技术领域
[0001] 本
发明涉及
铁道工程技术领域，尤其是涉及一种轨道板温度裂缝模拟装置及其实现方法。
背景技术
[0002] 随着我国高速铁路的发展，CRTSⅡ型无砟轨道结构得到了广泛的应用。由于长期暴露在野外自然环境中，不断受到环境因素、列车荷载的不断作用，工务部
门在CRTSⅡ型轨道板上发现了越来越多的病害，这其中裂缝病害就是最常见的病害之一。工务部门的检修和维护工作都是在夜间进行，而裂缝病害往往都是及其细小，一般裂缝的宽度往往只有0.1mm左右，再加上夜间光照条件差，维护时间短，往往不能够及时有效的发现裂缝病害，为高速铁路的安全运行埋下了隐患。因此，为了能够更好地、更及时地发现裂缝病害，急需要对裂缝检测进行实验研究，因此需要一种方便、有效、模拟效果准确的轨道板裂缝模拟装置。
发明内容
[0003] 本发明的目的就是为了克服上述
现有技术存在的
缺陷而提供一种轨道板温度裂缝模拟装置及其实现方法。
[0004] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0005] 一种轨道板温度裂缝模拟装置，包括：
[0006] 轨道板模型，其表面设有承轨台模型和多条预裂假缝，其内部设有
钢筋网架，其距中心截面第一预设距离处设有贯穿式预设温度裂缝；
[0007] 温度采集单元，包括温度
传感器，所述温度传感器设在距所述贯穿式预设温度裂缝侧边缘的设定距离处；
[0008] 温度加热单元，设在所述轨道板模型的内部；
[0009] 环境要素模拟采集单元，包括设置在轨道板模型周围的加热灯、直
风机、
太阳辐射测量仪和
风速计。
[0010] 优选的，所述轨道板模型上设有非
接触式温度裂缝检测装置。
[0011] 优选的，所述非接触式温度裂缝检测装置包括PC终端和设置在移动式高度可调节
支架上的红外热成像仪。
[0012] 优选的，所述移动式高度可调节支架包括从下至上依次设置的固定滑
轨底座、滑动平台、热像仪
支撑架。
[0013] 优选的，所述温度传感器包括细杆和按照一定间隔距离设置在所述细杆上的多个温度传感器。
[0014] 优选的，所述温度传感器设有两套，分别埋设在距贯穿式预裂假缝边缘的第一设定距离和第二设定距离处。
[0015] 优选的，所述温度加热单元包括可调节双面
铝箔加热
垫片。
[0016] 优选的，所述轨道板模型的长宽尺寸为实际轨道板1/5，高度尺寸为实际轨道板的3/4。
[0017] 优选的，所述预裂假缝通过在轨道板模型浇筑即将完成时在轨道板模型表面埋入L型铝
型材得到，所述贯穿式预设温度裂缝通过将细铁丝埋进轨道板模型表面得到。
[0018] 一种上述轨道板温度裂缝模拟装置的实现方法，包括：
[0019] S1、按照所需浇筑的轨道板模型尺寸制作模具、
钢筋网架、温度传感器、温度加热单元；
[0020] S2、用
混凝土按照实际轨道板配比浇筑轨道板模型，在深度达到第一深度时，将温度加热单元平铺在模具内，在深度达到第二深度时，放入
钢筋网架，继续浇筑混凝土直至设计深度；
[0021] S3、在抹平混凝土表面的
基础上，将预涂凡士林的多条L型铝型材每隔第二预设距离埋入轨道板模型表面，实现预裂假缝的制作，将预涂凡士林的细铁丝轻埋进混凝土表面距中心截面第一预设距离处，实现贯穿式预设温度裂缝的制作；
[0022] S4、将温度传感器分别埋入距所述预设温度裂缝侧边缘的设定距离处；
[0023] S5、在轨道板模型表面按照实际配比等间距浇筑承轨台模型；
[0024] S6、在轨道板模型四周搭建环境要素模拟采集单元并将所有电器元件进行连接。
[0025] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0026] 1、对轨道板温度裂缝进行模拟并进行非接触式检测，通过环境要素模拟采集单元能够不断改变温度、辐射和风速参量，能够实现对不同工况下的轨道板温度裂缝模拟，模拟准确性高、成本低廉，具有很强的推广及使用价值。
[0027] 2、轨道板模型的长宽尺寸为实际轨道板1/5，高度尺寸为实际轨道板的3/4，适当扩大深度尺寸，可以消除轨道板底部结构边界温度效应。
