道路与铁道方向开题报告2.doc

石 家 庄 铁 道 大 学攻 读 硕 士 学 位研究生选题报告及论文工作计划研 究 生 学 号 论 文 题 目 重载运输条件下无缝线路钢轨 应力状态实时监控技术研究 专 业 道路与铁道工程 研 究 方 向 高速铁路与公路施工及监测技术 指 导 教 师 职称 教授 入 学 日 期 2011-9 选题报告日期 2011-10-31 1 选题的意义重载铁路有着非常高的效率和效益。在常规铁路充满竞争、投资不足、又需不断提高性能应付各种挑战时，重载铁路蒸蒸日上，以优异的特性为铁路的发展带来新的生机，已成为世界各国铁路运输发展的方向，也是我国加速提高铁路运输能力的主要途径。加快煤运通道建设和既有线扩能改造力度，形成运力强大、组织先进、功能完善的煤炭运输系统是我国中长期铁路网规划的重要发展内容之一。要保证重载铁路高效、安全地运营，组成重载铁路系统的各要素必须保持高标准，加之我国特有的高行车密度，这对我国重载铁路技术提出了更高的要求。加快煤运通道建设和既有线扩能改造力度，形成运力强大、组织先进、功能完善的煤炭运输系统是我国中长期铁路网规划的重要发展内容之一。要保证重载铁路高效、安全地运营，组成重载铁路系统的各要素必须保持高标准，加之我国特有的高行车密度，这对我国重载铁路技术提出了更高的要求。无缝线路既是轨道结构技术进步的重要标志，也是当今世界高速、重载铁路轨道结构的最佳选择。无缝线路的综合技术经济效果突出，已为世界各国铁路实践所证实。无缝线路可延长钢轨使用寿命，减少养护维修劳力和材料，减少列车运行能耗。同时，铺设无缝线路的附加费用较少。但无缝线路把接头焊接起来，钢轨无法自由伸缩。同时无缝线路长轨条受到扣件阻力和道床阻力的约束，当轨温发生变化时，在长钢轨中就会产生轴向温度力。在轨温上升时，长轨条中产生轴向压力；在轨温下降时，长轨条中产生轴向拉力。这样无缝线路中钢轨受到车辆施加荷载和温度力的共同作用，其应力状态变的更加复杂。当钢轨应力状态不良时，会导致钢轨折断或线路胀轨，这对行车安全造成很大的危害，这对列车编组长、轴重和列车密度大的重载铁路尤为严重。例如，在南非重载铁路上，50%60%列车延误和安全事故是由钢轨应力状态不良造成的。在重载铁路发达的美国，20%脱轨事故是由无缝线路温度应力引起的断轨和胀轨造成的。因此，为了保证无缝线路安全运行，无缝线路长钢轨中的应力应控制在一定的范围内。在外荷载确定的情况下，无缝线路的温度应力控制是长钢轨中应力控制的一个关键。2 国内外研究现状及存在的主要问题在重载运输的情况下，车辆施加的荷载大大增加，钢轨应力状态恶化，这时对钢轨温度应力的控制更加重要。从1999年开始，美国重载铁路公司美国联合太平洋铁路公司利用温度应力监控设备进行无缝线路温度应力的监控，现在已经在重载线路中温差大的地方装了100多个温度应力监控设备。2006年，南非在其重载铁路中实施了“无缝线路纵向应力监控”项目。2007年，巴西开始利用无损检测设备监控无缝线路温度应力；采取温度应力监控后，线路胀轨事故从2007年120起降到2008年的57起。重载铁路发达的澳大利亚在进行钢轨铺设和焊接时，在线路上每隔50 m安装一个温度应力监控设备，监控钢轨温度应力，并根据监测数据来确定在夏季时的列车行车速度，保证线路运行安全。随着我国经济的发展，铁路运量显著增加，形成了大轴重、大牵引质量和大运输的重载运输特点。为了有效地预防无缝线路的胀轨事故发生、减少钢轨伤损率，实现适时对断轨和胀轨进行控制，防止引发列车脱轨事故，一些高校和单位进行对此进行了研究。2000年，由苏州工务段与常熟市计量仪器厂联合开发研制的全天候ZWZ智能轨温检测记录装置,可对钢轨温度和大气温度进行连续自动测定记录。