（凝聚态物理专业论文）巴克豪森噪讯无缝线路应力检测仪的研制及应用.pdf

巴克豪森噪讯无缝线路应力检测仪的研制及应用 摘要 随着铁路高速化与重载化的发展，世界各国均广泛采用无缝线路技 术。由于无缝线路钢轨不能自由伸缩，当轨温发生变化时，将产生很大的纵 向温度力。过大的温度力会导致钢轨臌曲失稳或断裂，导致车辆脱轨，危及 行车安全。因此铁路公务部门对无缝线路钢轨纵向温度应力的检测至关重 要，通过随时了解无缝线路实际纵向温度应力，预测发生胀轨或断轨的可 能性，以便适时采取维修措施。 目前还不能用通常的测力手段来直接测量结构的应力及残余应力，只 能通过测量由应力或残余应力引起的材料的某种物理参数的变化，间接地 得出应力的大小和方向，这些方法影响其检测精度的因素也很多。本文在 铁磁学、弹性力学等理论基础上，解释了磁巴克豪森噪声的原理，介绍了 基于该理论基础上发展起来的巴克豪森噪讯应力检测技术，在前人工作基 础上，完成了巴克豪森噪讯无缝线路应力检测仪的研制，巴克豪森噪讯无 缝线路应力检测仪的整个系统由传感器、磁化电路、信号处理电路、。们 转换电路以及数据显示电路等组成。 本论文研究了功放电路的带负载能力和阻抗匹配，分析了不同磁化电 压对巴克豪森信号的影响。并针对u 7 4 钢轨上截取的拉伸试块和压缩试 块进行的拉伸和压缩实验研究，分析了磁巴克豪森噪讯信号随着应力变化 的关系。随后将该仪器对北京市丰台区工务段选取的一段无缝线路进行内 部应力的检测，研究铁轨轨腰结构的焊接接头附近的应力大小和分布，从 北京化丁大学硕+ j 学位论文 而确保火车在铁路上运行安全，具有十分重要的实际意义。 关键词：巴克豪森效应，铁磁材料，残余应力，无损检测，磁化电压，带 负载能力 摘要 d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h e b a r k h a u s e nn o i s ec o n t i n u o u sw e l d e dr a i l s t r e s sd e t e c t o r a b s t r a c t a s r a i l w a yd e v e l o p e dh i g h s p e e d a n do v e r l o a d ，s e a m l e s sr a i l w a y t e c h n o l o g yi su s e dw i d e l ym o s to ft h ec o u n t r i e si nt h ew o r l d b e c a u s e s e a m l e s sr a i l w a yc a n ts t r e t c hf f e e l gt h e r ep r o d u c e sg r e a tv e r t i c a lt e m p e r a t u r e s t r e s sw h e nr a i l w a yt e m p e r a t u r ec h a n g e s e x c e s s i v et e m p e r a t u r es t r e s sc a n l e a dr a i l w a yt ob e n da n db r e a ko u ta n dl e a dv e h i c l et od e r a i l u l t i m a t e l y e n d a n g e rt r a f f i cs a f e t y t h e r e f b r e ，i t i s v e r yi m p o r t a n t t ot e s tv e r t i c a l t e m p e r a t u r es t r e s so fs e a m l e s sr a i l w a yi nr a i l w a yp u b l i cs e c t o r t h r o u g h t e s t i n gt h ea c t u a lv e r t i c a lt e m p e r a t u r es t r e s so ft h es e a m l e s sr a i l w a y , w ec a n p r e d i c tt h ep o s s i b i li t yo ft h eb u c k i n g t r a c ka n do f f - t r a c k ，t h e nt a k em e a s u r e st o r e p a i ri nt i m e a tp r e s e n t ，t h e r ea r en on o r m a lm e a n st om e a s u r et h es t r e s sa n dt h e r e s i d u a ls t r e s sd i r e c t l y , w ec a ng e tt h es i z ea n do r i e n t a t i o no ft h es t r e s s i n d i r e c t l yb ym e a s u r i n gt