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轨道结构检测,3.1 概述,轨道结构是一个长大工程结构。其基本的物理力学参数主要包括道床密实度、道床脏污率、道床变形模量、道床阻力、道床阻尼、钢轨基本弹性系数、轨道横向刚度、钢轨支点弹性系数等。,这些参数又都因受轨道使用年限、地质情况、气候条件及线路养护水平等多种因素的影响而不断变化，对于某种给定的轨道类型来说各参数值总是在一定的范围内变化。而作用在轨道上的荷载，也因受机车车辆的结构、车辆装载、司机操作水平、行车速度、车轮圆顺程度、轨面平顺性及轨下基础弹性的均匀性等多种因素的影响而带有随机性。,轨道结构检测,3.1 概述,在列车作用下，在轨道中所引起的各种动力效应，包括轮轨之间及轨道各部件之间的相互作用力及轨道各部件的位移、应力、应变、振动等也是随机的。轨道结构的各种计算理论，都是以一定的力学模型及给定的荷载参数和轨道参数为前提，其计算结果只能反映一定的轨道结构在给定的运营条件下，轨道的各种动力效应值的大致水平和量级，不可能给出某次行车在某个轨道断面上的真实值，这往往给许多实际工程问题的解决，带来一定的困难。,轨道结构检测,3.1 概述,轨道结构是一个复杂的超静定结构。列车作用下的各种动力效应，不单与轮轨相互作用的动力过程有关，而且还与轨道的结构状态及维修状态有关，因此在做测试时，尽量不要改变轨道结构原有的状态。如果因埋设、安装测试元件而必须破坏原有的轨道结构状态时，则这些工作必须提前进行。提前的时间视线路的行车条件而定，要求在正式测试之前，通过列车的运行和轨道作业，使轨道恢复到原有的状态。如果要求在某种人为的行车条件或轨道条件下进行轨道动力效应的测试，则在这种人为条件以外的轨道条件也应尽量保持原状。,轨道结构检测,3.2 轮轨相互作用荷载的测试,轮轨之间及轨道各部件之间的荷载，是轮轨动力效应的形式之一。目前，这些荷载的测试都是先在动态条件下测得某一轨道部件的某部位，或某一感受元件的“当量应变”，然后再在相同的加载条件下施加静荷载进行标定。当标定的静应变与实测时的动应变相当时，标定时的静荷载值就算是我们所测得的动载值。这种动载实质上是在保证我们所选定的“当量应变”相等时的当量静荷载。,轨道结构检测,3.2.1 车轮作用到钢轨上的垂直力P1、P2的测试,车轮作用于钢轨上的垂直力P是判断行车稳定性，轨道负荷状态的重要参数。P值的过分降低可能引起减载爬轨。一般要求的降低值与平均静轮重之比P/P0.6。此外，横向水平力H和垂直轮重P之比，即H/P称为脱轨系数，评价机车车辆对轨道破坏作用的主要指标。垂直力分为两种：冲击荷载P1和准静态荷载P2,轨道结构检测,3.2.1 车轮作用到钢轨上的垂直力P1、P2的测试,冲击荷载P1：当车轮滚过踏面扁疤、轨面擦伤、接头、岔心等部位时，会出现轮轨冲击现象。这种冲击荷载的持续时间很短，一般在0.75ms以内。这种短时间的超载或减载(高频荷载)，一般不会危及行车安全(爬轨或倾覆)。由于其频率很高，在自上而下的传递过程中衰减很快，因而对轨枕以下各部件的应力、应变不会有太大的影响。冲击荷载是引起轨头破损、螺栓孔裂纹和接头轨枕裂纹的主要原因。它还可能导致很大的道床振动加速度，致使道渣破碎、道床沉陷和边坡坍塌。P1是衡量轨道接头质量的主要指标。,轨道结构检测,3.2.1 车轮作用到钢轨上的垂直力P1、P2的测试,准静态荷载P2：当理想圆顺的车轮沿基础弹性均匀、表面平直的轨道运动时，车辆各部件不产生振动，无附加动力荷载，车轮作用到钢轨上的将是一个大小恒等于静轮重，以速度V运动的荷载。另外，当理想圆顺的车轮滚过具有长波长的不平顺轨道时，车轮作用到钢轨上的荷载将是一个幅值变化缓慢、并以速度V运动的低频动力荷载。这种荷载可能对减载脱轨、爬轨带来危害。并且荷载对轨道的作用和静荷载大体相似，可以按近似于1的传递函数自钢轨向基础传递，引起钢轨、轨枕的弯曲及枕下基础的应力应变，故称这种荷载为准静态荷载。,轨道结构检测,垂直力P1、的测试,需消除水平荷载及垂直荷载偏心的影响，这就要求相对于钢轨垂直中和轴对称贴片，这在轨头部分难以实现，因此要在钢轨接头螺栓孔周边45方向贴片，选轨腰应变为“等效应变”，确定P1值。,第三章 轨道结构检测,垂直力P1、的标定：,方法1：用已知静轮重的机车或车辆，以低于的速度，以贴片端为送轮端、慢速滚过测试接头。根据静轮重，慢速滚过时的应变值及列车运行时的应变值，求得当量静荷载值。