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摘 要：在分析了超声波在钢轨上的传播和衰减特性的基础上，设计高铁轨道应力的超声监测系统。钢轨中超声波传播速度与应力是线性关系，通过测量钢轨上超声波的传播速度，计算出钢轨所受的应力，对研究高铁轨道的受力与变化有实际意义。
关键词：轨道;应力;超声波;监测
1 引言
列车运行过程中会不断与钢轨发生冲击、弯曲、挤压与摩擦作用，钢轨在这些应力的重复作用下，极易出现疲劳裂纹，而疲劳裂纹但凡出现后便会快速的扩展，进而引发钢轨断裂和交通事故[1]。所以保证钢轨安全运输的主要措施之一就是开展钢轨探伤及应力检测，因而及时发现并处理所存在的安全隐患就显得至关重要。超声临界折射纵波对应力最敏感，并且沿着被测试样表面及亚表面传播，适用于检测表面及亚表面的应力。本文提出高速轨道应力的超声监测，可长时间在线监测高速轨道应力的变化。系统具有算法便捷、硬件设计简单、小型实用、性价比高。
2 轨道中超声波传播特性分析
2.1轨道中超声波传播
假定：平面声波，沿x方向传播，钢轨上传播超声波符合以下波动方程：
（6）
其中：P-声压，v-质点振动速度，t-时间，c为速度常量（与钢轨密度及弹性系数有关）
2.2超声的衰减
超声强度随传播距离增加而减弱的现象，称超声衰减。超声衰减的原因是由扩散、散射和吸收造成的。平面波在钢轨中传播时，近似有指数型关系
（11）
（12）
β—鋼轨的超声衰减常数。式中，P0 —x=0处的声压有效值
3 超声波高铁轨道监测方案设计
3.1 高铁轨道应力
由于高速轨道是无缝连接，炎热的夏天会有较大的压应力，而在寒冷的冬天则会产生拉应力。全国各地的中和温度Tn不同，南方高，北方低，中和温度对应的轨道应力为0，温度每升高1度，轨道应力增加约为2.5MPa。怎样测量钢轨的应力，并通过应力的变化来判断钢轨的状态是本文的主要内容[3]。
3.2 方案设计
超声波在轨传播速度测量依据速度=距离/时间，设计硬件电路测量超声波在一定距离上传播的时间，从而获得传输速度。设备发射端控制电路同时发射无线数传和超声波两路信号。发端无线数传发射启动信号，与此同时，发射端启动超声波发生器产生30KHZ超声波信号;收端无线数传接收无线信号，收端超声传感器采集钢轨传输的超声波信号[4]。计算出收发两端超声波的传输时间，自动计算出超声波的传播速度。
3.3 项目实测数据
1）信号传播波形分析（收发远距离采集信号）
超声产生器和超声波传感器放置点相差X距离。收端采集到的无线传输信号和超声信号波形。
2）超声传输时间测量
速度测量设备的软件程序实现以下功能，当无线数据传输到接收端时，单片机开始计时，超声波信号经过钢轨传输到接收端时，结束计时，从而记录超声波在轨传播时间。
3.4 高速轨道应力变化规律
高速轨道应力的超声监测系统在北京易庄路段进行长时间测试，系统每2秒钟给出一个超声波速度值并自动计算出应力值，将典型时间的轨道应力列表如表1，24小时应力变化曲线如图4。测试条件：中和温度Tn=120℃，最高气温Th=180℃，最低气温Tl=50℃。
测试数据如表1：
4 轨道应力的监测与分析
正常条件下，轨道应力变化应为变形正弦曲线，由于各地日出时间不同，对应的应力曲线也不同，但曲线的形状是类似的。曲线的上升弧时间短（本例中6时至14时8小时），下降弧长（14时至次日6时16小时）。从曲线可见，应力变化较快的是曲线的上升弧，应力变化越快越容易引起钢轨发生“形变”[4]。激烈变化的热潮且发生在14时左右，可造成钢轨压应力出现极大值，出现严重胀轨现象，是重点监测时期;激烈变化的寒流且发生在凌晨，出现严重缩轨现象，是形成断轨最大可能时期，应重点监测。温差变化较大的环境下，需要消除温度对测量结果的影响，可以在应力监测系统中加入温度补偿，消除温度变化对钢轨的影响。
在轨道应力测量分析系统中预存当地P-V图表和钢轨的应力曲线。当地当日的平均温度T0高于中和温度Tn，与T0相对应的轨道应力为P0=2.5（T0-Tn）MPa，则图4的钢轨应力曲线将上移P0MPa，曲线的形状不变。对比数据库的坐标曲线，对比历史记录曲线，找出曲线变化点，分析应力变化原因。参考当地气候、气温、列车运行次数，周边环境影响，利用分析软件，对轨道状态做出判断。
5 结语
由于超声波从轨腰馈入，近似成简谐平面波，超声波的衰减也近似为随超声波频率f和传播距离x呈指数型衰减，得出的结论对超声波轨道应力监测有指导意义。给出了超声波纵波在钢轨中的传播速度与应力的关系和变化规律。在实际高铁轨道上测得了时间与应力日变化曲线。
参考文献
[1] 张银花，周清跃，陈朝阳等.中国高速铁路用钢轨的质量现状及分析[J].钢铁，2011，46（12）：1-9
[2] 罗雁云，唐吉意，陆可人等.焊接钢轨轨腰残余应力特性分布研究[J].机械设计与制造工程，2017，46（7）：82-85
[3] 王立鼎，岳国栋，徐征，刘冲，陈义等.面向高铁钢轨应力广域监测的无线传感网系统架构及性能测试[J].吉林大学学报（工学版），2015，45（11）：16-22