h ec h a n g eo ft h em a t e r i a l s c e r t a i np h y s i c a l p a r a m e t e r sc a u s e db yt h es t r e s sa n d t h er e s i d u a ls t r e s s t h e r ea r em a n yf a c t o r s a f f e c t i n gt h ed e t e c t i o na c c u r a c yo f t h e s em e t h o d s i nt h i sp a p e r w ee x p l a i nt h e p r i n c i p l eo ft h em a g n e t i cb a r k h a u s e n n o i s eb a s e do nt h et h e o r yo ft h e i i i 北京化工人学硕f ：学位论文 m a g n e t i cm a t e r i a l sa n dt h ee l a s t i c i t y , a n di n t r o d u c et h em a g n e t i cb a r k h a u s e n n o i s es t r e s st e s t i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p e do nt h eb a s i so ft h e s et h e o r i e s w e d e v e l o pt h em a g n e t i cb a r k h a u s e nn o i s ec o n t i n u o u sw e l d e dr a i ls t r e s sd e t e c t o r b a s e do nt h ef o r m e rw o r k t h ew h o l es y s t e mo ft h em a g n e t i cb a r k h a u s e n n o i s ec o n t i n u o u sw e l d e dr a i ls t r e s sd e t e c t o rc o n s i s t so fs e n s o r s ，m a g n e t i c c i r c u i t ，s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，a dc o n v e r t e r c i r c u i ta n dd a t ad i s p l a yc i r c u i t ， e t c i nt h i sp a p e r ，w es t u d yt h el o a dc a p a c i t ya n dt h ei m p e d a n c em a t c h i n go f t h ea m p l i f i e rc i r c u i t ，a n da n a l y s i st h ei n f l u e n c eo ft h em a g n e t i cb a r k h a u s e n n o i s es i g n a la f f e c t e db yd i f f e r e n tv o l t a g e w ed ot e n s i l ea n dc o m p r e s s i o n e x p e r i m e n t s ，t h e ns t u d yt h et e n s i l ea n dc o m p r e s s i o nb l o c k si n t e r c e p t e df r o m u 7 4r a i la n da n a l y s i st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a g n e t i cb a r k h a u s e nn o i s e s i g n a la n ds t r e s s f i n a l l yw ea p p l yt h i sd e t e c t o rt ot e s tt h ei n t e r n a ls t r e s so f a s e c t i o no fs e a m l e s sr a i l w a yw h i c hi ss e l e c t e df r o mb e i j i n gf e n g t a id i s t r i c t s p u b l i cw o r k ss e c t i o n w es t u d yt h es i z ea n d d i s t r i b u t i o no ft h es t r e s sn e a rt h e w e l d e dj o i n t so fr a i l w a yw a i s ts t r u c t u r e i