DIC技术用于模拟火车过弯动载下铁轨及固定装置变形位移监测

在现代铁路系统中，钢轨承受着列车循环动载的冲击，尤其在高速行进的火车过弯时，巨大的离心力会导致铁轨产生横向位移、倾斜以及固定装置（如轨枕、扣件）的变形。若固定装置失效导致位移失控，轻则加速轨道几何形态畸变、增大行车阻力；重则直接导致轨排失稳、引发脱轨事故。

要提升火车运行安全冗余，实现对钢轨及其固定装置的位移动态监测成为刚需。传统点式传感器难以捕捉高速瞬态位移与变形，接触测量更易受电磁干扰。新拓三维XTDIC-STROBE三维动态测量系统，搭配高速、高分辨率数字相机，可实现不同速度的变形测量、位移追踪、轨迹测量，输出关键点速度、加速度数据，为火车关键部件动态特性研究提供全新的解决方案。

下面通过实例介绍XTDIC-STROBE三维动态测量系统，在火车模型或实车通过弯道时，以高帧率连续拍摄目标区域的图像序列，分析火车钢轨及固定装置动态变形与位移。

钢轨模拟加载实验现场

新拓三维XTDIC-STROBE三维动态测量系统，搭配高速工业相机（高至4500fps），追踪精度可达0.005px，可实现海量标识点目标同时追踪，分析三维坐标、位移和变形量，凭借高精度、高效率与良好重复性，有效满足科研与工程测试需求。

项目需求痛点

铁轨在弯道区段易发生几何形位超限事件，在列车过弯时离心力动载下，导致钢轨在固定装置上持续纵向滑移（钢轨爬行）。传统人工巡检无法捕捉动态变形，既有传感器（应变片/位移计）易错失关键危险点，无法关联钢轨位移与扣件形变。

▶ 量化铁轨及其固定装置（不同弹条、福斯罗）在离心力下的位移抑制能力；

▶ 锁定固定装置结构薄弱位

▶ 建立毫米级位移预警阈值

铁轨及其固定装置被测区域

DIC技术应用价值

1、评估结构性能：DIC技术提供标识点实时位移与变形数据，直接量化钢轨、扣件系统、固定装置在过弯动载下的实际变形及位移量，评估其安全性、稳定性和耐久性。

2、优化设计：识别设计中的薄弱环节（如应力集中点），验证新型扣件、轨枕、道砟结构在控制变形方面的有效性。

3、研究机理：深入理解火车过弯时轮轨相互作用力下，如何传递并导致轨道结构各部件变形的详细机理。

4、监测损伤和失效：探测微小但关键的变形（如扣件的初始滑移、钢轨的微塑性变形），这些可能是疲劳裂纹萌生或渐进失效的早期信号。

模拟动载下位移监测试验

实验目标

通过载荷装置模拟火车过弯离心力作用下，分析不同铁轨固定装置对于铁轨稳定性能的作用，确定位移数值是否符合设计要求，有助于提高火车过弯时的稳定性，提高铁路运行安全。

DIC技术应用

通过在铁轨及其固定装置表面粘贴标识点，利用XTDIC-STROBE三维动态测量系统拍摄关注区域在不同状态下的图像。

DIC系统对图像进行分析，根据图像中标识点的位移变化，计算出铁轨及其固定装置表面各点的三维坐标变化，从而得出固定装置不同位置变形曲线、铁轨侧面位移曲线。

测量环境

室外铁轨轨道现场

测量技巧

由于室外光线较强，因此采用了一定的遮光措施，同时降低相机的曝光时间以最大采集帧率进行图像采集。

采用标记点明确的测量点，方便对特定位置（如螺栓中心、扣件特定部位、轨腰关键点）进行精确位移追踪。

实验过程

测试负载：液压加载系统模拟离心力进行逐级动态加载，检测铁轨及其固定装置变形位移。

关键点位移数据分析

固定装置（扣件系统）关键点位移分析

固定装置1（扣件系统）横向变形曲线

监测点定位：单组扣件关键区域布点

0点（螺栓头）与1点（弹条中部）相对位移曲线特征如下图：

固定装置1不同位置横向变形曲线

固定装置2（扣件系统）横向变形曲线

监测点定位：单组扣件关键区域布点

弹条中部位移曲线特征如下图：

固定装置2不同位置横向变形曲线

铁轨侧面位移场关键点曲线

轨道横向位移：量化钢轨向外甩出量（关键安全指标）；

基于DIC技术的量化分析，提升铁轨设计优化及运维效率，降低预防性维护成本。

铁轨侧面位移与关键点位移曲线

采用新拓三维XTDIC-STROBE三维动态测量系统，高帧率工业相机组（≥250fps）配合亚像素算法，实现微米级动态位移跟踪能力，在离心力加载瞬间捕捉固定螺栓与铁轨的微观滑移轨迹，分析铁轨横向位移数据，量化主流固定装置（弹条、福斯罗）约束性能，提升火车过弯稳定性安全裕度，为铁路轨道系统“诊-治-防”一体化维护提供数据基石。