方法2：落轴试验。,第三章 轨道结构检测,落轴试验：,设落在一股钢轨上的质量为(轮对质量的一半)，落轴高度为H，在图3-5波形图上的E点，车辆接触钢轨，桥路开始有输出，在F点输出达最大值，然后输出减小，到C点输出归零。由此来分析轮轨相互作用的过程。根据冲量定理 来计算冲击力F。,第三章 轨道结构检测,落轴试验：,设落在一股钢轨上的质量为(轮对质量的一半)，落轴高度为H，在图3-5波形图上的E点，车辆接触钢轨，桥路开始有输出，在F点输出达最大值，然后输出减小，到C点输出归零。由此来分析轮轨相互作用的过程。根据冲量定理 来计算冲击力F。,第三章 轨道结构检测,垂直力P2的测试,方法：剪力法、轨腰压缩法,第三章 轨道结构检测,剪力法：,设有一荷载P2作用于钢轨上，则钢轨内的剪力分布上图所示，在P2的作用跨内，两边的剪力分别为Sr及Sl。取隔离体，可知：,只要能同时测得Sr及Sl，并且取其和，即可得P2值。测定Sr及Sl，并求其和的方法有两种：剪应力法及弯矩差法。,第三章 轨道结构检测,剪应力法计算公式：,用应变片无法直接测得剪应力，采用下页图示方法贴片、组桥。,第三章 轨道结构检测,剪应力法测试垂直力P2：,第三章 轨道结构检测,剪应力法测试垂直力P2：,轨腰应变片（竖向力桥）连桥原则：(1)内内相连；(2)同片外连外；(3)对应端：上连下，下连上。,第三章 轨道结构检测,弯矩差法测试垂直力P2：,(a)为荷载的作用跨图形；(b)为在荷载作用处切开，取隔离体；最后根据力与弯矩平衡条件计算得到P2。,第三章 轨道结构检测,弯矩差法测试垂直力P2：,无论用剪力法或弯矩差法测P2，其桥路的输出只与作用在测定跨的荷载P2有关，与邻跨荷载、轨枕支承状态等无关。一般采用标定法求P2。,第三章 轨道结构检测,轨腰压缩法：,第三章 轨道结构检测,轨腰压缩法：,在轨腰两侧对称垂直贴片(包括不在中和轴高度位置)，经串联组成外半桥的工作臂，另外再贴两个补偿片，作温度补偿。由于水平力及垂直力的偏心所造成的钢轨横向弯曲和扭转，使对称贴于轨腰两边的垂直应变片1、2所产生的应变，恰恰是大小相等、符号相反。根据桥臂电阻串联的原理、串联后桥路的输出等于被串联各应变片所引起的输出的代数和。大小相等，符号相反的两应变值代数和为零。因此，由于水平力和垂直力偏心，在图中所示的桥路中，输出为零，即这几种作用力的影响可以自行抵消。,第三章 轨道结构检测,轨腰压缩法：,中心垂直荷载在应变片1、2中引起的应变，大小相等，符号相同，通过串联，求取两片的平均值，故桥路输出仅与垂直力P2有关。如果把应变片贴在中和轴位置，则桥路的输出完全取决于P2在轨腰造成的垂直压缩，不受钢轨在垂直平面内所产生的纵向拉、压应变的影响。根据圣维南原理，P2在轨腰引起的垂向压缩应变，在纵向影响范围极窄，如图3-11，一般仅左右1015cm，故桥路的输出与邻轮的作用及轨枕的支承状态无关。,第三章 轨道结构检测,轮轨垂直力测试方法的讨论：,1.接头冲击荷载的测试：采用在螺栓孔周边45方向贴片，两边串联组成单臂半桥，用机车或车辆慢滚进行标定，标定出来的值是当量静荷载值，也可以用前面提到的落轴标定法来标定轮轨之间的冲击力。但两种标定方法的数值相差甚大。用落轴法标定得出的轮轨冲击力比用慢滚压法得出的当量静荷载要大得多，这正说明轮轨冲击荷载在轨道结构中衰减较快的特征。所以可根据研究的目的和需要选择相应的标定方法。测试时要求仪器的工作频率不低于5000Hz。,第三章 轨道结构检测,轮轨垂直力测试方法的讨论：,2.准静态荷载P2的测试：目前基本上有两种方法，即剪力法和轨腰压缩法，剪力法中又分剪应力法和弯矩差法。各种方法都有其自身特点。（1）弯矩差法和剪应力法一样，其源同出于剪力法，在原理和标定方法上，这两种方法基本上相同。（2）但弯矩差法要求轨底贴片，测试前必须更换钢轨，否则不能把片子贴好，这在营业线上进行会有很多困难，在无缝线路区段更是几乎无法实现。另外，一旦在测试过程中，发现应变片有问题时，不便于检查和修复。,第三章 轨道结构检测,轮轨垂直力测试方法的讨论：,（3）剪应力法是把片子贴在轨腰上，贴片、检查、修复都比较方便，因此在各国得到广泛应用。（4）根据贴片部位的应力分析及电桥的加减特性，可以证明，我国采用的剪力法的贴片及组桥方法，可以消除钢轨的水平弯曲及扭转所造成的应变的影响。桥路的输出，将与水平力及垂直荷载的偏心距无关，仅取决于垂直力P2的大小。