• 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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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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