• ISSN 0258-2724
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双块式无砟轨道枕上压力监测标定方法

李培刚 兰才昊 魏强 李俊奇 刘增杰 杨永明

李培刚, 兰才昊, 魏强, 李俊奇, 刘增杰, 杨永明. 双块式无砟轨道枕上压力监测标定方法[J]. 西南交通大学学报, 2023, 58(6): 1385-1393. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20211094
引用本文: 李培刚, 兰才昊, 魏强, 李俊奇, 刘增杰, 杨永明. 双块式无砟轨道枕上压力监测标定方法[J]. 西南交通大学学报, 2023, 58(6): 1385-1393. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20211094
LI Peigang, LAN Caihao, WEI Qiang, LI Junqi, LIU Zengjie, YANG Yongming. Calibration Method of Bi-block Ballastless Track Monitoring on Sleeper Pressure[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2023, 58(6): 1385-1393. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20211094
Citation: LI Peigang, LAN Caihao, WEI Qiang, LI Junqi, LIU Zengjie, YANG Yongming. Calibration Method of Bi-block Ballastless Track Monitoring on Sleeper Pressure[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2023, 58(6): 1385-1393. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20211094

双块式无砟轨道枕上压力监测标定方法

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20211094
基金项目: 国家自然科学基金(51608317);中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目(K2020G031)
详细信息
    作者简介:

    李培刚(1985—),男,副教授,博士,研究方向为铁道工程安全监测,E-mail:lipeigang@sit.edu.cn

    通讯作者:

    魏强(1973—),男,教授级高级工程师,博士,E-mail:wq3537@163.com

  • 中图分类号: U213.212

Calibration Method of Bi-block Ballastless Track Monitoring on Sleeper Pressure

  • 摘要:

    为探寻双块式无砟轨道枕上压力的长期监测方法,以CRTSⅠ型双块式轨枕为研究对象,首次利用埋入式光纤光栅传感器研究了双块式轨枕内部应变值和枕上压力的线性关系. 首先,在轨枕制造阶段埋入FRP-OF光纤光栅应变传感器,用于测试轨枕内部应变变化;其次,通过反力架和千斤顶对轨枕进行静力加载标定,分析轨枕表面加载力和轨枕内部应变的线性关系;最后,通过有限元仿真进行验证和修正. 结果表明:在轨枕表面施加的载荷和轨枕内部光纤光栅应变传感器的测试值具有良好线性关系,将此线性斜率确定为标定系数(4.90~5.28 kN/με),仿真数据与实测数据的误差在5%以内;对比轨枕在反力架约束和在道床板约束两种不同边界条件工况下的枕内应变,修正了枕上压力计算式,提出了一种基于双块式轨枕内部应变的枕上压力计算方法,并在高速铁路运营线路上测得枕上压力约为30~42 kN;该方法为高速铁路轮轨荷载传递研究、无砟轨道结构的强度计算理论和方法的完善以及列车轮对状态监测提供重要依据.

     

  • 图 1  FRP-OF应变传感器

    Figure 1.  FRP-OF strain sensor

    图 2  FRP-OF应变传感器结构及其工作原理

    Figure 2.  Structure of FRP-OF strain sensor and its working principle

    图 3  双块式轨枕结构以及传感器埋设位置示意

    Figure 3.  Bi-block sleeper structure and sensor embedment position

    图 4  双块式轨枕生产阶段安装传感器示意

    Figure 4.  Schematic diagram of installing sensor in production stage of bi-block sleeper

    图 5  反力架工装结构示意

    Figure 5.  Schematic diagram of structure of reaction frame

    图 6  通过反力架-千斤顶进行标定试验

    Figure 6.  Calibration test with reaction frame and jack

    图 7  标定试验数据

    Figure 7.  Calibration test data

    图 8  轨枕块和道床板有限元模型

    Figure 8.  Finite element model of sleeper block and track slab

    图 9  不同工况的边界条件

    Figure 9.  Boundary conditions of different working conditions

    图 10  反力架标定试验数据与仿真数据对比

    Figure 10.  Comparison of reaction frame calibration test data and simulation data

