无缝钢轨温度应力检测技术研究

摘要

随着高速、重载铁路的发展，无缝线路由于消除了钢轨接缝，极大的改善了轨道结构，减小了振动，而得到广泛应用。但正由于轨缝的消失，钢轨无法在温度改变时自由伸缩，因而在钢轨内部产生很大的温度应力，通常10℃的温度改变会使固定的钢轨产生24.3MPa的应力积累，温度很高时则容易出现胀轨、跑道，温度很低时则容易出现断轨，严重影响行车安全。因此，研究一种快捷、准确的钢轨温度应力检测方法以预防胀轨、断轨的发生，对确保铁路安全运营意义重大。
　　本文重点研究了基于超声波的钢轨温度应力检测方法。文中设计了基于声弹性原理，由脉冲发生仪、超声波换能器、超声信号采集传输电路、上位机软件组成的钢轨纵向温度应力检测系统。
　　论文研究了超声波在钢轨中的传播特性，讨论了超声波法测量钢轨纵向温度应力的理论基础—声弹性原理，设计了基于FPGA的超声波信号采集传输电路，实现了两路超声信号的采集和基于USB的数据传输，其中通过编写相关VHDL程序实现了数据的接收、缓冲和上传。在上位机软件设计中完成了数据的解包存储、巴特沃斯低通滤波器、基于信号极值和互相关两种延时估计算法，实现了两路信号延时的精确计算。最后建立了基于超声波的温度应力检测系统和钢轨温度应力检测试验平台，完成了系统的标定和检测试验，并对试验结果做了全面分析。
　　测量系统实现了基于超声波的钢轨纵向温度应力检测，测量误差在5MPa之内，论文试验结果验证了钢轨所受应力与超声波在其内部传播速度近似线性的对应关系，说明了文中测量方法的正确性，为课题的进一步研究奠定了良好基础。