（5）剪力法的桥路输出只和作用在两贴片断面之间的垂直荷载有关，贴片断面以外的荷载对桥路输出不产生影响。邻轮的作用，轨枕的支承情况，轨下基础的软硬都不会影响测试的结果。,第三章 轨道结构检测,轮轨垂直力测试方法的讨论：,（6）剪力法测定的最大优点：在剪应力法和弯矩差法中用小梁进行标定时，虽然已经完全改变了钢轨的支承状态，但只要作用在贴片断面中间的垂直荷载相同，桥路的输出就不会受到影响。（7）左右贴片位置：剪应力法的两贴片断面的位置最好是在以轨枕间的中心线为中心，向左右各100125mm处。本法基本原理是假定在钢轨的中和轴上没有垂向和纵向的正应力，只有剪应力，只有满足这一条件时45角方向的主应力才等于剪应力。如果两贴片断面之间的距离太近，则可能由于车轮的作用，使贴片断面在垂直方向有压缩应力。,第三章 轨道结构检测,轮轨垂直力测试方法的讨论：,（8）上下贴片位置：严格说来，最好是在中和轴上贴应变花。这样应变花的输出只和作用在两贴片断面之间的轮重有关，而和邻轮及轨枕的支承状态无关。测试时把应变片贴在紧靠中和轴的上下位置。从理论上讲，可能受邻轮及轨枕支承状态的影响。但在这个位置的正应力和其剪应力相比是相当小的，实测结果表明，由此带来的影响是可以忽略的。（9）剪应力法的垂直力标定可以采用标定支架进行，也可以采用准静态荷载的办法进行。,第三章 轨道结构检测,轮轨垂直力测试方法的讨论：,（10）剪应力反映的是钢轨的基本变形，剪应力法的桥路输出与钢轨的弯曲变形，钢轨的下沉量，钢轨传给轨枕的荷载等参数成比例，因而能保证测出的荷载有良好的准静态性质，以便有把握地用于进行有关准静态问题的分析。（11）弯矩差法主要在我国使用。按初等梁公式进行分析，原理简单，同样可消除水平力，垂直力的偏心，纵向力的影响。但按弹性理论来分析在集中力作用下梁的应力情况，则轨底纵向弯曲应力沿钢轨纵向并非直线分布。不仅存在贴片技术、贴片尺寸、钢轨断面尺寸等方面的问题，而且从原理上分析也并不完善。,第三章 轨道结构检测,轮轨垂直力测试方法的讨论：,（12）轨腰压缩法可清除横向水平力及垂直力偏心的影响，但纵向力的影响并不能排除；另外，压缩法测定的是荷载作用点附近的局部挤压应变，在动载条件下，这种局部挤压应变未必与钢轨的基本应力和变形成比例。因此，根据压缩法测出的荷载值，不能保证有良好的准静态性质。因此用这种荷载来进行准静态问题的分析就不一定合适。,第三章 轨道结构检测,轮轨垂直力测试方法的讨论：,（13）轨腰压缩法在用小梁进行现场标定时，在荷载作用点上要求模拟轮轨接触条件，并且要求把集中荷载的作用点准确地对准在测点正上方，操作上比较费事；另外，在小跨度梁情况下，局部挤压应变还和梁的跨度有一定关系，在现场采用小梁标定时，实际上改变了钢轨的支承点位置，它对标定结果有何影响还须进一步检定。,第三章 轨道结构检测,3.2.2 车轮作用到钢轨上的水平力H的测试,车轮作用到钢轨上的横向水平力，是决定脱轨系数从而影响行车稳定性的重要参数，又是导致轨道横向破坏，丧失横向稳定的主要原因。横向水平力同样有高频冲击和低频准静态之分，但横向和垂向不同，垂向冲击在钢轨擦伤、接头、叉心等部位必然出现，而横向冲击多带有随机性。另外，横向冲击因作用时间极短，一般对脱轨，倾覆危害不大，跳轨的极限值较高，一般不易达到。因此，人们对高频冲击横向水平荷载研究较少。下面所谈到的横向水平力的测试，都是指准静态横向水平力。,第三章 轨道结构检测,水平力H的测试:,目前世界各国测定横向水平力的方法主要有剪应力法，轨底内外缘纵向应力差法，轨腰弯曲法，轨底轨腰连接圆弧弯曲法，轨腰弯矩差法，轨头弯曲法和双桥路法。现就我国采用的剪应力法和轨底内外缘纵向应力差法介绍如下。1.剪应力法：该法原理与用剪应力法测P2相似，即同时测出荷载左右两边断面上的横向剪力，并利用电桥特性将其叠加。因为钢轨不存在水平的对称面，所以在横向只能采用剪应力法而不能用弯矩差法。,第三章 轨道结构检测,剪力法测试水平力H:,第三章 轨道结构检测,剪力法测试水平力H:,贴片位置：剪应力法的贴片位置是在靠轨腰与轨底连接圆弧的部位，以垂直轴为对称分布，这个部位最接近钢轨断面的弯曲中心，也比较接近钢轨断面的垂直对称轴，因此在扭矩作用下的剪应力接近于最小，在水平横向力作用下的剪应力接近于最大，故扭矩对水平横向力测试结果的影响也比较小。这种贴片方法，从原理上决定了有水平力产生的应变同垂直力产生的应变是可以分开的，但是它们同扭矩所产生的应变是分不开的。