    图 11  仿真模拟不同工况下的应变云图

    Figure 11.  Strain nephogram at different working conditions

    图 12  反力架约束工况和实际工况枕内应变数值线性拟合

    Figure 12.  Linear fitting of strain values under reaction frame constraint condition and actual condition

    图 13  高速铁路运营线路现场测试数据时程

    Figure 13.  Time history diagram of field test data from high-speed railway operating line

    表  1  FRP-OF应变传感器技术参数

    Table  1.   Technical parameters of FRP-OF strain sensor

    传感器技术参数数值
    量程/με−1500~3 000
    分辨率/με±0.1
    测量精度/%0.5
    应变系数/ (pm·με0.8~1.2
    线性度/%99.9
    重复性误差/%≤0.5
    中心波长/nm1528~1568
    反射率/%≥90
    标距尺寸/mm60
    工作温度范围/℃−30~80
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    表  2  标定试验的荷载值为20 kN时的数据

    Table  2.   Data obtained at load of 20 kN in calibration test

    轨枕块
    编号
    枕内应变
    平均值/με
    枕内应变-枕
    上压力斜率
    平均值/
    (kN·με−1
    枕内应变-枕
    上压力截距
    平均值/kN
    1#3.75.030.61
    2#3.64.981.11
    3#3.94.900.73
    4#3.94.930.76
    5#3.94.780.50
    6#3.75.100.69
    7#3.65.280.10
    8#3.75.211.14
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    表  3  有限元模型材料参数

    Table  3.   Material parameters of finite element model

    部件材料弹性
    模量/GPa
    泊松比密度/
    (kg·m−3)
    轨枕块C60 混凝土36.50.202640
    道床板C40 混凝土32.50.242440
    传感器FRP72.00.20
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  • [1] 李闯,张银花,田常海,等. 高速铁路钢轨服役状态及病害整治研究[J]. 铁道建筑,2020,60(8): 126-129,142.

    LI Chuang, ZHANG Yinhua, TIAN Changhai, et al. Study on rail service status and disease treatment of rail for high speed railway[J]. Railway Engineering, 2020, 60(8): 126-129,142.
    [2] 张尧毅. 高铁客运专线线路病害研究分析[D]. 兰州: 兰州交通大学, 2016.
    [3] 张健,吴昌华,肖新标,等. 轨枕空吊对轨枕动态性能的影响[J]. 西南交通大学学报,2010,45(2): 203-208.

    ZHANG Jian, WU Changhua, XIAO Xinbiao, et al. Effect of unsupported sleepers on sleeper dynamic response[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2010, 45(2): 203-208.
    [4] 杨俊斌,刘学毅,刘永孝,等. Ⅰ型轨道板端离缝对轨道结构及车辆动力特性的影响[J]. 西南交通大学学报,2014,49(3): 432-437,512.

    YANG Junbin, LIU Xueyi, LIU Yongxiao, et al. Influence of seam in type Ⅰ slab ends on dynamic characteristics of track and vehicle[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2014, 49(3): 432-437,512.
    [5] 梁佳乐. 高速铁路无砟轨道结构监测研究[D]. 重庆: 重庆交通大学, 2018.
    [6] 周扬,丁军君,李芾,等. 轮轨作用力测试方法的研究进展[J]. 铁道标准设计,2019,63(3): 38-44.

    ZHOU Yang, DING Junjun, LI Fu, et al. Research and development of wheel/Rail force testing method[J]. Railway Standard Design, 2019, 63(3): 38-44.
    [7] 金鑫,金新灿,龚明,等. 基于轮轴动应力测试的轮轨力识别与分析[J]. 北京交通大学学报,2012,36(4): 173-177.

    JIN Xin, JIN Xincan, GONG Ming, et al. Wheel-rail force identification and analysis based on wheelset dynamic stress testing[J]. Journal of Beijing Jiaotong University, 2012, 36(4): 173-177.
    [8] 宫雪. 轮轴结合法测力轮对研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2017.
    [9] ZHANG S L, KOH C G, KUANG K S C, et al. Proposed rail pad sensor for wheel-rail contact force monitoring[J]. Smart Materials and Structures, 2018, 27(11): 115041.1-115041.9.
    [10] SADEGHI J. Field investigation on dynamics of railway track pre-stressed concrete sleepers[J]. Advances in Structural Engineering, 2010, 13(1): 139-151. doi: 10.1260/1369-4332.13.1.139
    [11] 宋颖,杜彦良,孙宝臣. 压电传感技术在轮轨力实时监测中的应用探讨[J]. 振动与冲击,2010,29(1): 228-232,248.