ti sv e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et oe n s u r et r a i n s o p e r a t i o n a ls a f e t yo nl i n e k e y w o r d s ：m a g n e t i cb a r k h a u s e ne f f e c t ，f e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l ，r e s i d u a l s t r e s s ，n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，m a g n e t i cv o l t a g e ，l o a dc a p a c i t y i v 符号说明 符号说明 e t涡流检测 p t液体渗透检测 m t磁粉检测 r t射线照相检测 u t超声检测 。 电导率 p 磁导率 m a e磁声发射 m b n磁巴克豪森效应 m m m金属磁记忆 s m a应力致磁各向异性法 钢的线膨胀系数 轨温变化幅度 钢的弹性模量 钢轨断面积 最高轨温 最低轨温 轨枕的阻力 钢轨的阻力 伸缩区长度 最大的温度力 接头阻力 道床纵向阻力 磁化强度 磁场强度 x l 0 ； m 旺 a e f 、舢 ，m r p 腓 h r 压 a e f k k r p 。 h r m h 符号说明 磁感应强度 剩余磁感应强度 饱和磁感应强度 矫顽力 饱和磁场强度 磁各向异性 磁致伸缩系数 声电转换晶片 动量 普朗克常数 自由电荷密度 电流密度 介电常数 真空磁导率 真空介电常数 巴克豪森噪声 双列直插式封装 运算放大器 b 辟 风 也 俄 九 砑 p h 阢 ， 勖 趴 鲫 p 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：王型日期：兰! 呈：! ：兰兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：王鱼 导师签名：二浮丘l 日期：j 斗吣j 上选，_ 一 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 无缝线路是当今轨道结构现代化的重要标志，各国铁路在发展高速、重载运输 的同时，无不大力发展无缝线路。近年我国铁路无缝线路的发展可谓突飞猛进，以跨 区间和全区间无缝线路和无缝道岔为标志的新型轨道结构，已经在全国各主要干线成 功地铺设，为我国铁路快速发展提供了必要的基础条件。无缝线路轨道结构的新发展， 对进一步普及无缝线路知识、完善无缝线路的管理工作和安全工作提出了必要的基础 条件。由于无缝线路钢轨不能自由伸缩，当轨温发生变化时，将产生很大的纵向温度 力。过大的温度力会导致钢轨臌曲失稳或断裂，导致车辆脱轨，危及行车安全。因此铁 路公务部门对无缝线路钢轨纵向温度应力的检测至关重要，通过随时了解无缝线路 实际纵向温度应力，预测发生胀轨或断轨的可能性，以便适时采取维修措施。 磁弹噪讯技术就是巴克豪森噪讯法，只要将传感器放置在被测构件表面，就可以 通过单片机存储的应力与m b n 变化的关系曲线，立即反映出材料服役应力和疲劳情 况。利用磁弹波技术，不仅可以测量材料的残余应力和疲劳寿命，如果对其检测机制 及原理做进一步的研究，它还可以丌拓许多工程在线检测方向的研究。比如，硬度、 材质合格率等。巴克豪森噪讯技术检测是近年发展起来的无损测定残余应力新型方 法，具有方便、快速、准确的特点。它可实施在线、瞬态、便携、定点、监控检测铁 磁材料内部残余应力、疲劳寿命、硬度、显微组织、表面状态，也可对产品或设备进 行整体的分析、评价，是非常有发展潜力的残余应力动态无损检测技术。 1 2 检测技术发展概况 检测钢铁材料及其构件的应力及残余应力检测，一直受到工程界的重视，相关人 员对应力及其测试方法的研究比较关注，但至今还不能用通常的测力手段直接测量结 构的应力。一般都通过测量由应力引起的材料的某种物理参数的变化，间接地得出应 力的大小和方向。针对应力的常规检测方法，目前主要有：( 1 ) 有损应力检测法；( 2 ) 无损应力检测法。 有损应力检测法是采用机械方法把含有残余应力的工件一部分分离掉，残余应力 将被释放掉一部分，零件内的应力就发生重新分布，引起了变形。一般常用应变片把 分离前后的应变变化测量出来，再利用弹性理论进行处理，即可推算出残余应力值。 其主要包括削磨面积法、小孔法、锯切法、开槽法、逐次去层法等。这些方法的特点 是：测定应力精度较高，但操作复杂，不易实现在线检测。 北京化t 大学硕十学位论文 无损检测技术是在不损伤被测对象的条件下，利用材料内部结构异常或缺陷存在 时所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件、结 构件等内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布以 及其变化做出判断和评价。其最大特点是能在不损伤材料、工件和结构的前提下进行 检测，产品的检查率可以达到1 0 0 。