[发明专利]基于超声导波的钢轨应力的监测装置和方法

说明书

本发明提供了基于超声导波监测钢轨应力的装置和方法，所述钢轨是工字形结构且具有轨顶和轨底及位于所述轨顶与所述轨底之间的轨腰部分，所述方法包括以下步骤：（1）将导波激励源安装在所述钢轨的所述轨腰部分的表面上，将至少一个导波接收器安装在所述钢轨上且与所述导波激励源间隔开以接收所述导波激励源发出的导波；（2）使得所述导波激励源大致垂直于其安装位置所在的表面发出频率在20～60kHz范围内的导波；（3）测量所述导波在所述钢轨中的传播速度；（4）根据测得的所述传播速度确定所述导波的传播路径上的所述钢轨中的应力。有益技术效果是，通过实时在线监测无缝线路钢轨的温度应力，对应力超限区间实时预警，确保无缝线路的安全运营。

技术领域

本发明涉及检测技术领域，具体地，涉及无缝线路钢轨应力的监测领域，更具体地，涉及基于超声导波的钢轨纵向应力的监测装置和方法(优选在线监测)。

背景技术

铁路是国家的重要基础设施，作为国家的大动脉和大众化交通工具在综合交通体系中处于骨干地位。目前，我国的高速铁路及主要干线均大量采用无缝线路。无缝线路具有降低振动和噪声及运行平稳和使用年限延长等优点。但随着轨缝的消失，由于钢轨接头阻力和道床纵向阻力的作用，被焊接在一起的数十根(甚至更多)钢轨在轨温变化时便不能自由伸缩，于是钢轨中将产生纵向温度应力。无缝线路的长钢轨所承受的温度应力比普通钢轨大得多。当温度应力超过钢轨的承受限度时，会在扣件阻力小或路基条件差的区域释放能量。当压应力过大时，会发生胀轨、跑道，当拉应力过大时，会发生断轨。历史上由于胀轨、断轨导致的事故时有发生，造成了巨大生命财产损失。断轨事件除了焊接质量等人为因素外，钢轨纵向温度应力有着直接影响。

目前，针对无缝线路应力超限的问题，主要采用定期进行应力放散的方法解决，其费用非常高，且工作量大，需占用区间，不适于高速、高密度的铁路运输需求。因此，需要一种既精确可靠，又便于对锁定轨温进行经常性检测的手段和方法，国内外一直致力于这方面的研究和探索。

在现有技术中，已知有基于超声波声弹性效应的应力检测技术，该技术基于应力改变时，超声波的传播速度也随之变化的原理，进而，利用超声波传播速度的变化来反映超声波传播路径上的应力变化，例如，现有技术中的采用临界角折射法来测量材料应力的技术。但是，该现有技术的测量结果反映的仅仅是超声传播路径内靠近材料表面的部分的应力变化情况，其无法反映整个材料内部的平均应力。因此在现有技术中，存在的技术问题例如是，钢轨纵向应力检测技术实施困难、检测精度低、不适合长期在线监测等等。

发明内容

针对现有技术中存在的一个或多个问题，研发了本发明。本发明基于超声导波传播速度对材料内部应力的敏感性原理，实现了基于超声导波监测(优选在线监测)无缝钢轨温度应力的装置和方法。

根据本发明的一个方面，提供一种基于超声导波的钢轨纵向应力的监测方法，该钢轨是工字形结构且具有轨顶和轨底及位于该轨顶与该轨底之间的轨腰部分，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将导波激励源安装在该钢轨的该轨腰部分的表面上，将至少一个导波接收器安装在该钢轨上且与该导波激励源间隔开以接收该导波激励源发出的导波；(2)使得该导波激励源大致垂直于其安装位置所在的表面发出频率在20～60kHz范围内的导波；(3)测量该导波在该钢轨中的传播速度；(4)根据测得的该传播速度确定该导波的传播路径上的该钢轨中的应力。

优选地，在步骤(1)中，将该导波激励源的前端安装到该钢轨的该轨腰部分，其中，该前端的形状与该钢轨的该轨腰部分的形状相匹配。

优选地，使得该导波激励源大致垂直于其安装位置所在的钢轨表面发出频率在30～40kHz、25-55kHz、25-40kHz、25-35kHz、30-55kHz、30-35kHz、40-55kHz、20-40kHz、20-30kHz范围内的导波。