2004年，天津大学电子信息工程学院的杨蕾、侯春萍开发了无缝线路轨温实时监测系统。在该系统中，利用单片机对传感器进行远程控制和数据传输，借助串行通信实现人机交互控制。该系统目前已投入使用，通过对轨温的实时测量和数据统计，为轨道监测和维护作业提供了科学的依据。2007年，上海铁路局技术中心的陈国辉、蒋文俊研发了轨温、温度力实时监测网络传输系统。该系统的主要特点是：充分利用中国移动通信平台，运用简单的系统对轨道温度和环境温度的定点定时监测，通过自动无线(短信)传送手段，实现对轨道及环境温度的实时监测与传送。此外，目前各国铁路还广泛开展纵向力测定仪和测定方法的研究，主要有以下几种：（1）直接测量钢轨变形这类方法所采用的仪器有机械变位计、电阻丝变形计等；该类仪器结合无线传输技术能够实现长期的远程监控，并且能够监测到钢轨折断。目前塞利安特公司利用这项技术成功开发了的无线钢轨应力/温度测量仪，能够实现温度应力的无线监控。（2）音响弹性测量法所谓声弹性是指传播于弹性体中的超声波声速，依存于传播路径的应力状态发生微小变化的现象。（3）声音放射法检测因应力改变音频放射情况，通过与标定值比较，确定温度应力大小。（4）巴克豪森法应用因应力使巴克豪森噪音发生状况变化的现象，来测定应力的方法；德国施密特公司开发了手推车式的钢轨温度应力测试仪RailScan。该仪器能够沿钢轨纵向连续测量，可以得到温度应力沿纵向的分布特征。（5）X射线法应用应力随调射线反射而发生变化的原理测定应力量值。（6）超声波应力测定仪材料承压时，在压力方向上的弹性系数增加，音速也稍有增加，而且材料一旦磁化，在磁化方向上传播的超声波衰减增加，为此可利用这一原理测定纵向力，虽然向钢轨纵轴方向输入纵波难度很大，但是使其传播表面波较容易，而且其位置可在钢轨的腹部（不宜在钢轨顶面，因列车长期运行表面材质硬化）；并采用容易拆装的卡具安装测定器。（7）导磁率测定法应用应力使磁性体的导磁率发生变化的现象来测定钢轨纵向力。这一测定方法德国和日本曾进行研究，但因钢轨残余应力及轨道上的动力电流的电磁影响，很难测得纵向力的绝对值。国内北方交通大学易大斌教授经长期研究，采取测量磁性体的导磁率增量来确定无缝线路锁定轨温，从而排除上述钢轨残余应力等的影响，使该测定方法近于实用。（8）在平面或立面上施加集中力F，并测定钢轨挠度计算求得温度应力匈牙利和美国铁路曾采用这种方法确定无缝线路纵向力P。1990年美国Andrew Kish根据梁弯曲力学原理，能测定纵向力绝对值，没有破坏性仅需拆除轨道上的道钉、防爬器等扣件。具体做法是让一段钢轨和轨枕脱开联系，脱开段两端加以固定，中心施加垂直力将钢轨提起，因钢轨的挠曲量和钢轨内的纵向力有直接关系。纵向压力将使钢轨挠曲量增加，纵向拉力将使挠曲量减少。一定长的钢轨如提起量相同，则从提升力的大小就可换算成纵向力的大小。同年，美国联邦铁路局把这一项目列入安全研究计划，通过研究，制造出加载车，在运营线上进行无缝线路纵向力的测定。近来，英国Vortok公司开发了一种称为Verse的长钢轨锁定轨温测量装置(也称温度应力测量器)。这种装置在测试前需将约2030m长轨道的扣件松开。该仪器利用传感器测量对钢轨的拉力，并测量钢轨的位移。根据位移和拉力的大小计算钢轨中的温度应力。根据介绍，钢轨的残余应力不影响测量结果，测量精度为0.2，测量标准差1.3 。英国、美国、芬兰、意大利和加拿大的一些铁路公司使用了这一测量装置。中国铁道科学研究院也仿制了类似的仪器。北京铁路局石家庄工务段联合石家庄铁道学院研制了无缝线路锁定轨温测量仪器。该仪器采用加载装置在钢轨横向施加力，测定钢轨挠度L计算求得纵向力。