附图说明
[0028] 图1为本发明轨道板温度裂缝模拟装置的结构示意图；
[0029] 图2为本发明中轨道板模型的结构示意图；
[0030] 图3为本发明中非接触式温度裂缝检测装置的结构示意图；
[0031] 图4为本发明中埋入式温度采集单元的结构示意图；
[0032] 图5为本发明轨道板温度裂缝模拟装置实现方法的流程示意图。
[0033] 图中标注：1、轨道板模型，2、承轨台模型，3、预裂假缝，4、
导线，5、固定滑轨底座，6、滑动平台，7、铝管，8、方管，9、紧固杆，10、热像仪网架，11、细杆，12、
热电偶传感器，13、数显式
温度计。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图和具体
实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0035] 实施例
[0036] 如图1所示，本
申请提出一种轨道板温度裂缝模拟装置，用于对不同工况下的轨道板裂缝病害进行模拟，包括：轨道板模型1，其表面设有承轨台模型2和多条预裂假缝3，其内部设有钢筋网架，其距中心截面第一预设距离处设有贯穿式预设温度裂缝；温度采集单元，包括温度传感器，温度传感器设在距贯穿式预设温度裂缝侧边缘的设定距离处；温度加热单元，设在轨道板模型1的内部；环境要素模拟采集单元，包括设置在轨道板模型1周围用以模拟太阳辐射的功率可调节卤素加热灯、风速可调节直风机、高灵敏度太阳辐射测量仪和高灵敏度风速计。
[0037] 本实施例中，轨道板模型1浇筑长宽尺寸为实际CRTSⅡ型轨道板1/5，高度尺寸为实际CRTSⅡ型轨道板3/4。如图2所示，轨道板模型1表面等间距预设9道预裂假缝3，在距中心截面2厘米处设置贯穿式预设温度裂缝。轨道板模型1表面两边等间距铺设10
块原尺寸1/5的承轨台模型2，并在承轨台模型2上架设缩尺钢轨，轨道板模型1内部深度5厘米处布设钢筋网架。轨道板模型1采用同实际CRTSⅡ型轨道板相同的混凝土材料配比进行浇筑，为消除轨道板底部结构边界温度效应，适当扩大深度尺寸，综合考虑后确定其尺寸为长1290mm、宽
510㎜、高150㎜。预裂假缝3采用边长为10mm、长度为510mm的L型铝型材进行制作，在浇筑即将完成时，将预涂凡士林的L型铝型材每隔128mm埋入模型表面。承轨台模型2采用同轨道板相同的混凝土材料配比进行浇筑，其尺寸为长60mm、宽30mm、高15mm，依次等间距铺设在轨道板模型1两侧。缩尺钢轨为工字钢，其尺寸为下底面宽34㎜、上底面宽18㎜、高60㎜。钢筋网架采用直径为10mm的
不锈钢圆棒制作，将6根100mm和6根48mm的不锈钢钢棒利用扎带进行
捆扎，在保证其稳固不松动的基础上，在轨道板浇筑到10厘米深时将其放入混凝土中。贯穿式预设温度裂缝采用直径为1mm、长度为510mm的细铁丝制作，在混凝土表面抹平的基础上，将预涂凡士林的细铁丝轻埋进表面，完成裂缝制作。
[0038] 本实施例中，温度采集单元包括2套温度传感器和4套数显式温度计13。如图4所示，温度传感器包括细杆11和按照一定间隔距离设置在细杆11上的8个热电偶传感器12。温度传感器设有两套，两套温度传感器分别埋设在距贯穿式预设温度裂缝侧边缘0厘米和5厘米处。制作过程如下：选用长度为80mm的细木棒，分别在距其顶端0mm、5mm、10mm、15mm、20mm、40mm、60mm、80mm处粘接热电偶12，将各热电偶传感器12导线分别顺沿细木棒表面由上而下进行固定，并在细木棒底部进行合拢捆扎。浇筑时，在预设温度裂缝已经设置的基础上，将两套温度传感器分别埋入距温度裂缝边缘0mm和50mm处，并将捆扎好的导线埋入80mm深度处，以消除导线对采集区域
传热的影响，最后将导线4紧贴模具侧边引出，完成埋设工作。数显式温度计13可同时采集所有16个热电偶传感器12的温度数据，在埋设完成后，连接温度传感器和数显式温度计13进行试验检测，保证所有温度传感器的有效性。
