[發明專利]基于激光超聲法實時監測鋼軌溫度應力的裝置及其方法

有效

• 申請號: 201610250361.0
• 申請日: 2016-04-21
• 公開（公告）號: CN105818822B
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: 馮愛新;張津超;薛偉;趙瑩;楊海華;程好;繆熠楠
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: B61D15/12
• 分類號: B61D15/12;B61K9/08;G01L1/24
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所32237
• 代理人: 王玉國

技術領域

本發明涉及一種基于激光超聲法實時監測鋼軌溫度應力的裝置及其方法，屬于無縫鋼軌檢測技術領域。

背景技術

高速鐵路廣泛使用無縫長鐵軌，列車速度高，運行平穩可靠，極大地提高了線路設備和機車車輛的服役壽命。無縫鋼軌就是將25m長的鋼軌焊接成1000m到2000m長的鋼軌，鋪設到線路上成為一段或爭端無縫線路。但隨著軌縫的消失，焊接在一起的鋼軌在軌溫發生變化時便不能自由伸縮，于是鋼軌中產生溫度應力。由于鐵軌受熱脹冷縮的影響，當外界氣溫較高時，鋼軌溫度會持續升高，鋼軌內部會形成壓應力，從而極易形成鋼軌之間的脹軌現象；當外界氣溫較低時，鋼軌內部形成拉應力導致鋼軌斷裂。鋼軌的斷裂和脹軌，嚴重地威脅了列車運行安全。因此鐵路工務部門必須實時了解鋼軌的溫度應力，預測發生脹軌或斷軌的可能性，以便采取措施消除事故隱患，保障高鐵系統的運行效率、運行安全性和運行的可靠性。

現有，傳統鋼軌溫度應力檢測的方法主要有：有損檢測(切條法、切槽法、盲孔法)、標定軌長和無損檢測(巴克豪森法、X射線法、磁記憶法、超聲波法)。但由于自身的局限性，如對鋼軌表面造成破壞、效率低、精度低、表面要求高和需耦合劑等，無法得到廣泛應用。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術存在的不足，提供一種基于激光超聲法實時監測鋼軌溫度應力的裝置及其方法，能夠實時準確地監測鋼軌溫度應力，為鋼軌無損檢測提出了新方法。

本發明的目的通過以下技術方案來實現：

基于激光超聲法實時監測鋼軌溫度應力的裝置，特點是：包括監測小車和供電組，所述監測小車包含上車身、下車身、車輪、定位器和溫度測量儀，上車身連接下車身，車輪通過車軸安裝于上車身的兩側，定位器和溫度測量儀安裝于下車身的底部；所述供電組包含太陽能板、太陽能支撐架、轉臺、太陽能控制器和蓄電池，太陽能板、太陽能支撐架、轉臺安裝于上車身的頂部，太陽能控制器和蓄電池置于下車身內；

所述下車身內還設有激光超聲監測單元和數據分析處理單元，激光超聲監測單元包含脈沖激光器、激光探針和信號調理放大電路，數據分析處理單元包含數據存儲器、處理器和無線傳輸模塊，脈沖激光器和激光探針置于下車身內的前后側，信號調理放大電路、數據存儲器和無線傳輸模塊通過數據線與處理器連接。

進一步地，上述的基于激光超聲法實時監測鋼軌溫度應力的裝置，其中，所述上車身內安裝有電機，電機的輸出軸與車輪的車軸驅動連接。

更進一步地，上述的基于激光超聲法實時監測鋼軌溫度應力的裝置，其中，所述定位器和溫度測量儀均與處理器相連。

更進一步地，上述的基于激光超聲法實時監測鋼軌溫度應力的裝置，其中，所述太陽能板連接太陽能控制器，太陽能控制器連接蓄電池。

更進一步地，上述的基于激光超聲法實時監測鋼軌溫度應力的裝置，其中，所述脈沖激光器和激光探針置于下車身內的前后側，位于同一高度，且與鋼軌軌腰處齊平。

本發明基于激光超聲法實時監測鋼軌溫度應力的方法，脈沖激光器發出脈沖激光作用于鋼軌，產生超聲波，由激光探針接收超聲信號，將測量的時間數值傳送到處理器，根據對傳播時間和應力關系的標定，實現對溫度應力的監測。

再進一步地，上述的基于激光超聲法實時監測鋼軌溫度應力的方法，利用脈沖激光器作用于鋼軌面激發出超聲波，鋼軌在不同應力σ下，波速發生變化，傳播時間t發生變化，根據超聲波傳播距離L的時間來測得鋼軌的溫度應力，采用如下公式：

式中，t表示在應力狀態下，在長度為L的鋼軌中，超聲波傳播時間；

t₁表示零應力狀態下，在長度為L的鋼軌中，超聲波傳播時間；

B表示聲彈性系數；

σ表示鋼軌溫度應力。

本發明技術方案突出的實質性特點和顯著的進步主要體現在：

①本發明能夠實時準確地監測鋼軌溫度應力，為鋼軌無損檢測提供了一種新方法，對保障鋼軌安全運行具有重要的意義；

②采用激光超聲法，非接觸式，對鋼軌的表面要求低，檢測速度快；無需人工操作，可自動運行，通過遠程控制裝置完成檢測工作，便利可靠；

③采用無線通訊技術，可實時傳輸數據；運用太陽能供電技術，無需提供外來電源，實現無人值守。

附圖說明

圖1：本發明裝置主視圖；

圖2：本發明裝置俯視圖；

圖3：本發明下車身內部俯視圖；

圖4：本發明裝置立體示意圖；

圖5：本發明裝置原理示意圖。

具體實施方式