（9）钢轨轴应力测定仪日本力计测工业株式会社试制的钢轨轴应力测定仪，由钢轨长度测定器、演算记录装置、钢轨温度测定器、测针、测定用台座所构成。在钢轨铺设前处于自由状态，在钢轨上安装测针，测定两点间距、钢轨温度、测定器温度，并把以上测定结果作为初始值，无缝线路铺设运营后，进行同样测定，记录装置将两次测定结果进行计算，并显示、打印轴向力的测定结果。这种钢轨轴应力测定仪曾在日本新干线上得到应用，能保证一定测量精度，但其缺点是需要测量初始值。（10）测标法1982年刘兴汉工程师研究提出标定轨长法，后经郑州铁路局和兰州铁道学院改进后定名为测标法。测标法的基本原理，是通过钢轨线膨胀系数，将钢轨应变折合成相应的轨温变化幅度。用测标法计算确定锁定轨温的基本公式如下：式中， T0 钢轨处于零应力时的轨温，即锁定轨温；T用钢尺测量时钢轨温度；L钢轨未能实现的伸缩量；为钢轨的线胀系数；L0 测标距离。这一方法因测量轨温与尺温有误差，钢尺与钢轨的线胀系数也稍有差异，因而有一定误差，但适于现场单位应用；目前郑州铁路局应用较为广泛。(11) 位移法所谓位移法就是在现场测试过程中，任选一段被测钢轨区域,将单股钢轨被测点前后扣件松开10 m 0. 5 m ,两端按无缝线路技术要求锁定,用千斤顶反复对被测钢轨跨中点施加侧向力(01 kN) ,用位移传感器测量出跨中相应的侧向位移并进行统计处理,然后利用标定试验建立的钢轨跨中力与侧向位移的对应关系P/= 184. 92 EI/L3 + 5. 1N/L ，即可计算出该段钢轨跨中的实际温度力(轴力) 。尽管无缝线路稳定性分析方法和钢轨纵向力监测方面已经取得了一定的成果，但在重载铁路无缝线路的稳定性分析和钢轨纵向力监测方面，在理论分析、试验研究和数值模拟等方面存在许多不足，主要表现在：（1）理论研究不完善。无缝线路稳定性分析理论多是对无缝线路受力和变形的近似模拟仿真，这对无缝线路的设计和养护维修提供了一定的指导作用。但这些理论都不同程度地存在着不足之处，考虑的因素不够全面，无法有效地仿真无缝线路在使用条件下的受力和变形。尤其是对于在长大编组重载车辆作用下钢轨稳定性分析理论还有待完善。（2）现场试验研究比较少。无缝线路安全运营重要措施就是监控钢轨纵向力的变化。虽然现场采用了一些钢轨纵向力和钢轨锁定温度的测量设备，但由于测量设备的精度不足或测量设备便捷性不足，目前对钢轨纵向力设备的应用还是处于起始阶段，远未达到实际应用阶段。因而，现场试验研究进行地比较少，无法有效地对无缝线路稳定性理论进行验证。（3）数值计算模型不完善。我国在长大编组重载列车荷载作用下轨道动力响应数值模拟方面计算模型还不完善。目前轨道动力响应研究重点大多在轮轨力、车辆与轨道结构的动力响应方面，不能考虑钢轨纵向力对轨道稳定性的影响。（4）监测设备连续性不强。目前国内还没有建立对钢轨纵向力和锁定温度的连续监测方法，不能实时连续监测锁定轨温的变化，无法研究锁定轨温的衰减规律。3 本课题拟研究的内容和目标1.无缝线路钢轨应力状态监控设备关键部件研发无缝线路轨温变化幅度比较大，而且最低轨温比较低，这样对无缝线路钢轨应力状态监控设备中元器件提出了更高的要求。要求这些元器件能够在钢轨处于最低温度和最高温度时，能够正常工作。2.重载运输条件下无缝线路应力状态长期监控网络根据建立的无缝线路监测点，建立网络管理平台，统一管理，并形成无缝线路运行安全监控、预防体系。该网络包括五大模块：数据采集、数据库、数据分析处理、无缝线路稳定性分析与评估、无缝线路断轨分析与评估。通过对检测数据进行分析处理，实现现场采集数据实时显示，并根据重载运输条件下无缝线路稳定性分析模型，分析无缝线路稳定性情况，与规范限值进行比较，做出无缝线路稳定性状态评价。