因此，在测定水平横向力的桥路输出中，必定包含有扭矩的影响在内。这是测试水平横向力的根本困难所在。,第三章 轨道结构检测,剪应力法测试水平力H：,轨底应变片（水平力桥）连桥原则：(1)内内相连；(2)同片外连外；(3)对应端：内连内，外连外。,第三章 轨道结构检测,剪力法测试水平力H:,采用小梁进行标定时，要使梁的两端固定在轨头，中间施加横向水平荷载，作用点在轨头侧面上。,第三章 轨道结构检测,轨底内外缘纵向应力差法测试水平力H:,第三章 轨道结构检测,轨底内外缘纵向应力差法测试水平力H:,用此方法测定横向水平力，原理上可消除垂直力及其偏心，纵向力的影响。但横向力所引起的钢轨横向弯曲不单和的大小有关，还和钢轨的支承状态，整个轨道框架的横向刚度，道床的横向阻力，由于垂直力的作用而引起的各种横向摩擦力和阻力的变化，导轮横向力的影响，以及轮轨接触状态有关。这样就使得力的标定变得特别复杂，不仅须在现场进行，而且必须模拟轮轨接触关系，垂直荷载大小，以及一个车轮对整个轨道框架的作用。,第三章 轨道结构检测,轨底内外缘纵向应力差法测试水平力H:,我国在进行力的标定时，是用实际运行的机车或车辆，使车轮停靠在测点的正上方，用固牢于对侧钢轨上的水平千斤顶给车轴加载。对侧的车轮用滚柱垫在钢轨面上，以减少车轮与钢轨之间的摩擦力。此种标定方法相当费事，费时，在运营线上很难实现。,第三章 轨道结构检测,轮轨水平力H测试方法的讨论:,1.测试水平横向力的根本困难是不能消除扭矩的影响。钢轨断面不存在水平方向的对称轴，也不存在任何以水平轴为对称的贴片位置，因此达不到在垂直力作用下应变同号，在水平横向力和扭矩作用下应变异号的目的。所以在现有的测试方法中，应变片的贴片位置大都还是以垂直轴为对称分布。这种贴片方法，从原理上决定了有水平力产生的应变同垂直力产生的应变是可以分开的，但是它们同扭矩所产生的应变是分不开的。因此，在测定水平横向力的桥路输出中，必定包含有扭矩的影响在内。,第三章 轨道结构检测,轮轨水平力H测试方法的讨论:,2.为消除扭矩影响而采取的措施 第一是通过选择合理的贴片位置，使扭矩产生的影响尽量缩小，第二是通过标定来尽可能地消除扭矩的影响。剪应力法的贴片位置是在靠轨腰与轨底连接圆弧的部位，最接近钢轨断面的弯曲中心及钢轨断面的垂直对称轴，在扭矩作用下的剪应力接近于最小，在水平横向力作用下的剪应力接近于最大，扭矩对水平横向力测试结果的影响也比较小。轨底内外缘纵向应力差法的贴片位置是在轨底(或靠近)边缘，在水平力作用下，纵向应力最大，但由于贴片点离钢轨断面的弯曲中心也远，由约束扭转产生的纵向应力也大，相比之下，扭转对水平横向力测试结果的影响也就大。,第三章 轨道结构检测,轮轨水平力H测试方法的讨论:,3.剪应力法标定时要模拟轨道和荷载条件 根据剪应力法的原理，这个剪应力和钢轨的支承条件及轮轨的接触状态无关。之所以要模拟轨道和荷载的条件，是希望在测试和标定时，扭矩对测试结果具有相同的影响。模拟情况的好坏，并不直接影响测定的对象水平横向力产生的剪应力，而仅仅影响到干扰因素扭矩产生的剪应力。,第三章 轨道结构检测,轮轨水平力H测试方法的讨论:,4.轨底内外缘应力差法标定时要模拟轨道和荷载条件 轨底内外缘应力差法则不同，我们测定的对象是水平横向力作用下的轨底内外缘纵向应力，这个应力本身就直接和钢轨的横向支承弹性系数，轨道的横向刚度有关。当然，由于钢轨的约束扭转所引起的轨底纵向应力也和轨道条件及荷载条件有关，因此，在这种情况下，模拟情况的好坏，不但影响到干扰因素约束扭转纵向应力，而且也影响到测定对象本身水平横向力所引起的轨底纵向应力。模拟的不好，势必对测试结果产生更大影响。,第三章 轨道结构检测,轮轨水平力H测试方法的讨论:,5.水平力H测试的特点 轨道的横向刚度和横向阻力不单和轨道本身的结构参数和工作状态有关，而且还和垂直荷载的作用有关。因此，根据钢轨的某种“当量应变”来测定时，必须和同时作用的垂直力值发生关系，这就要求在进行力的标定时，同时模拟力的作用，因而就给标定造成一定的困难。钢轨在水平方向的支承状态，荷载作用条件和变形结果比垂直方向更为复杂，更具有随机性，因而标定时，轮轨接触状态的模拟很难达到满意的程度，测试结果的离散性将会更大。,第三章 轨道结构检测,轮轨水平力H测试方法的讨论:,6.剪力法测试水平力H测试的注意事项 贴片的位置应在轨底表面尽量靠近轨腰、轨底连接圆弧的部位。这有利于缩小扭矩对测试结果的影响。内外缘应力差法必须在施加垂直力的条件下进行现场标定。