[4] 曾兴斌，张青波，翁正国等.国内超声波技术的新进展[J]声学技术，2017，36（6）：31-35
关键词：轨道;应力;超声波;监测
1 引言
列车运行过程中会不断与钢轨发生冲击、弯曲、挤压与摩擦作用，钢轨在这些应力的重复作用下，极易出现疲劳裂纹，而疲劳裂纹但凡出现后便会快速的扩展，进而引发钢轨断裂和交通事故[1]。所以保证钢轨安全运输的主要措施之一就是开展钢轨探伤及应力检测，因而及时发现并处理所存在的安全隐患就显得至关重要。超声临界折射纵波对应力最敏感，并且沿着被测试样表面及亚表面传播，适用于检测表面及亚表面的应力。本文提出高速轨道应力的超声监测，可长时间在线监测高速轨道应力的变化。系统具有算法便捷、硬件设计简单、小型实用、性价比高。
2 轨道中超声波传播特性分析
2.1轨道中超声波传播
假定：平面声波，沿x方向传播，钢轨上传播超声波符合以下波动方程：
（6）
其中：P-声压，v-质点振动速度，t-时间，c为速度常量（与钢轨密度及弹性系数有关）
2.2超声的衰减
超声强度随传播距离增加而减弱的现象，称超声衰减。超声衰减的原因是由扩散、散射和吸收造成的。平面波在钢轨中传播时，近似有指数型关系
（11）
（12）
β—鋼轨的超声衰减常数。式中，P0 —x=0处的声压有效值
3 超声波高铁轨道监测方案设计
3.1 高铁轨道应力
由于高速轨道是无缝连接，炎热的夏天会有较大的压应力，而在寒冷的冬天则会产生拉应力。全国各地的中和温度Tn不同，南方高，北方低，中和温度对应的轨道应力为0，温度每升高1度，轨道应力增加约为2.5MPa。怎样测量钢轨的应力，并通过应力的变化来判断钢轨的状态是本文的主要内容[3]。
3.2 方案设计
超声波在轨传播速度测量依据速度=距离/时间，设计硬件电路测量超声波在一定距离上传播的时间，从而获得传输速度。设备发射端控制电路同时发射无线数传和超声波两路信号。发端无线数传发射启动信号，与此同时，发射端启动超声波发生器产生30KHZ超声波信号;收端无线数传接收无线信号，收端超声传感器采集钢轨传输的超声波信号[4]。计算出收发两端超声波的传输时间，自动计算出超声波的传播速度。
3.3 项目实测数据
1）信号传播波形分析（收发远距离采集信号）
超声产生器和超声波传感器放置点相差X距离。收端采集到的无线传输信号和超声信号波形。
2）超声传输时间测量
速度测量设备的软件程序实现以下功能，当无线数据传输到接收端时，单片机开始计时，超声波信号经过钢轨传输到接收端时，结束计时，从而记录超声波在轨传播时间。
3.4 高速轨道应力变化规律
高速轨道应力的超声监测系统在北京易庄路段进行长时间测试，系统每2秒钟给出一个超声波速度值并自动计算出应力值，将典型时间的轨道应力列表如表1，24小时应力变化曲线如图4。测试条件：中和温度Tn=120℃，最高气温Th=180℃，最低气温Tl=50℃。
测试数据如表1：
4 轨道应力的监测与分析
正常条件下，轨道应力变化应为变形正弦曲线，由于各地日出时间不同，对应的应力曲线也不同，但曲线的形状是类似的。曲线的上升弧时间短（本例中6时至14时8小时），下降弧长（14时至次日6时16小时）。从曲线可见，应力变化较快的是曲线的上升弧，应力变化越快越容易引起钢轨发生“形变”[4]。激烈变化的热潮且发生在14时左右，可造成钢轨压应力出现极大值，出现严重胀轨现象，是重点监测时期;激烈变化的寒流且发生在凌晨，出现严重缩轨现象，是形成断轨最大可能时期，应重点监测。温差变化较大的环境下，需要消除温度对测量结果的影响，可以在应力监测系统中加入温度补偿，消除温度变化对钢轨的影响。
在轨道应力测量分析系统中预存当地P-V图表和钢轨的应力曲线。当地当日的平均温度T0高于中和温度Tn，与T0相对应的轨道应力为P0=2.5（T0-Tn）MPa，则图4的钢轨应力曲线将上移P0MPa，曲线的形状不变。对比数据库的坐标曲线，对比历史记录曲线，找出曲线变化点，分析应力变化原因。参考当地气候、气温、列车运行次数，周边环境影响，利用分析软件，对轨道状态做出判断。
5 结语
由于超声波从轨腰馈入，近似成简谐平面波，超声波的衰减也近似为随超声波频率f和传播距离x呈指数型衰减，得出的结论对超声波轨道应力监测有指导意义。给出了超声波纵波在钢轨中的传播速度与应力的关系和变化规律。在实际高铁轨道上测得了时间与应力日变化曲线。
参考文献
[1] 张银花，周清跃，陈朝阳等.中国高速铁路用钢轨的质量现状及分析[J].钢铁，2011，46（12）：1-9
[2] 罗雁云，唐吉意，陆可人等.焊接钢轨轨腰残余应力特性分布研究[J].机械设计与制造工程，2017，46（7）：82-85
[3] 王立鼎，岳国栋，徐征，刘冲，陈义等.面向高铁钢轨应力广域监测的无线传感网系统架构及性能测试[J].吉林大学学报（工学版），2015，45（11）：16-22
[4] 曾兴斌，张青波，翁正国等.国内超声波技术的新进展[J]声学技术，2017，36（6）：31-35