4 本论文的重难点及创新点重难点：1.重载运输条件下无缝线路温度应力分布研究重载运输条件无缝线路钢轨应力状态的监控效果对监控点的依赖性很强。选择线路中温度应力较大的地方为监控对象才能实现较好的监控效果。因此，要分析重载运输条件下无缝线路纵向力分布规律，尤其是长大编组的列车荷载作用下，钢轨纵向力的分布规律，确定出温度应力峰值点，以这些峰值点为监控对象。2. 无缝线路纵向力和锁定温度测量设备对比分析按照先进性、适应性、经济型、可靠性等原则，对现有的仪器进行对比分析，以对现有的测试仪器的优缺点有一定的认识，为开发一种新仪器做技术准备。3.重载运输条件下钢轨应力监控数据的传输与处理为实时获取现场钢轨应力监控数据，关键在于解决监控数据的传输问题；本实验采用的是应变法，由于应变片的热输出具有一定的分散度且随温度的变化是非线性的，如何处理数据并由监控数据分析判定钢轨应力状态将是关键。创新点：1.研发一种技术先进、经济合理的无缝线路钢轨应力状态监控仪器。2.建立一套重载运输条件下无缝线路应力状态长期监控网络，监控网络应先进、适用、经济、合理。5 论文研究方法及具体步骤1.研究方法 根据确定的监测点 利用理论计算和现场测试数据对比相结合，研发钢轨应力测试仪；利用数据处理技术和无缝线路的稳定性理论，对无缝线路的状态进行分析。2.具体步骤 (1)选取两个Railstress传感器在室内标准试验台上进行室内验证试验，确定仪器的校正方法。同时，进行不同无缝线路纵向力测试仪器的对比试验，从中发现现有测试仪器的优缺点，为研发一种适合我国国情和路情的无缝线路钢轨应力状态监控仪器提供试验基础。(2)进行现场实验，对于得到的监测数据，利用海量数据存储技术，对监控数据进行分类存储，并利用数据挖掘技术，对监控数据进行对比分析，明确无缝线路钢轨应力状态的变化情况。6 论文工作的时间安排2011年9月至2011年10月 搜集阅读国内外相关的科技文献2011年10月至2011年11月 整理相关的文献资料并写完开题报告2011年11月至2011年5月 研发钢轨应力监控仪器并进行现场试验及数据分析处理2012年5月至2012年11月 撰写论文2012年11月至2013年1月 完善论文、答辩7 参考文献1 练松良轨道工程M上海：同济大学出版社，20062 卢耀荣著，无缝线路研究与应用，北京：中国铁道出版社，2004年 3 广钟岩，高慧安主编，铁路无缝线路，北京：中国铁道出版社，2001年 4刘永前,王建文,邹振祝.无缝线路钢轨温度力测试的位移法J.铁道学报,2005,27(4):125-128.5祁欣.无缝线路钢轨纵向应力在线检测研究J.机械工程学报,1998,34(2)：104-110.6何奎元,秦立朝.无缝线路温度力的分布与变化规律J.怀化学院学报,2006,25(8),188-190.7美国联邦铁路局.钢轨纵应力的超声波检测J.宋文伟译,西铁科技,2008,(3):45-47.8刘永前,王建文.新型无缝线路温度内力测试系统的研制J.计量学报,2006,27(2):145-148.9杨蕾,侯春萍.无缝线路轨温实时监测系统的实现和应用J.自动化与仪器仪表,2004,4:24-26.10丹治淳一等（日）.钢轨纵向力测定法J .李惠春译，哈尔滨铁道科技，2002，(3),33-3411于石生,田浩. 基于巴克豪森效应的无缝钢轨纵向应力测试J,无损检测,2002,21(3),93-9512苏桂芬,宋广浩. 无缝线路钢轨温度监测系统的研制J,新技术与新产品.13李勇攀,王寅观,刘蕊.超声反射纵波法检测钢轨应力的实验研究J,力学季 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