在无专用的水平横向力加载车及别的加载标定装置时可通过车轴施加水平力，利用静轴重施加垂直力进行标定。贴片断面之间的距离及位置，通常和测定准静态垂直荷载的情况相同。,第三章 轨道结构检测,3.2.3 车轮作用到钢轨上的纵向力L的测试,在长大坡道，大中跨度桥梁，列车起、制动地段，由于列车的作用可能在钢轨中产生纵向的水平作用力。这种纵向力对钢轨的爬行和无缝线路的强度和稳定性可能带来影响。钢轨纵向力的测试方法比较单一，大都在轨腰中和轴处两侧纵向水平贴片，串联组成单臂半桥。这种贴片方式才能消除垂直力，水平横向力及扭转力矩的影响。在荷载作用的断面附近，轨腰会出现局部的挤压应变，通过横向效应(泊松效应)而使轨腰中和轴位置产生纵向应变。,第三章 轨道结构检测,3.2.3 车轮作用到钢轨上的纵向力L的测试,钢轨水平纵向力不需要进行现场标定，可以根据波形直接读出水平纵向应变值，然后按公式：,计算水平纵向力L。,第三章 轨道结构检测,3.3 轨道各部件动力效应的测试,钢轨作用到轨枕上的垂直压力R是造成轨枕破损、道床和基床变形的主要原因。它是设计轨枕、扣件、确定道床厚度等轨道部件的主要参数。测试方法：在钢轨和轨枕间垫入压力传感元件测力垫板；以钢轨本身作为传感元件。,3.3.1 钢轨作用在轨枕上的垂直压力R的测试,第三章 轨道结构检测,测力垫板,一般钢轨和轨枕之间的间隙有限，仅710mm，要在这样小的间隙内垫入测力垫板而不改变轨面高低、轨道弹性和轨道的工作状态。理想的轨枕压力测试垫板应该是：1.厚度薄，装在轨道上时尽量少改变或不改变轨面的高度。2.结构上要求零件少，且在列车作用下不易松动或损坏。3.测力垫板装入轨道后要求少改变或不改变钢轨和轨枕之间的垫层弹性、钢轨的支点弹性，以及各支点(轨枕)弹性系数之间的关系。,第三章 轨道结构检测,测力垫板,4.作为测力垫板的弹性元件，要求荷载和变形之间有良好的线性关系，在静载和动载时弹性模量变化小，有较高的回弹模量。5.荷载的传力点要求准确、恒定，避免因钢轨和轨枕之间接触状态的改变而改变荷载的传递路线。6.敏感元件要求受到良好的保护，不易损坏。,第三章 轨道结构检测,以钢轨作为测力元件,以钢轨作为传感元件来测试钢轨作用于轨枕的垂直压力，其原理是基于剪力分布规则。图中设有荷载作用R在钢轨上，我们取2号轨枕上的一段钢轨为隔离体，右侧的剪力为Sr，左侧为Sl。根据平衡条件：,可以得到R值。,第三章 轨道结构检测,以钢轨作为测力元件,第三章 轨道结构检测,以钢轨作为测力元件,测试方法：剪力法：应变片或应变花贴在轨腰上，最常用方法；不在轨道上铺设任何其它测试元件，完全不改变轨道的工作状态，实施简单，测点成活率高。弯矩差法：在轨底贴片，工作、检查、修复等都很不方便；,第三章 轨道结构检测,以钢轨作为测力元件,第三章 轨道结构检测,剪力法测枕上压力存在的两个问题,(1)测试波形的读数点是对应于车轮作用在其中一个贴片断面之上的瞬间。当车轮位于贴片断面之上时由于车轮的作用在轨腰上所形成的挤压应力，对测试结果带来影响很小。(2)剪力法只能测得车轮作用于跨中时的枕压力，而不能测出车轮作用于枕上时的枕压力，(即最大枕压力)。如果必须知道车轮作用在轨枕上时的枕压力，则应根据钢轨基础的软硬程度，乘上一个1.051.10的枕上修正系数。具体的系数值可按轨道结构点支承计算方法求得。,第三章 轨道结构检测,3.3.2 轨道各部件位移的测定,在列车作用下，轨道各部件几何关系的变化，可用相应的线位移或角位移表示，而角位移通常是根据有关的线位移来进行计算和确定的，故轨道测试中的位移测量都是指线位移测量。在列车作用下，轨道各部件位移的大小反映了轨道结构各有关部分的刚度。列车的掉道、颠覆，在很多情况下不是由于强度不足导致轨道破环所造成，而是由于刚度不足所导致的轨道过大变形所造成的。因此测定和控制列车作用下轨道的变位，是确保行车安全的一个重要方面。,第三章 轨道结构检测,3.3.2 轨道各部件位移的测定,轨道各部分的位移又是分析轨道弹性，轨道横向刚度，扣件防爬能力，扣件抗倾覆能力，道床的纵、横向阻力，垫层弹性等规律不可缺少的参数，因而位移测量在轨道测试中占有重要的地位。测量位移可用的传感器种类很多，常用的有电阻应变式位移传感器、差动变压器式位移传感器两种。此外有电感式位移传感器，感应同步式位移传感器，磁栅位移传感器等。