[0039] 温度加热单元包含一尺寸为轨道板模型1十分之九的温度可调式双面铝箔发热垫片，并预埋在轨道板模型1内部深度10厘米处。本实施例中，温度加热单元尺寸为长1161mm、宽459mm。铝箔内部遍布加热丝，保证其加热均匀性，同时温度可调节功能保证其可在20～100℃之间进行恒温加热，调节步为10℃。浇筑时，在混凝土达到50mm时，将其铺平放入其中继续浇筑，同时将导线4紧贴模具侧边穿出，完成埋设。
[0040] 环境要素模拟采集单元中，功率可调节卤素加热灯可用来模拟太阳辐射，功率调节范围在100～1000W之间，照射稳定而均匀，可持续时间长。风速可调节直风机用来模拟环境风况，风速可调节范围在1～10m/s之间，供风稳定且均匀。高灵敏度太阳辐射测量仪灵敏度为0.01W/㎡，测量范围为0～2000W/㎡，完全能够满足模拟需要，同时能够自动记录测量结果，便于后续查找与分析。高灵敏度风速计可同时测量风速和风向两个气象参量，风速测量灵敏度为0.1m/s，测量范围为0～20m/s，完全满足模拟测试的需要。
[0041] 轨道板模型1上设有非接触式温度裂缝检测装置。非接触式温度裂缝检测装置包括PC终端和设置在移动式高度可调节支架上的红外热成像仪。如图3所示，移动式高度可调节支架包括从下至上依次设置的固定滑轨底座5、滑动平台6、热像仪支撑架。本实施例中，固定滑轨底座5由铝型材制作，长1400mm，上底面宽8mm，下底面宽24mm，其上的滑轨为高10mm、底座高5mm的倒T型结构设计，左右各一根，设计宽度为300mm。滑动平台6底部结构呈凹形，左右两侧为长100mm，宽16mm，内部开有宽8mm、深10mm的滑槽，用以配合固定底座的滑轨结构，实现前后移动。左右滑槽中部由铝管7
焊接而连成整体，铝管7长度依据固定底座滑轨设计宽度确定。铝管7中部焊接高度为1000mm的方管8，其内径尺寸为16mm，外径尺寸为
20mm，中部高度500mm处依次开有3个直径为6毫米的
螺纹孔，用以和紧固
螺栓和热像仪支撑杆进行配合。热像仪支撑杆由紧固杆9和热像仪网架10组成，紧固杆9为直径15mm、高度为
1000mm的圆管，顶部同热像仪网架10焊接连成整体，热像仪网架10由长120mm、宽80mm的长方形钢圈和直径为35mm的圆形钢圈焊接而成，长方形钢款尺寸和圆形钢圈尺寸分别配合热像仪的尺寸。红外热成像仪集拍摄和存储功能于一体，且温度灵敏度可达0.01℃，能够实现快速检测与识别，通过USB与PC终端连接，可以对采集到的数据和图像同温度数据、环境参量数据进行综合分析。
[0042] 如图5所示，轨道板温度裂缝模拟装置的实现方法包括：
[0043] S1、按照所需浇筑的轨道板模型1尺寸制作模具：定制长为1290mm、宽为510mm、高为150mm的可拆卸不锈钢模具，并在模具内壁均匀涂抹凡士林，便于脱模；
[0044] 制作钢筋网架：选用直径为10㎜的不锈钢钢棒，并按照设计要求切割出6根长为1000mm和6根长为480㎜的备用料，用扎带将备用料按照6*6的方式进行捆扎固定，完成钢筋网架的制作；
[0045] 制作温度传感器：选备2根长为80mm的细长木棒及16个热电偶12温度传感器，测温范围为-20～70℃，从木棒的一端开始按照0mm、5mm、10mm、15mm、20mm、40mm、60mm、80mm的距离依次将热电偶传感器12感应触点粘接在木棒上，并将导线从上至下固定捆扎，并在各热电偶传感器12连接头端部做好相关深度的标记；
[0046] 温度加热单元：将铝箔加热垫片按照长1161mm、宽459mm的尺寸进行裁剪，并对裁剪区域进行粘合，避免内部加热丝外露；
[0047] S2、选用C55型混凝土按照实际轨道板配比浇筑轨道板模型1，在深度达到第一深度50mm时，将铝箔加热垫片平铺在模具内，并将导线紧贴在模具侧面，并将其引出；在深度达到第二深度100mm时，放入钢筋网架，继续浇筑混凝土直至设计深度；
[0048] S3、选用边长为10mm、长度为510mm的L型铝型材制作轨道板表面预裂假缝3，在抹平表面的基础上，将预涂凡士林的L型铝型材每隔第二预设距离128mm埋入模型表面；
