量方案研究[J]. 机械与电子,2014(5):65-68.

　　[10] 郭毅 . 高速铁路路基冻胀变形引起的轨道结构变形特性及 其对行车的动力影响研究[D]. 成都:西南交通大学,2016.

　　[11] 赵朋亮 . 地铁钢轨受力状态仿真分析与监测研究[D]. 大连:大 连理工大学,2019.

　　[12] 孙英潮, 闫宏业,蔡德钩,等 . 高速铁路路基冻胀综合监测体系 研究[J]. 铁道建筑,2015(6):92-95.

关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/52399.html