它是一门在生产和生活中应用广泛的综合技术， 应用范围普及至机械、建筑、航天、航空、铁道、冶金、船舶、石化等多个领域，产 生了显著的经济效益和社会效益。 1 2 1常规无损检测方法 目前工程中应用最广泛的无损检测方法有涡流检测( e d d yc u l l r e n t ，e t ) 、液体渗 透检测( l i q u i d p e n e t r a n tt e s t i n g ，p t ) 、磁粉检测( m a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n g , m t ) 、射 线照相检测( r a d i o g r a p h i c t e s t i n g , r t ) 和超声检测( u l t r a s o n i c t e s t i n g , u t ) ，通常称 为五大常规无损检测方法。 ( 1 ) 涡流检测，建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法【2 0 】。它适用于 导电材料。如果我们把一块导体置于交变磁场之中，在导体中就有感应电流存在，即 产生涡流。由于导体自身各种因素( 如电导率o 、磁导率队形状、尺寸和缺陷等) 的变 化，会导致感应电流的变化，利用这种现象而判知导体性质，状态的检测方法叫做涡 流检测方法。涡流检测的基本原理如图1 1 所示。 烧圉 国困 乏 r 舅 ( 型f 吨 伍荔 ! 图1 - 1 涡流检测基本原理 f i g 1 - 1b a s i cp r i n c i p l e so f e d d yc u r r e n tt e s t i n g 涡流检测的主要优点是检测速度快，线圈和试件可不直接接触，无需耦合剂。主 要缺点是只限用于导电材料，对形状复杂试件难做检查，只能检测薄试件或厚试件的 表面、近表面部位，检测结果不直观，判断缺陷性质、大小和形状较难。 ( 2 ) 液体渗透检测，利用液体毛细管作用，将渗透液体渗入固体材料表面开i s l 缺 陷处，再通过显象剂将渗入的渗透液吸出到表面显示缺陷的存在。渗透检测的具体步 骤如图1 2 所示。 ， 第一章绪论 图1 - 2 渗透检测的具体步骤 f i g 1 2c o n c r e t es t e p so fl i q u i dp e n e t r a n tt e s d n g 液体渗透检测的优点是无需电源，不受被检试件形状、尺寸、化学成分、内部组 织结构和缺陷方位的限制。缺点是只能检出试件丌口于表面的缺陷，不能显示缺陷的 深度、形状和大小，限光洁与清洁表面裂纹。 ( 3 ) 磁粉检测是通过磁粉在缺陷附近漏磁场中的堆积以检测铁磁性材料表面或近 表面处缺陷的一种无算检测方法，利用缺陷处漏磁而吸附磁粉，形成磁痕，从而显示 铁磁性材料表面和近表面缺陷。原理是将待测物体置于强磁场中或通以大电流使之磁 化，若物体表面或表面附近有缺陷( 裂纹、折叠、夹杂物等) 存在，由于它们是非铁 磁性的，对磁力线通过的阻力很大，磁力线在这些缺陷附近会产生漏磁。当将导磁性 良好的磁粉施加在物体上时，缺陷附近的漏磁场就会吸住磁粉，堆集形成可见的磁粉 痕迹，从而把缺陷显示出来。缺陷与磁力线作用产生漏磁如图1 3 所示。 袭蹶缺陷近褒匪缺陷 图1 - 3 缺陷处渊磁的示意图 f i g 1 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f m a g n e t i cf l u xl e a k a g ed e f e c t 磁粉检测的优点是能直观显示缺陷的形状、位置和大小，并可大致确定其性质， 灵敏度较高，几乎不受试件大小和形状的限制，对钢铁材料或工件表面裂纹等缺陷的 检验非常有效，设备和操作均较简单，检验速度快，便于在现场对大型设备和工件进 行探伤，而且工艺简单，费用低廉。缺点是只能用于铁磁性材料，只能发现表面和近 表面缺陷的长度和形状，不能确定缺陷的埋藏深度和自身高度，对剩磁有影响的一些 工件，经磁粉探伤后还需要退磁和清洗。 ( 4 ) 射线照相检测，利用j 下常部位与缺陷部位透过的放射线量的不同，而造成底 片上墨度的差别，来检测试件的内部缺陷。射线检测技术的优点是检测缺陷位置不限， 3 北京化t 人学硕 ：学位论文 对被检工件的表面和结构没有特殊要求，对被测试件的材料也没有限制。缺点是裂纹 检测灵敏度低，成本高，有辐射危害，需考虑安全防护问题。 ( 5 ) 超声检测，利用超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织 的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测，束 了解材料性能和结构的变化。超声检测的原理如图1 4 所示。 缺觞雇街 图1 - 4 超声检测原理图 f i g 1 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fu l t r a s o n i ct e s t i n g 超声检测的优点是可用于金属、非金属和复合材料制件的无损评价，检测灵敏度 高，声束指向性好，对裂纹等危害性缺陷敏感，检出率高，可确定缺陷深度等。