[0049] 选用直径为1mm、长度为510mm的细铁丝制作贯穿式预设温度裂缝，在表面抹平的基础上，将预涂凡士林的细铁丝轻埋进表面距中心截面第一预设距离200mm处，完成裂缝制作；
[0050] S4、在预设温度裂缝已经设置的基础上，将两套温度传感器分别埋入距温度裂缝边缘0mm和50mm处，并将捆扎好的导线埋入80mm深度处，以消除导线对采集区域传热的影响，最后将导线紧贴模具侧边引出，并继续对表面进行抹平操作，完成埋设工作；
[0051] S5、在轨道板主体结构养护完成时，在表面采用C55混凝土按照实际配比等间距浇筑尺寸为长60mm、宽30mm、高15mm的缩尺承轨台模型2，左右两侧各10块承轨台模型2，共计20块；在所有混凝土结构完成养护后，放上缩尺钢轨，缩尺钢轨选用上底面宽为18mm、下底面宽为34mm、高为60mm的工字钢模拟，完成模型的搭建；
[0052] S6、在轨道板模型1四周搭建环境要素模拟采集单元并将所有电器元件进行连接：
[0053] (1)在已经预埋温度传感器的基础上，将16根引出的导线4按照编号依次同4套数显式温度计13相连接，每套数显式温度计13连接4根热电偶传感器12的导线4，并依次标记深度和
位置信息，完成埋入式温度采集单元的搭建；
[0054] (2)在预埋铝箔加热垫片的基础上，将引出的导线4同温控
开关相连接，实现加热垫片的可
调温控制，调温范围为20～100℃，调节步为10℃，完成温度加热单元的搭建；
[0055] (3)在轨道板模型1的一侧架设功率可调节卤素加热灯和风速可调节直风机，调节范围分别为100～1000W/㎡和0～10m/s，将两设备导线接入同一电源开关，实现同时启动和同时关闭，在另一侧，即温度传感器和加热垫片导线4引出侧，分别安装高零敏度太阳辐射测量仪和高灵敏度风速计，灵敏度分别为0.01W/㎡和0.1m/s，实现对太阳辐射和风速的同步采集，完成环境要素模拟采集单元的搭建；
[0056] (4)将热成像仪安装在移动式高度可调节支架上，实现对轨道板不同高度，不同位置的检测拍摄，寻求最佳检测点，通过USB将热像仪和PC终端相连接，可以实现对拍摄数据和图像的处理与分析，完成非接触式温度裂缝检测装置的搭建。
[0057] 将上述轨道板模型1、埋入式温度采集单元、温度加热单元、环境要素模拟采集单元和非接触式温度裂缝检测装置组合为整体。通过可调节温度铝箔加热垫片对轨道板实验模型进行40℃恒温加热，待轨道板模型1温度达到相对稳定时，连接数显式温度计13对16个热电偶传感器12的温度数据进行记录，作为初始温度数据。然后，打开卤素加热灯，调节到200W功率进行稳定辐射照射，同时打开直风机，调节到1m/s风速进行稳定送风。取30s时间间隔进行相关温度、辐射和风速
数据采集，并利用热像仪进行移动拍摄，观察不同时域条件下的检测效果，并存储拍摄图像和拍摄数据，累计采集30min的实验数据。以此方式不断改变温度、辐射和风速参量，从而达到对不同工况的模拟和检测，最后，导入数据到PC终端，对数据进行综合分析与研究。
[0058] 基于
数据处理和
图像处理方法对数据进行分析，具体步骤如下：
[0059] ①将所拍摄热成像图导入smart view专业分析
软件，将
可视化图片转化为温度数据csv表格，其中各单元格分别对应其对应
像素坐标位置。
[0060] ②提取各单元格中温度数据，建立温度数据矩阵，矩阵各元素表示如下：
[0061]
[0062] ③对温度数据矩阵相邻行一次进行相减操作，并将结果定义为相邻像素温度差值矩阵，矩阵元素依次为：
[0063] Dij＝fi+1,j-fij 1≤i≤480,1≤j≤640
[0064] ④设定热成像仪检测温差临界值0.2℃为
阈值，将相邻像素温度差值矩阵中所有大于等于0.2℃的元素全部定义为1，反之全部设置为0，则矩阵转换为仅包含0,1元素的像素灰度矩阵。
[0065] ⑤根据热成像检测原理，裂缝区域属于高温区，则裂缝边缘处温度将明显区别于非裂缝区域，反映在像素灰度矩阵之中即为元素1，因此，利用图像处理技术对转化后的热像图进行
图像识别，即可实现对裂缝大小、位置信息的准确检测。