    SONG Ying, DU Yanliang, SUN Baochen. Application of piezoelectric sensing technology in real-time monitoring of wheel/rail interaction[J]. Journal of Vibration and Shock, 2010, 29(1): 228-232,248.
    [12] 张政. 光纤光栅传感技术在高速铁路轨道状态监测中的应用[J]. 铁道建筑,2016(5): 77-81.

    ZHANG Zheng. Application of fiber Bragg grating sensing technology to monitoring of high speed railway track condition[J]. Railway Engineering, 2016(5): 77-81.
    [13] 潘建军. 光纤传感轨道状态监测的研究与应用[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2012.
    [14] 代鑫. 基于光纤光栅的高速铁路轨道结构监测方法及关键技术研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2013.
    [15] 孙高盼,闫连山,邵理阳,等. 基于光纤光栅的钢轨受力状态监测技术研究[J]. 传感器与微系统,2016,35(1): 69-71.

    SUN Gaopan, YAN Lianshan, SHAO Liyang, et al. Research on technology of rail stress status monitoring based on fiber grating[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2016, 35(1): 69-71.
    [16] LAM H F, WONG M T, YANG Y B. A feasibility study on railway ballast damage detection utilizing measured vibration of in situ concrete sleeper[J]. Engineering Structures, 2012, 45: 284-298. doi: 10.1016/j.engstruct.2012.06.022
    [17] 孟汇. 光纤光栅传感器酸碱耐久性研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2013.
    [18] WEI C L, LAI C C, LIU S Y, et al. A fiber Bragg grating sensor system for train axle counting[J]. IEEE Sensors Journal, 2010, 10(12): 1905-1912. doi: 10.1109/JSEN.2010.2049199
    [19] 张兆亭,闫连山,王平,等. 基于光纤光栅的钢轨应变测量关键技术研究[J]. 铁道学报,2012,34(5): 65-69.

    ZHANG Zhaoting, YAN Lianshan, WANG ping, et al. Key techniques for rail strain measurements based on fiber Bragg grating sensor[J]. Journal of the China Railway Society, 2012, 34(5): 65-69.
    [20] 高亮,周陈一,张东风,等. 光纤光栅在轮轨作用力监测中的应用研究[J]. 北京交通大学学报,2019,43(1): 88-95.

    GAO Liang, ZHOU Chenyi, ZHANG Dongfeng, et al. Research on the application of wheel-rail contact forces monitoring using fiber bragg grating[J]. Journal of Beijing Jiaotong University, 2019, 43(1): 88-95.
    [21] BUTLER L J, XU J L, HE P, et al. Robust fibre optic sensor arrays for monitoring early-age performance of mass-produced concrete sleepers[J]. Structural Health Monitoring, 2018, 17(3): 635-653. doi: 10.1177/1475921717714615
    [22] BUTLER L J, GIBBONS N, HE P, et al. Develop of self-sensing concrete sleepers for next-generation rail infrastructure[C]//ICE Institution of Civil Engieers. Cambridge: ICE Virtual Library, 2016: 15-20.
    [23] 徐金龙. 基础设施高性能分布式光纤监测与状态评估方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2018.
    [24] 张鲁顺. 高速铁路无砟轨道列车荷载传递特征及机理研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2020.
    [25] 马昆林,万镇昂,龙广成,等. 板式轨道充填层SCC疲劳损伤本构模型[J]. 铁道学报,2020,42(11): 139-145.

    MA Kunlin, WAN Zhen’ang, LONG Guangcheng, et al. Fatigue damage constitutive model of slab track filling layer SCC[J]. Journal of the China Railway Society, 2020, 42(11): 139-145.
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-30
  • 修回日期:  2022-03-21
  • 网络出版日期:  2023-07-17
  • 刊出日期:  2022-04-21

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