轨道交通疲劳性能检测的应用试验与探究--中国期刊网

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轨道交通疲劳性能检测的应用试验与探究

发表时间：2021/8/9 来源：《探索科学》2021年7月上13期作者：许建安

[导读] 本文以《TB／T3395-2015高速铁路扣件》、《TB／T3396-2015高速铁路扣件系统试验方法》和广州计量检测技术研究院工程中心现有设备为基础，给出了轨道交通扣件总成疲劳性能的试验方案、判定标准、试验装置和数据处理，以获得准确的试验数据，进而为理论模型验证和失效原因分析提供支持。

青岛斯坦德检测股份有限公司许建安

摘要：本文以《TB／T3395-2015高速铁路扣件》、《TB／T3396-2015高速铁路扣件系统试验方法》和广州计量检测技术研究院工程中心现有设备为基础，给出了轨道交通扣件总成疲劳性能的试验方案、判定标准、试验装置和数据处理，以获得准确的试验数据，进而为理论模型验证和失效原因分析提供支持。
关键词：轨道交通；疲劳性能检测；应用实验
        一、引言
        轨道交通是指运营车辆需要在特定轨道上行驶的一类交通工具或运输系统，最典型的轨道交通就是由传统火车和标准铁路所组成的铁路系统，轨道交通需要用到大量的金属进行修建轨道，在确定轨道建造使用的金属时需要对该金属进行疲劳性能进行测试，从而保证轨道的安全性。现阶段的疲劳性能测试装置只能对金属进行单一的疲劳性能测试，降低了设备的实用性，同时现阶段的疲劳性能测试装置不便于更换需要测试的金属，从而浪费大量的更换时间，降低了设备的工作效率，所以现阶段的疲劳性能测试装置不能很好的满足人们的使用需求，针对上述情况，在现有的疲劳性能测试装置基础上进行技术创新。随着科学技术和社会的不断进步，轨道交通对人类社会的影响日益显著。随着轨道交通的日益复杂和车辆的增长，道路交通事故频繁发生。据统计数据显示，近十年来，我国交通事故死亡人数从每年5万多人增加到每年10万多人。道路交通事故已成为威胁人类生命财产安全的“第一杀手”，其严重程度远远超过战争、水灾等行为或自然灾害。在造成交通事故的诸多因素中，驾驶员的主观原因远比车辆和环境的客观原因突出。据美国印第安那大学调查，85%的交通事故与司机有关，而环境和车辆因素仅占15%。交通事故发生前，驾驶员对环境判断不当，对危险情况处理不当，是造成交通事故的原因。在这些错误中，最常见的是由注意力不集中和反应迟钝引起的知觉延迟和决策错误。造成这些错误的根本原因是驾驶员疲劳驾驶。
        人们在疲劳状态下有很多表现。”在疲劳状态下驾驶会导致理解缓慢和判断失误，从而导致交通事故的增长。它已经成为世界上的一个热门话题。由于疲劳有其可识别的特点，驾驶员在疲劳状态下驾驶时会发生眼睛、呼吸技能、神经系统功能、体温等生理变化。这些变化可以通过测量眼睑闭合程度或眨眼率、头手位移等定量指标来评价和判断。因此，如果建立一套能够在驾驶员疲劳状态早期预警的疲劳检测系统，很有可能减少疲劳驾驶造成的交通事故，不仅可以减少人员伤亡，而且可以避免疲劳驾驶造成的经济损失。因此，开发一套疲劳检测系统，对于降低疲劳驾驶造成的交通事故率，保护生命财产安全具有重要意义。
        二、试验方案
        根据TB/T3396.4-2015《高速铁路扣件系统试验方法第4部分：制定的试验方案如图1所示。