缺点 是需用耦合剂，对试件形状有一定限制。 1 2 2巴克豪森应力无损检测技术 2 0 世纪5 0 年代，人们发现了外力可以改变磁化曲线的现象，从而产生了一种新 的无损检测方法磁测法，然而真正把它用到应力【4 巧】的测量上还是近十几年的事。 1 9 1 9 年，德国科学家h b a r k h a u s c n 发现了巴克豪森效应，巴克豪森效应的早期研究， 都是围绕物理过程，目的在于阐明磁畴运动，测量方法也比较简单。2 0 世纪6 0 年代 后，由于电子测量技术的迅速发展，许多研究工作者对巴克豪森效应进行了更深入的 理论研究，同时也开拓了众多应用领域。1 9 6 9 年，r l p a s l e y 研究了运用b n 技术测 量应力分布的无损检测方法。1 9 7 7 年，o s u n d s t r 6 m 等人探讨了巴克豪森效应用于微 组织结构参数、晶粒度、铁损、应力等的无损检测。1 9 8 2 年，b n 测量技术又有了新 的进展，gvk i n g s 研究了应力作用下的晶粒取向及硅钢在各磁化区域发射的噪音谱， 试验用了两种方法：一是b n 噪音输出的强度谱，即所谓时间域分析；二是以幅度域 技术为基础，测量脉冲幅度分布和产生率，由于脉冲输出类似高斯分布，故可以用统 计方法的幅度标准偏差来定量研究不同磁化区域内的应力响应。1 9 9 6 年，d j o r d j e s p a s o j e v i c 等人在大量实验数据基础上，基于统计分析方法研究了巴克豪森信号的能 量谱，得到了和好的结果。2 0 0 6 年，波兰m a r e ka u g u s t y n i a k 等人基于信号仿真的方 4 第一章绪论 法又作了进一步的研究，2 0 0 7 年巴西a eg u i m a r a e s 等人基于时基巴克豪森信号的包 络，使用统计、仿真等方法得到了对材料的磁无序区域进行了研究。在对巴克豪森信 号进行波形变换分析方面，2 0 0 0 年波兰l e s z e kb m a g a l a s 将小波变换应用在巴克豪 森信号的分析上，得到的结果提高了对应力的敏感程度。近些年来，有些研究者将巴 克豪森效应的研究与克尔磁畴观察技术和透射电镜的微结构分析( 位错、脱溶物、晶界、 应力1 结合起来，对材料的性能进行了分析研究，取得了较好的结果。 芬兰l p k a r j a l a i u n 和美国k t i i t t o 等人分别用b n 法、x 射线法、钻空应力弛 豫法对f e 3 7 钢残余应力【钾】进行了检测，发现三者有很好的一致性。k t i i t t o 夫妇， 对m b n 理论、机制研究较少，但从2 0 世纪9 0 年代开始应用此技术开展对铁磁材料 零部件实施应力检测和硬度分析，并对材料显微组织含量，材料表面粗糙度对m b n 的影响进行了研究，提出由“强磁化场激励构件，产生高噪讯的应力测试方法”。加 拿大以c j a g a d i s h 和d l a t h e r t o n 教授为首的课题组，9 0 年代初开始研究了磁畴结 构对m b n 的影响，各种零部件偏振场的特点，并用成型设备，依靠接收线圈，接收 m b n ，测量了管材、棒材及不同材质的m b n 大小及应力对m b n 的影响，从实验角 度验证了m b n 技术用于在线检测及工程检测的可行性。以色列的i r o m a n 教授，研 究了m b n 与材料的机械加工胁变破坏机理有关，并指出当材料达到断裂压力时，m b n 出现饱和峰值。在r 本，y a s u m i t s ut o m i t a ，k i y o s h ih a s h i m o t o 等人通过巴克豪森技术 分析钢铁的疲劳损伤，提出由标定曲线的饱和段确定构件的疲劳寿命。 但是采用巴克豪森效应f 8 。u ( m b n ) 应力检测技术实现对铁磁构件在线、瞬态、简 便、非定点检测还有很多关键技术问题没有解决，理论问题不完善，甚至不清楚。例 如：磁畴错动，畴壁位移产生巴克豪森噪声与应力的计算关系等。磁声发射( m a e ) 是 近年发展起来的一种磁性无损检测技术，是与b a r k h a u s e n 磁噪声有着密切联系的检测 技术，与b a r k h a u s e n 效应相比，磁声发射的历史较短，它是1 9 7 5 年由l o r d 在用直流 磁场作用镍棒时，他发现镍的磁畴壁运动产生超声波发射。以后h i g 季n ，c a r p e n t e r ， k u s a n a 西等人相继试验中进一步证实材料在应力作用下产生的磁声发射讯号f l0 】强度 都比无应力时所产生的磁声发射讯号要低一些。1 9 8 0 年前后，美国加州大学洛杉矶校 的k a n j io n o ，s h i b a t a 等人在此基础上开展了比较系统的研究中，他们利用各种不同 成份的钢，经过不同热处理工艺，获得不同的微观结构。在施加不同性质应力情况下， 测量磁声发射信号的各种参数，发现这些参数都会受到上列一些因素的影响，有些因 素的影响还相当强烈。他们对具体材料进行标定比较，测定了铁轨的残余应力，作为 质量评估的依据，付诸了工业应用。 