,第三章 轨道结构检测,3.3.2.1 电阻应变式位移传感器,常用：簧片式位移传感器及弹簧组合式位移传感器两种；,第三章 轨道结构检测,簧片式位移传感器,它用弹簧片作弹性元件(悬臂)，簧片宽度为等宽或渐宽，但簧片具有等强度。簧片的一端可用螺栓固定在安装架上，自由端设有便于安放联杆的凸或凹形接触点，也可以将联杆固接在簧片上。当悬臂为等宽时，应尽可能在靠近固定端的部位(悬臂为变宽度等强度梁时，可选任意合适断面)上下对称各贴1或2个应变片，并根据应变输出的要求，接成半桥(2片)或全桥(4片)。这种位移计结构简单，通过调节簧片的刚度可以做成适合不同量程，不同自振频率的位移计。,第三章 轨道结构检测,簧片式位移传感器,应变输出量的计算：,第三章 轨道结构检测,簧片式位移传感器,过大位移的影响：,位移过大时造成传递位移失真，其失真的过程与接触点的连接方式及联杆长度有关。分为两种情况进行讨论：联杆两端铰接和一端固定、一端自由两种连接方式。,第三章 轨道结构检测,簧片式位移传感器,过大位移的影响：,第三章 轨道结构检测,簧片式位移传感器,两端铰接：用这种联接方式时，杆长不允许太短，其位移的相对失真值较小，通常能满足测试精度的要求。但是当被测物体不仅在联杆方向产生位移，而且在与联接杆垂直的方向内还有位移时，则位移失真不仅要受到梁端纵向位移的影响，而且同时要受到与联接杆垂直方向的位移的影响，为了减小位移的相对失真值，要求把联杆加长，但联杆太长会造成安装不便。,第三章 轨道结构检测,簧片式位移传感器,一端固定，一端自由：簧片式位移传感器的联杆多属这种情况，这种联结方式比两端铰接时的精度要低，但它不受被测物体在与联杆垂直方向位移的影响。,第三章 轨道结构检测,簧片式位移传感器,安装条件的跟随性：簧片式位移传感器属接触性相对式测振传感器，可用作振动位移测量。它的弹性元件是通过顶杆压在被测物体上，使之产生一定的变形和压力。在被测物体的振动力和弹性反力作用下，顶杆跟随被测物体一起运动，再通过簧片上的应变片，把运动参量变为电参量。位移计输出的电参量能否正确反映被测物体的振动位移，关键在于顶杆的运动是否和被测物体的运动完全一致。,第三章 轨道结构检测,簧片式位移传感器,安装条件的跟随性：如果在测试过程中，顶杆与被测物体始终保持接触，这种传感器对所测的振动有良好的跟随性。这时被测物体的运动、顶杆的运动和位移传感器的输出有着良好的一致性。相反，如果在测试过程中，顶杆由于受被测物体振动力的作用，有和被测物体离开的现象，我们就说位移传感器对被测振动的跟随性不好。这时位移传感器的输出信号中往往叠加有由于顶杆在被测物体上的跳动而引起的频率比较高的成分。,第三章 轨道结构检测,簧片式位移传感器,安装条件的跟随性：,第三章 轨道结构检测,簧片式位移传感器,安装条件的跟随性：位移传感器的跟随条件是由被测物体的振动加速度(或频率和振幅)及位移传感器的簧片质量系统的固有频率所决定。安装时，簧片的预压量加大，可以提高位移传感器的跟随性。但是为了使用方便，簧片的预压量不宜过大，通常以使簧片的恢复力P=5N左右为宜。,第三章 轨道结构检测,弹簧组合式位移传感器,在进行轨头横向位移、尖轨横向位移等大位移量测量时，为了减小悬臂(簧片)弹性部分的变形，可以用弹簧与悬臂梁组合，做成组合式位移传感器。悬臂梁经过拉簧，再通过活动表杆(顶杆)与被测物体相接触，因此被测物体的位移是经过拉簧减小后再传到悬臂梁上的。因弹簧及悬臂梁均系线弹性元件，所以根据悬臂梁上由于小位移所引起的应变同样能推导被测点的大位移量值。拉簧较长，位移量减小显著，可测10cm以上的的大位移量。,第三章 轨道结构检测,弹簧组合式位移传感器,第三章 轨道结构检测,3.3.2.2 差动变压器式位移传感器,第三章 轨道结构检测,差动变压器式位移传感器的特性,差动变压器式位移传感器的特性取决于差动变压器的特性，通常涉及到灵敏度，零点电压和线性范围及动态特性等几个方面。灵敏度是指差动变压器在单位励磁电压的激励下，铁芯移动单位距离时输出信号的大小。动态特性在机械上受铁芯移动系统的质量弹簧特性的限制。若铁芯与框架之间没有弹簧联结，仅受到与偏离零位的距离成正比的磁场作用力的作用时，则铁芯系统的质量是影响动态特性的唯一机械参数。,第三章 轨道结构检测,差动变压器式位移传感器的特性,当铁芯处于线圈的中心位置时，次级线圈的输出在理论上应当为零。但是由于结构得不对称性、励磁电流与铁芯磁通的相位差不为零以及寄生电容的综合影响等等，导致输出电压不为零，此时的电压值称为零点电压。