基于机器视觉的大跨长联桥上无缝线路小阻力扣件纵向服役状态监测研究

以福厦高铁渔溪特大桥为例,提出一种基于机器视觉的小阻力扣件纵向服役状态监测方案,以获取大跨长联桥上无缝线路钢轨纵向变形与复合垫板窜出的时变特征;同时,结合梁轨温度与梁端位移测试结果,分析梁体温度、钢轨温度、梁端累积位移、梁轨相对位移与垫板窜出量之间的相关性。研究结果表明:根据图像识别结果,钢轨在监测阶段将随温度变化产生不同方向的伸缩,且钢轨位移略大于垫板窜出量。钢轨昼夜温差要显著大于桥面气温以及连续梁梁内气温、顶板温度、腹板温度,且梁体温度变化幅度显著比钢轨的小,其原因在于钢轨的比热容较小,在同等热量输入输出时产生的温度变化幅度较大。梁端纵向位移随温度变化幅度较小,最大日位移为0.15 mm;在监测周期内,梁端累积位移呈波动减小趋势,即梁体发生了缓慢收缩,其原因在于夏季到秋季时气温逐渐降低,且最大平均位移变化速率为0.09 mm/d。梁体温度、钢轨温度、梁端累积位移、梁轨累积相对位移和垫板窜出量之间的相关系数均大于0.8,说明其相关性较大,且均呈较好的正相关关系。通过基于机器视觉的小阻力扣件状态监测方法,可见小阻力扣件在福厦高铁渔溪特大桥区段具有较好的纵向服役状态,且监测周期内线路状态均正常,验证了此类方案在小阻力扣件现场监测中的适用性。

基于Dahl模型的WJ-8型常阻力扣件纵向阻力特性拟合研究

为研究WJ-8型常阻力扣件在不同环境下的服役性能,以紧固扭矩和环境温度为试验变量,进行了3组平行试验,获得3组扣件在不同温度和扭矩工况下的纵向阻力-位移曲线,揭示宽温域范围内扣件系统纵向阻力特性的演化规律。研究结果表明:在同一工况下,3组平行试验扣件的原始曲线形态基本一致,均可采用统一形式的幂指型函数较好地拟合;随着温度上升,不同扭矩下的扣件纵向滑移阻力总体上呈先增大后减小再增大的变化趋势,扣件纵向滑移阻力最大值和最小值分别出现在-10℃和40℃附近,前者约为后者的2倍,可见温度变化对WJ-8型常阻力扣件的纵向滑移阻力的影响不容忽视;不同温度下的扣件纵向滑移阻力基本上随扭矩增大而呈线性增大;在负温度环境下,纵向滑移阻力对扭矩变化的敏感程度要明显比正温度环境下的高;为满足纵向滑移阻力不小于9 kN的使用需求,在服役温度为30~45℃时,紧固扭矩不宜小于155 N·m。研究成果可为高速铁路无砟轨道铺轨作业提供参考,对于预测高速铁路基础结构服役性能、健全高速铁路运营安全保障体系也具有参考价值。

WJ-8型小阻力扣件纵向阻力温变特性研究

为评估高速铁路桥上无缝线路扣件对服役环境的适应性,以WJ-8型小阻力扣件为例,开展一系列室内纵向阻力试验。设置-30~60℃的环境温度和90~120 N·m的螺栓扭矩,在标准组装状态下按照10 kN/min的恒定速率加载,实时记录纵向力值及钢轨纵向位移值,每个工况加载4次。试验获得了4个不同扭矩和10个不同温度组合工况下的扣件纵向阻力-位移变化特征,分析得到温度、扭矩和纵向滑移阻力三者之间的映射关系。研究结果表明:1)不同工况下,扣件纵向阻力随位移的增大呈幂指型函数递增关系;不同扭矩作用下,扣件纵向滑移阻力随温度升高呈指数型函数递增关系;不同温度作用下,扣件纵向滑移阻力随扭矩增大呈线性递增关系。2)扭矩作用和温度作用对小阻力扣件纵向阻力均有影响,但扭矩作用基本不影响扣件阻力对温度变化的敏感性,反之亦然。3)当温度上升至40℃以后,在规范建议的90~120 N·m扭矩下,纵向滑移阻力均不再满足4±1 kN的要求。建议高温环境下适当减小螺栓扭矩,以便于桥上无缝线路附加力的释放。研究成果对于优化轨道结构设计、验证和完善无缝线路扣件纵向阻力取值计算理论具有参考意义。

轨下支承刚度对弹性支承块式无砟轨道行车安全性影响研究

为探究弹性支承块式无砟轨道在重载铁路中的适用性,以蒙华铁路隧道应用的弹性支承块式无砟轨道为例,开展重载列车作用下轨下支承刚度对弹性支承块式无砟轨道轨道行车安全性影响研究,以期为大轴重下无砟轨道结构选型及设计提供参考意见。通过建立重载列车—弹性支承块式无砟轨道结构动力学精细化耦合模型,设置不同轨下竖向刚度与轨下横向刚度工况,分析重载列车轮轨竖向力、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率以及磨耗指数等行车安全性指标变化,并提出合理的轨下支承刚度取值范围。研究结果表明:轨下支承刚度变化主要影响车轮与钢轨间的接触状态,从而影响轮轨接触斑区域及该区域内局部应力状态。随着通行总重量增加,轨下竖向刚度会逐渐增加,因此轨下支承刚度应确保在较低范围内变化。对轨下支承刚度进行合理设置可以改善轮轨接触界面状态,还能够改善轮轨作用力分布,降低钢轨磨耗指数,增加重载铁路钢轨使用寿命。根据列车运行安全性指标变化情况考虑,轨下竖向支承刚度取120~160 kN/mm较为适宜,轨下横向支承刚度取160~200 kN/mm较为适宜,以保证重载铁路钢轨的合理使用寿命及降低换轨周期。

承轨台与道床板相对高差对轨道结构静力学特性影响

为研究混凝土工程施工质量对地铁轨道受力特性的影响,基于有限元方法建立了无砟轨道静力学模型。模拟列车静荷载作用,对轨枕承轨台与道床板顶面之间相对高差为10~110 mm情况下的轨道力学特性进行了系统性分析。研究结果表明:轨枕最大主拉、压应力分别为1.553 MPa和3.037 MPa,道床板最大主拉、压应力分别为0.676 MPa和1.231 MPa,道床板的最大三向应力、最大主应力均小于轨枕,且均不到其1/2;随着相对高差的增大,轨枕最大主拉应力逐渐逼近抗拉设计强度。综合考虑列车静荷载作用下轨枕及道床板的受力特点,轨枕承轨台与道床板的相对高差为约50 mm为宜。