1 3 课题的背景 无缝线路是把钢轨焊接起来的线路，又称焊接长钢轨线路，是轨道现代化的一 5 北京化t 人学硕一i ：学位论文 项重要技术措施，已在我国铁路干线大量铺设。钢轨的长度可以达数千米或数十千米， 但为了铺设、维修、焊接、运输的方便，我国的无缝线路钢轨长度多为l - - 2 k m 。因 线路上减少了大量钢轨接头和轨缝，故称之为无缝线路。随着铁路高速化与重载化的 发展，世界各国均广泛采用无缝线路技术。我国第一段无缝线路于1 9 7 5 年铺设于北京 铁路局京门支线。由于无缝线路钢轨不能自由伸缩，当轨温发生变化时，将产生很大的 纵向温度力。过大的温度力会导致钢轨臌曲失稳或断裂，导致车辆脱轨，危及行车安 全。因此铁路公务部门对无缝线路钢轨纵向温度应力的检测至关重要，通过随时了解 无缝线路实际纵向温度应力，预测发生胀轨或断轨的可能性，以便适时采取维修措施。 本论文研制的巴克豪森无缝线路应力检测仪可以分析铁轨轨腰结构的焊接接头附近 的应力大小和分布，从而确保火车在铁路上运行安全，具有十分重要的实际意义。 1 3 1无缝线路与普通线路的区别 普通线路由于轨端接缝的存在，列车通过时发生冲击和振动，影响行车的平顺性 和旅客的舒适性，使道床松散，加速钢轨及连接零件的磨耗，降低轨道各组成部分及 机车车辆的使用期限。特别是在电气化和自动闭塞线路区段上，还需增添大量导电设 备。普通线路上述缺陷在轴重、货运密度及运行速度不断增长的情况下，更为突出。 一般情况下，普通线路上钢轨每隔1 2 5 m 或2 5 m 有一个接缝，随温度升降钢轨能伸缩， 因而钢轨内积存的温度力较小。钢轨断面图如图1 5 所示。 轨炙 轨麟 轨麟 图1 5 钢轨断面图 f i g 1 - 5s e c t i o nd i a g r a mo f r a i lc r o s s 把标准轨焊接成具有相当长度的长轨条，将它铺到线路上就是无缝线路。由于在 相当长的一段线路上消除了钢轨接头，因而具有行车平稳、降低维修费用、延长设备 的使用寿命、适应高速行车的优点。无缝线路的钢轨很长，仅能在长轨两端有些收缩， 中间区段不能热胀冷缩1 2 州】，当温度上升，在钢轨伸长不了的时候将承受很大的温度 6 第一章绪论 压力；当温度下降而钢轨不能缩短时，将承受很大的温度拉力【1 5 】。所以无缝线路的钢 轨比普通线路的钢轨要承受更大的温度力。而且钢轨由于被焊接，轨条增长给无缝线 路的铺设和轨条运输带来一定的困难。但是国内外运营实践表明，无缝线路具有巨大 的生命力，是轨道的发展方向。 1 3 2 铺设无缝线路的原因 对钢轨接头有两个基本要求，一个是钢轨在温度变化时能够伸缩，另个是要使 接头处像整体的钢轨一样孥固稳定。这两个要求是互相对立的，要能伸缩就不容易稳 固。在普通线路上，当车轮滚过轨缝时，钢轨一端下垂，在接头处形成台阶，车轮冲 击另一轨端形成的瞬间高频力甚大，以致轨端逐渐压溃或基础发生永久变形，造成低 接头。接头愈低则冲击愈大，这种车轮对钢轨的冲击力，有时可高达车轮静荷载的3 4 倍。 排水不良容易造成道床翻浆冒泥或板结，缩短钢轨及扣件寿命；使用混凝土枕时， 则容易击溃或发生裂纹：留有轨缝，钢轨容易伸缩，甚至爬行，这些病害大大增加了 线路养护工作量和费用。一般线路接头处的养护费用约占全部线路养护费用的3 5 5 0 。线路上换下的破损钢轨6 0 7 0 在接头区。钢轨接头不仅给公务工作带来沉 重的负担，而且对机车车辆的使用寿命、维修周期都有不利影响。同时，车轮经过接 头时发生的剧烈振动和噪声，使旅客感到不舒服，有些货物也容易损坏。 随着现代焊接技术的进步，以及对焊接长钢轨的温度应力、胀缩、稳定性进行的 试验研究【l5 - 1 6 1 ，对它们有了进一步的理解，并找到了相应的处理方法，长钢轨的运输、 铺设、更换和养护维修等问题相继得到妥善解决，经过技术经济比较，肯定了铺设无 缝线路的技术经济效益。随着高速铁路和重载运输的发展，大量铺设无缝线路自然成 为客观需要。目前世界已有无缝线路约4 0 万k m 。截至2 0 0 8 年底，我国国铁已有 6 18 0 0 k m 无缝线路投入使用。 1 3 3无缝线路的种类 无缝线路按结构可分为两大类：一类是温度应力式无缝线路，另一类是放散应力 式无缝线路。 温度应力式无缝线路的结构形式是在两长钢轨之间用几根普通标准长度的钢轨 连接，这一区段叫缓冲区；长轨本身仅在两端约数十米长度范围内允许伸缩，允许伸 缩的段落叫伸缩区；长轨中间不能伸缩的部分叫固定区。接头形式采用的是夹板式， 在使用过程中，长轨条随轨温变化而产生一定的温度力【1 。砣1 1 。为控制钢轨的伸缩量， 要求钢轨具有较强的纵向阻力。温度应力式无缝线路结构简单，铺设及维修较方便， 7 北京化t 大学硕士学位论文 在国际上广泛应用。美国、德国及我国都采用这种类型，也有结构形式是在两长轨之 间采用伸缩调节器，它允许的伸缩量要大一些，但也仅仅是长轨端部百余米能伸缩， 中间部分还是不能伸缩，像英、法、日等国就采用过此种类型。 放散应力式无缝线路又分为自动放散式和定期放散式两种。一般在温差较大的地 区和特大桥上，为了消除和减少轨内温度力和尽量消除桥梁伸缩附加力的影响而采 用。大桥上铺设无缝线路时，通常在长轨条两端设置钢轨伸缩调节器，随时释放温度 力。