为了消除零点电压值，通常需要在测量电路中采取补偿措施，就是用电位器或电位器和电容组成平衡电路，在铁芯处于中心位置时进行调平。一般应保证励磁频率至少大于位移信号频谱中最高频率的10倍。,第三章 轨道结构检测,差动变压器式位移传感器的测量电路,大位移测量电路 微小位移测量电路,第三章 轨道结构检测,差动变压器式位移传感器的测量电路,第三章 轨道结构检测,3.3.2.3 轨道测试中位移传感器的参数选择,1.位移传感器的量程应该满足所测位移的要求。根据实测资料，轨道各部分位移的量值大体如表3-1所示，其数据可供我们选择位移传感器时参考。,表3-1 轨道各部分位移的量值范围(mm),第三章 轨道结构检测,3.3.2.3 轨道测试中位移传感器的参数选择,2.位移的精度。根据测试要求，确定位移传感器的分辨率、线性和滞后特性。3.频响。带宽100Hz的位移传感器，通常能满足轨道位移测量的要求。位移随频率的增长而很快下降(频率为700Hz。加速度为500的振动、位移仅0.025mm)。4.传感器的基本性能。指电源、输出电平、输出阻抗、信杂比等。5.位移传感器的坚固性。指安装支座容许的振动公差和残存的冲击值。,第三章 轨道结构检测,3.3.2.3 轨道测试中位移传感器的参数选择,6.抗电噪声干扰的能力。不受钢轨中信号回路和电力回路信号的影响。7.与钢轨之间有良好的绝缘性能。不要使轨道电路接地。8.位移传感器的横向灵敏度要低。它会影响到安装卡具和测杆接触形式的设计。9.在现场易于标定。10.对环境因素的防护。最好是密封，以防潮湿、盐分、灰尘、砂子的侵蚀。11.造价便宜。,第三章 轨道结构检测,3.3.2.4 轨道测试中位移传感器的安装,绝对位移测量：要求位移传感器安装在一个绝对固定的参考点上，这个参考点一般采用打深桩的办法来取得。固定桩的长度一般在2.0m左右。相对位移测量：要求消除非测定位移参数对测定参数的影响。例如在测量钢轨和轨枕的相对位移时，一般把位移传感器安装在轨枕上，这时就应当考虑由于轨枕弯曲对测试结果的影响。,第三章 轨道结构检测,3.3.3 道床应变和基面应力的测试,传统的轨道强度计算方法：都是以“道床应力”为参数，按道床“破坏”的概念建立道床强度的检算条件。然而在实际的轨道上，道床的失效多表现为在列车荷载反复作用下，由于道渣颗粒的窜动、磨损、破碎而造成的道床累积变形、脏污、板结等病害。它们决定了道床的清筛周期，也决定了轨道的经常养护维修工作量。这些道床病害的发生和发展，不是直接取决于列车荷载作用下的道床应力，而是取决于由列车荷载及道床状态所共同决定的道床应变。,第三章 轨道结构检测,3.3.3 道床应变和基面应力的测试,最好的计算模式：试验资料表明，荷载作用下的道床应变越大，卸载后的残余变形就越大，荷载重复作用后的累积残余变形也越大，道床病害的发生和发展就越快。因此用“道床应变”为参数，按道床失效的概念，建立道床承载能力的检算条件，比传统强度计算中“道床应力”和“破坏”的概念能更确切地反映道床的实际工作和实效情况。主要采用道床应变盒测试道床应变。,第三章 轨道结构检测,道床应变盒的结构,第三章 轨道结构检测,道床应变盒的结构,道床应变盒属张合式结构(上页图)。道床应变盒的弹性元件为四个马蹄形弹簧，盒的下底和上盖固牢于弹簧的两端，在下底和上盖之间留有3mm的间隙，在弹性元件受力变形时，供张、合之用。在四个弹簧上贴应变片，组成全桥，由于在弹性元件变形的方向无刚性组件，而且四个弹簧的性质基本一致，因此当作用于盒盖上的压力分布不均匀时，对应变盒的灵敏度不会有显著的影响，更不会出现盖上的某些接触点不引起弹性元件变形的情况。,第三章 轨道结构检测,道床应变盒的主要尺寸和参数,根据现行的道渣粒径，应变盒底和盖的外径选为70mm，和道渣的最大粒径相等。应变盒的厚度选用27.5mm，盒子越薄，埋入道床后的方向较易保持，稳定性好。但盒子的最小厚度受马蹄形弹簧高度的限制，弹簧的高度太小，感受变形的圆弧部分就越短，贴片就越加困难，贴片精度和质量就越难保证。,第三章 轨道结构检测,道床应变盒的主要尺寸和参数,盒子和周围道渣之间的接触要求与普通道渣相互之间的接触大体相似。外径过小就可能出现一颗道渣的一个或几个接触点作用在盒盖上，而另外的接触点作用在别的道渣上，这样应变盒所感受的压力就不是道床压力的全部而是一部分。在极端的情况下，甚至盒子完全处于道渣颗粒的孔隙之中，而几乎不感受道床压力。当然外径也不宜过大。埋入外径过大的应变盒在道渣中会改变作为散体结构的道床实际工作状态，从而改变荷载在道床中的传播规律，甚至改变荷载在各轨枕之间的分配关系。