光纤应变传感器无缝线路钢轨温度应力测试仪的研制

　　0引言

　　目前，无缝线路技术被广泛运用，其具有接头少、行车平稳、舒适、延长线路和机车车辆的使用寿命，降低维修费用等优点。然而，无缝线路的实际锁定轨温总是在不断变化，如果不能准确地测试温度应力，而未及时进行温度应力放散，将可能导致重大行车事故。准确地测试无缝线路的锁定轨温是管好、用好无缝线路的基本条件。

　　1无缝线路钢轨的温度应力

　　无缝线路长钢轨由于扣件阻力和道床阻力作用，只能在长钢轨两端约 100 m 内 (伸缩区) 发生热胀冷缩，中间部分 (固定区) 不随轨温变化而伸缩，于是钢轨内储存了相应的温度应力，即钢轨纵向应力。无缝线路钢轨温度力计算公式为

　　F=E·α·Δt·S。 (1)

　　式(1)中， F 为钢轨温度力，kN;E 为钢轨弹性模量，E=2.1×105MPa;S 为钢轨断面积，60 kg/m 钢轨断面积约为 77.5×10-4m2;α 为钢轨线胀系数，α=11.8×10-6/℃;Δt 为相对于 0 应力轨温的轨温变化幅度，℃。

　　由式 (1)可知，若轨温变化 50 ℃，每根 60kg/m 钢轨的固定区的力将变化 1 000 kN，纵向应力变化的幅度是十分惊人的。若任纵向应力随意积累增长，当气温升高到一定限度时，线路无法承受这样巨大压力，就会在某一较短的长度内突然发生垂直或横向位移，以释放钢轨内的能量，从而发生涨轨跑道，而若在严寒的冬季，钢轨承受巨大的拉应力时，有可能被拉断。

　　2钢轨纵向应力的传统测试方法和光纤应变传感器

　　2.1传统测试方法

　　(1)应变法。应变法是最常用、最成熟的测量物体受力状况的方法之一。通过将应变片贴在被测轨轨腰的中性轴上，使之与旁边的标准短轨上贴的应变片组成平衡电桥电路，测量电桥输出的微弱电信号得到钢轨的应变值。

　　(2)振弦法。振弦法是在钢轨中性轴上钻 1 个小孔，将振弦传感器塞进小孔内，钢轨纵向力的变化会改变小孔的形状，从而改变振弦传感器 2 根弦的长度和自振频率，2 个频率的差即反映了钢轨纵向力。

　　(3)横向位移法。1981—1982 年间，匈牙利和德国提出了横向位移法，在垂直于钢轨方向加一横向力，由钢轨横向位移量求解钢轨纵向力。

　　(4)观测桩法。观测桩法是在线路两端埋设观测桩，测量钢轨上刻线与观测桩的相对位置变化，用以推算钢轨纵向应力。这一方法在国内流行最广，虽然不够准确，但有参考价值。

　　此外，国内使用的还有机械应变计法、应力尺法、温度补偿铟钢尺法、普通钢尺法等。目前，在国际学术界又出现了一些新的动向，诸如：振动法、磁法(巴克豪森效应法)、超声波法等。