在前苏联有极少数温度差较大地区使用，也有使用伸缩调节器的，在每年春、秋 两季各放散应力一次，以免钢轨承受的温度应力过大。由于每年放散应力工作量太大， 这种形式的无缝线路有被淘汰的趋势。 我国铁路近年来新铺的无缝线路，除普通无缝线路外，新增加了全区间和跨区间 无缝线路。铺在线路上的长钢轨长度贯穿整个区间，两端与咽喉道俞的缓冲轨焊联的 无缝线路称为全区间无缝线路；铺在线路上的长钢轨长度贯穿全区段的各个区间，与 站区无缝道岔焊联成一体的无缝线路称为跨区间无缝线路。此外，特殊的无缝线路有 桥上铺设的无缝线路、隧道铺设的无缝线路以及寒冷地区的无缝线路。 1 3 4胀轨跑道 胀轨是因为温度力的增长而迫使轨道发生微小的横移，而跑道则是温度力达到临 界值时发生的突然巨大臌曲。无缝线路的轨道在钢轨温度压力的作用下，不是一丌始 就发生轨道横移变形，在温度压力较小的阶段并不发生变形，这一阶段一般叫做保持 稳定状态阶段；在此阶段终结时，温度压力再升高，则轨道将丌始发生缓慢地微小横 移，当此阶段发展到一定程度，钢轨温度压力的增加接近临界值时，此阶段即告终结， 这一阶段就是胀轨阶段；此阶段终结时，钢轨温度压力将达到临界值，在此情况下， 如轨道遇到外界扰动将立即发生突然臌曲，其横移量可达几十厘米，这就是跑道。 线路抵抗胀轨跑道的自身能力就轨道而言就是轨向好、阻力高、刚度大。要发挥 其作用，一般需要做好以下工作： ( 1 ) 线路轨向要经常保持顺直，既有利于行车平稳，又有利于线路稳定； f 2 ) 道床应饱满、密实，碴肩宽度应达到4 0 0 r a m ： ( 3 ) 在养护维修作业中发现轨向、高低不良或起拨道省力、枕端道碴离缝，必须 停止作业，及时采取防止胀轨的措施； ( 4 ) 按规定标准拧紧接头螺栓和轨枕扣件并按时做好复紧工作，使之紧固。 温度力分布是不均匀的，就温度压力而言，其波动之峰部即为温度压力峰，波动 之谷部即为压力谷。当轨温下降到最低值时，谷部将出现温度拉力峰。温度力峰一般 出现在伸缩区和固定区交界处、桥头、道口前后、曲线头尾、边坡点等处。根据对温 度变化规律的分析，伸缩区和固定区的交界处是会出现温度力峰。因为当长钢轨铺入 8 第一章绪论 线路锁定后，轨温单向升温或降温，达到当地最高或最低轨温时，轨温将向反方向变 化，此时钢轨所产生的温度力，由于温度力图平行升降的特性，以及接头阻力、道床 阻力的反向特性，当轨温反向升降到一定程度时，伸缩区和固定区的交界处就会出现 拉力或压力的峰值。 1 4 课题的意义 国内外的无缝线路都曾发生过胀轨跑道，常见的状况有： ( 1 ) 缓冲区轨缝拉开，更换加长缓冲轨时，入夏前如不及时换掉，入夏后容易导 致胀轨跑道： ( 2 ) 当进行线路作业时，出现轨向不良，如为小弯，应设法降温，然后拨j 下线路， 如仓促拨道，往往愈拨愈弯。拨正后应放散或调整应力，否则轨温上升仍可能发生胀 轨，造成事故； ( 3 ) 较大量的起道和拨道作业，施工负责人应考虑列车到达的时间，千万不要仓 促施工，如起道打镐塞后，大量轨枕浮起，道床阻力急剧下降，又如拨道作业中途， 线路方向有较大偏差，道床阻力不足，这样的线路经列车冲击振动，极易发生胀轨； ( 4 ) 违章大量扒开道床，施工后又不立即恢复捣实，当轨温上升时容易发生胀轨； ( 5 ) 冬天作业钢轨收缩，锁定轨温下降，尤其是在平交道附近，锁定轨温将大幅 度下降，春、夏季如在该处作业，容易发生胀轨： ( 6 ) 在无缝线路上抽换小跨度钢梁，须把轨道架起，此时桥跨范围内横向阻力降 到零，如轨温高于锁定轨温，当桥梁复位后，轨道往往难以复位，势必延长封锁时间。 在升温季节，应放散应力后再施工，否则容易发生事故。 胀轨跑道是有预兆的，胀轨跑道发生之前钢轨内有较大的纵向压力，线路方向会 发生变化，而且轨道必有明显的臌曲。因此钢轨内纵向应力的检测对防治胀轨跑道的 发生有着重大的意义，国内外对这方面的研究有很多方面，发现破坏轨道稳定的因素 是温度压力及轨道原始不平顺，保持轨道稳定的因素是道床横向阻力及框架刚度。本 文对轨道纵向应力检测的方法是磁力法，磁力法与其他无损应力检测方法相比，具有 测量速度高、探测深度大( 可达数毫米) 、无辐射危险等优点，此外，磁力仪携带比较 方便，因而，可对使用中的构件进行实时实地且安全的测量。 1 4 1 国外磁力法检测研究现状 ( 1 ) 1 9 1 9 年，德国物理学家巴克豪森( h b a r k h a u s c n ) 发现铁磁物质被磁化时，在磁 滞回线最陡的区域其磁化是阶梯式的，是不可逆跳跃过程，这种不连续的磁化来源于 磁畴和磁畴壁的不连续运动，它在探测线圈中所引起的噪音信号称为巴克豪森噪音。 9 北京化t 大学硕十学位论文 铁磁材料的磁畴不可逆运动产生巴克豪森跳跃的同时，由于磁致伸缩作用，导致材料 内部激起的应力波，称为磁力声发射，简记为磁声发射( m a e ) ，它的频率在超声波范 围，因为磁声发射也来源于磁畴的巴克豪森跳跃，所以也称为磁巴克豪森效应 ( m a g n e t i cb a r k h a u s e nn o i s e ，m b n ) 。其基本原理如图1 - 6 所示。 