        图1 轨道的疲劳性能测试的方案
        从图1可以看出，检验员在拿到待检扣件后，首先用待检扣件按标准（左右对称）将钢轨固定在承轨面上。然后根据标准TB/T3396.2-2015《高速铁路扣件系统试验方法第2部分：总成扣压力的测定》TB/T3396.3-2015《高速铁路扣件系统试验方法第3部分：总成静刚度的测定》和TB/T3396.4-2015对钢轨进行试验纵向阻力、组合静刚度、组合扣件压力、轨头与固定点距离。然后，按照TB/T3396.4-2015的试验要求，安装被测扣件，用疲劳试验机加载，3x106后，站在24 h，测试钢轨纵向阻力、总成静刚度、总成扣压以及轨头与固定点的距离，并根据判断标准给出是否合格的结论。
        这些典型扣件对轨距膨胀、钢轨纵向阻力变化率、扣压变化率和装配静载荷的要求是相同的。除弹条Ⅰ型扣件外，弹条扣件的钢轨纵向阻力、装配扣压力等参数均与弹条类型和底板有关，需要仔细验证。此外，由于静刚度紧固件装配与制造工艺、安装和测试方法有关，因此合格标准由制造商确定。
        三、实验器材
        2.1 钢轨
        标准钢轨是完成扣件系统疲劳性能试验的关键设备。根据标准要求，钢轨应满足以下要求：
        （1）长度为0.5 m或1m（2）质量是六十千克每米（3）轨底未修整
        2.2装载装置
        主要加载设备，因为在整个过程中需要检测钢轨的纵向阻力、轨距膨胀、装配扣压力和装配静刚度。
        (1)加载速率满足(9~11 ) kN/min; (2)静载≥50 kN。扣件组装静刚度加载装备满足如下要求：(1) 加载速率满足(2~6) kN/s ;(2)静载≥110 kN。
        紧固件装配用疲劳加载设备应满足以下要求：在（3-5）Hz频率下为100 kN。此外，在总成锁扣压力实验期间，还需要准备25 mm，大约0.25 mm+0.05 mm厚度的钢垫片。
        2.3数据采集系统
        数据采集系统主要由位移传感器、荷载传感器和荷载位移自动记录设备组成，应满足以下要求：
        （1）位移传感器：位移传感器用于测量钢轨相对于轨枕的垂直和横向位移，示值误差为0.01mm。
        （2）负载传感器：测量施加在钢轨上的负载，精度等级1。
        （3）负载位移自动记录设备，采样频率不低于50 Hz
        四、实验数据
        3.1计算方法
        紧固件总成疲劳性能试验主要包括总成扣压力、总成静刚度和变径三部分。由于我院均为单轨支撑面，因此本文仅介绍相应的测试原理和装置。
       （1）钢轨纵向电阻测量
        在钢轨一端以（9-11）kN/min的速率施加荷载后，通过荷载位移记录和测量设备获得的数据绘制荷载循环的荷载位移曲线。
        首先，D3＝D1－D2
        然后，钢轨纵向力由D3值对应的荷载位移曲线的力值确定。
        （2）组装静刚度
        以（110~130）kN/min的恒定速率向钢轨施加荷载，加载至70 kN，分别记录荷载加至F1（5 kN）和F2（55 kN）时的钢轨位移D1、D2，按式（2）计算扣件组装静刚度：

      （3）组装
        在钢轨一端以（9-11）kN/min的速度施加载荷直至钢垫片（钢轨支承面各角各一片）刚好能插入钢轨下卸荷归零然后以相同的速度施加载荷直至垫片刚好取出，此时载荷为P=P0-0.0098（ms+mf）                    （3）
        3.2 数据分析
        3.2.1 对于其测试之前与之后的刚度对比情况以及其变化率疲劳实验的之前与之后的静态刚度对比数据发现通过三百万次的疲劳实验之后，1系列的扣件其静刚度的变化率为百分之十左右，2系列的静刚度的变化率约为百分之十三左右。而且疲劳之前与之后的静刚度变化率都比百分之二十五小很多，所以扣件的组转静刚度的变化率满足其要求。
        3.2.2 扣件组装的距离扩大的数据分析
        在组装之后，其扩大数据表明，在疲劳之前与之后，扣件组装的扩大住都比六毫米小很多，所以轨道的距离的扩大值是满足要求的。
        总结
        根据现有的标准和广州计量检测技术研究院的试验设备，给出了紧固件总成疲劳性能试验方案、判定标准、试验装置、数据处理等
        1.疲劳性能试验参数可选，可按厂家要求进行试验，但300万次循环加载是必要的加载设备。
        2.通过对1、2扣件总成的检验，根据现有试验方案，对总成扣压、总成静刚度、钢轨纵向阻力、轨头与固定点的距离进行了测试，测试结果符合要求。