,第三章 轨道结构检测,道床应变盒的贴片、组桥和密封防潮,应变片贴于马蹄形弹簧的圆弧部分，这一部分对荷载的反应最为敏感。为了消除荷载偏心的影响，贴片的位置要求统一、准确。相对弹簧上的应变片贴在同侧表面，组成全桥的相对臂，相邻弹簧上的应变片贴在异侧表面，组成全桥的相邻臂。为了提高应变片的绝缘、防潮性能，最好能使用基底较薄或两面涂胶的应变片。应变片的标距以5mm为宜。并且除了在上下底盖之间及导线引出咀处设计了密封胶圈以外，还要在贴好的应变片上进行通常的密封防潮处理。,第三章 轨道结构检测,道床应变盒的标定,应变盒的标定是在特制的标定秤上进行的，通过标定秤给应变盒施加荷载，同时用千分表或位移传感器测定出与每档荷载相对应的应变盒压缩量，及应变盒桥路的输出应变。根据应变盒的压缩量和厚度，可以算出应变盒厚度的应变值，从而可以作出厚度应变与桥路输出应变之间的标定曲线。求出标定系数K=厚度应变/桥路输出应变=道床应变/桥路输出应变。在现场测得桥路输出应变之后，就可根据标定曲线，找到相应的应变盒厚度应变，即道床在垂直方向的压缩应变。一般在空气中标定。,第三章 轨道结构检测,道床应变盒的标定,第三章 轨道结构检测,道床应变盒的埋设,应变盒埋在轨枕的轨下断面离轨底150mm深处。选择在这一位置是因为从平面上看，这一位置的道床应变最大，是各种道床病害最容易出现的部位，埋深150mm是为了能进行道床捣固作业而不致于搅动盒子的埋设状态。,第三章 轨道结构检测,道床应变盒的埋设,埋设是先将枕下道渣全面扒开至埋设深度，再把盒子埋设部位的渣面整平，用小石子填补表面的坑洼，将盒子设置在整理好的渣面上。然后在盒子四周用道渣将盒子挤牢，用小石子填补盒子周边与道渣之间的空隙，再在盒子上面撒上一层小石子，将道渣自轨枕的两面均匀的向枕下回填，直至填满。再从两边轻轻窜镐、捣镐。埋设后第一次捣固不要求达到特别严实，待行车12天后，枕下道床会由于列车荷载的作用而得到比较均匀的夯实，这时再进行捣固就不会引起盒子埋设部位和水平状态的改变。埋设盒子要避免为了省事而从轨枕一侧掏渣、埋设，再从一边回填的做法，这样会造成轨枕两侧道床密实度不匀，在列车荷载作用下，未被搅动的较密实一侧的道渣会向新回填的较松的一侧窜动，从而导致盒子移动或倾斜。,第三章 轨道结构检测,道床应变盒的埋设,导线的端头要用胶料或热烫密封，防止水气渗入导线，全部导线要来回绕齐套入长30cm左右的套管内，套管沿轨枕方向埋在轨枕盒内，深度应和应变盒的埋设深度相同。为了使扒松的道床能恢复到原来的道床密实度，要求盒子提前11.5个月埋设，在埋设之后到实验前这段时间内，要求进行23次捣固作业，不允许埋设部位出现吊板或坑洼。实验前要进行一次全面的线路作业，保证线路处于正常、良好的工作状态。,第三章 轨道结构检测,道床应变盒的测试,清除枕盒内的道渣，轻轻地拿出套管，并将导线从套管内抽出。剪开导线端头的封口，剥出四根细导线(为全桥的四对角)，接成全桥进行测量。捡出道渣时要尽量少扰动道渣，特别是不要松动枕下的道渣，套管及导线取出之后，清除的道渣要立即回填。根据实测的桥路输出应变按下式计算道床应变：道床应变K=实测桥路输出应变,第三章 轨道结构检测,砂垫层和路基基面应力的测试,土压力盒结构：无油腔土压盒（单弹性薄板式和双弹性薄板式）和有油腔土压盒（单油腔和双油腔式）两种。,双弹性薄板式,第三章 轨道结构检测,土压力盒的结构,第三章 轨道结构检测,土压力盒结构,无油腔土压力盒中的弹性敏感元件是一个周边固支的圆形薄板，当土压力作用时，弹性薄板产生挠曲变形，使粘贴在弹性薄板内表面上的电阻应变片的阻值发生变化。从应变仪上得到弹性薄板受力后产生的应变值，再根据事先标定的“压应力-应变”曲线即可得到压应力值。有油腔土压盒：外部土压力先作用到弹性承压板上，再通过油层将力传给弹性薄板，使粘贴在薄板内表面的电阻应变片的阻值变化。通过油腔可是传力均匀，同时由于弹性薄板的变形可以比弹性承压板的变形大若干倍，从而大大提高传感器的灵敏度。一般单油腔土压盒多用于测量动、静态土中或结构表面的接触应力；双油腔土压传感器只能用于测量土中压应力。,第三章 轨道结构检测,影响土压盒使用性能的主要参数,(1)形态比值：形态比值=盒子厚度/盒子外径。一般讲，形态比越小，由于土压盒埋入而造成的应力集中影响越小，也就是说盒子越薄越好。(2)弹性薄板有效面积与整个盒子总面积之比值：由于作用在传感器