图1 - 6m b n 和m a e 基本原理 笙f f i g 1 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f m b na n dm a e ( 2 ) 逆磁致伸缩效应是由维拉罩( v i l l a r i ) 发现的，铁磁材料磁化状态的变化伴随着 材料尺寸变化的现象，称之为材料的磁致伸缩效应。反过来，铁磁材料在外力，如拉 力、扭矩力等作用下发生变形，其磁化强度将随之发生变化的现象，叫做逆磁致伸缩 效应。磁致伸缩效应的原理如图1 7 所示。 图1 - 7 磁致伸缩效应基本原理图 f i g 1 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f m a g n e t o s t r i c t i v ee f f e c t 逆磁致伸缩效应测量应力的基本原理是，在发生逆磁致伸缩效应时，材料产生各 向异性，因此应力或应变状态的变化，将会引起铁磁材料的磁导率或磁阻的变化。在 向磁各向异性传感器提供恒定的磁动势的条件下，磁路中磁阻的变化将引起磁通的变 化，传感器上的检测线圈感应出的感生电动势的变化将反映这种变化，从而可将非电 量的应力应变变化成可以测量的电量如电压，达到应力检测的目的。 1 0 第一章绪论 ( 3 ) 1 9 7 7 年，俄罗斯伏尔加格勒电力公司金属实验室的费力曼诺夫发现了锅炉管 子在其损伤处有磁化现象，2 0 世纪8 0 年代，俄罗斯的杜波夫教授( a a d u b o v ) 考察了 这一现象，并进行了专门的实验分析和工业研究，认为锅炉管子产生超高磁化的原因 是磁弹效应，并提出了磁弹性效应示意图，如图1 8 所示，图中a b 是剩余磁感应量 增量；a o 是载荷增量；h 为外加磁场。 。公6 。 图1 8 磁弹性效戍基本原理图 f i g 1 - 8s c h e m a t i cd i a g r a mo f m a g n e t o - e l a s t i ce f f e c t 1 9 9 7 年，俄罗斯学者在国际无损检测学术会议上提出了金属应力集中区一金属微 观变化一磁记忆效应相关学说，铁磁材料的自磁化现象及残磁状况同机械应力有直接 的联系，这一特性称为磁机械效应。磁机械效应使得铁磁性金属构件应力作用区表面 的磁场增强，增强后的磁场“记忆 了构件应力集中的位置，这就是磁记忆效应。后 来形成了一套全新的无损检测与诊断技术一金属磁记忆( m e t a lm a g n e t i cm e m o r y ， m m m ) 技术，使地磁场作用下的磁检测技术在实际工程中的应用成为现实。该种方法 在俄罗斯和东欧的一些国家和地区的许多领域得到了有效的推广和应用。金属磁记忆 诊断技术的发明人杜波夫教授在俄罗斯成立了“动力诊断 公司，向世界各国推广这 项技术。 ( 4 ) 应力致磁各向异性法( s m a ) 是指当对磁各向同性材料施加一磁场h 时，物体 内的磁感应强度b 在无应力时会平行于h 。但应力可使材料变成磁各向异性。此时， h 与b 之间将存在一个角度，这便是应力致磁各向异性( s m a ) 。基于s m a 法的磁力 仪一般在其探头内放置有一u 形磁铁，且在平行及垂直于磁铁磁极的方向各布置一个 线圈。若h 与b 平行，则仅在平行磁极的线圈产生感应电压。反之，则两个线圈都 有感应电压。这两个电压之比经处理后的信号与该处的主应力差( 0 1 0 2 ) 有一一对应关 系。且当o l 与外加磁场h 成4 5 。( 逆时针) 时会出现最大值。从而，由s m a 读数的变 化也可以定出主应力的方位。实用上线圈布置较繁复且数目较多，但其原理不变。材 北京化工人学硕上学位论文 料结构等对s m a 信号的影响很小，这是其优点。但此法最大缺点是仅能测出( o i 0 2 ) ， 因此像光弹法一样，需要借助附加实验如剪应力差法，才可测出2 个主应力的大小。 相比以上的方法，巴克豪森应力检测方法 2 2 - 2 5 】已相对成熟，在各个领域都有应用， 今后仍将获得更深入的研究丌发和广泛应用。 1 4 2 国内应力检测研究现状 巴克豪森应力检测方法自从进入国内以后，在汽车、航空航天和冶金机械设备等 众多领域都有应用。其准确度、灵敏度和可靠性均比传统的无损探伤方法优越。 ( 1 ) b a r k h a u s e n 效应法在金属锚杆荷载检测中的应用，金属锚杆是岩土工程、地 下工程中普遍应用的支护结构物。锚杆在初始安装时，都给予一定的初始预紧力。但 在锚杆的服务期内，由于岩体的变形、开裂，或者由于受到工程振动等因素的影响， 其工作锚固力会发生显著的变化，有的锚杆由于工作荷载过大被拉断，有的则因松弛 而出现锚固力下降乃至松脱。因此，准确测定锚杆初始扭紧力的大小。客观、准确地 检测在役锚杆的工作载荷，并评价其工作状态，对于研究锚杆的支护效果，分析工程 及其围岩的稳定性、预防冒顶、塌方等工程事故是非常重要的。巴克豪森检测法不仅 可以对锚杆受力大小进行无损、适时检测，而且具有检测数据准确、施工简单易学、 造价经济等优点，适合在工程中大面积使用。 ( 2 ) 巴克豪森应力检测方法在检测曲轴残余应力的应用，在曲轴使用过程中，期 望能方便的、无损的测量出圆角部位残余应力状态与大小，以便能够对曲轴的早期疲 劳损伤状况作出预测。内燃机曲轴过渡圆角部位如图1 - 9 所示，其