無縫線路鋼軌縱向力及鎖定軌溫檢測系統(tǒng)(NTS)的試用

張 銘，蔣金洲

(1.濟南鐵路局 設(shè)計所，濟南 250001;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 國內(nèi)外無縫線路鋼軌縱向力及鎖定軌溫檢測現(xiàn)狀

無縫線路鋼軌縱向力及鎖定軌溫檢測方法一直是國內(nèi)外鐵路工作者研究的課題，并且相繼研制了多種檢測設(shè)備，但是，至今沒有一種真正能夠在線路上得到可靠應(yīng)用。由鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所新研制的無縫線路鋼軌縱向力及鎖定軌溫檢測系統(tǒng)(NTS)，旨在為工務(wù)部門提供一種方便可靠的測試手段，快速準(zhǔn)確地測得無縫線路鋼軌縱向力及實際鎖定軌溫，為無縫線路施工后鎖定軌溫驗收和維修放散、應(yīng)力調(diào)整提供技術(shù)支持。

目前，國內(nèi)外測試鋼軌縱向力及鎖定軌溫所采用的方法有以下兩種。

1.1 需要測試初值的儀器

采用該方法的本質(zhì)就是通過測量鋼軌縱向應(yīng)變，換算為鋼軌應(yīng)力，再計算鎖定軌溫差。測量應(yīng)變必須測得本次鋼軌縱向變形值和前一次鋼軌縱向變形值，由此計算鋼軌縱向應(yīng)變。

1.1.1 溫度自動補償式銦鋼尺

該設(shè)備由具有溫度自動補償功能的銦鋼尺、軌卡構(gòu)成。測試方法是在長鋼軌施工鎖定前在軌底安裝固定1 100 mm間距的軌卡。施工鎖定的同時測量軌卡的間距和軌溫，以后每次測量軌卡間距和軌溫，以此計算應(yīng)變，并換算成鋼軌縱向力及實際鎖定軌溫。

1.1.2 日本カネコ株式會社制造的KS646鋼軌軸應(yīng)力測定儀

該設(shè)備由鋼軌測長器、采集裝置、軌溫傳感器、測針、臺座等部件構(gòu)成。測試方法是在長鋼軌施工鎖定前在軌腰安裝固定100 mm間距的測針。施工鎖定的同時測量測針的間距和軌溫，以后每次測量測針間距和軌溫，以此計算應(yīng)變，并換算成鋼軌縱向力及實際鎖定軌溫。

1.1.3 法國GEISMAR公司制造的N096LK-2115型鋼軌應(yīng)力測試儀

該設(shè)備由900型數(shù)據(jù)采集監(jiān)視器、700型便攜式點焊機、LWK型可焊應(yīng)變儀、WWT型可焊軌溫計構(gòu)成。測試方法是在長鋼軌施工鎖定前，采用點焊機將應(yīng)變計及軌溫計焊在軌腰表面，并引出帶接頭的長約20 cm的導(dǎo)線。施工鎖定的同時，接上采集儀和電腦，記錄應(yīng)變初值和軌溫，以后每次測量應(yīng)變和軌溫，以此計算兩次測量之間應(yīng)變差，并換算成鋼軌縱向力及實際鎖定軌溫。美國一家公司也制造該儀器，曾在豐臺工務(wù)段試用。

上述設(shè)備各有優(yōu)缺點，以1.1.3中的點焊方式最優(yōu)，但價格最昂貴。上述設(shè)備均有共同的缺點，即必須測得長鋼軌施工鎖定時的測量初值，否則只能得到相對的結(jié)果，而無法得到鋼軌縱向力及實際鎖定軌溫。正是這一缺點限制了上述設(shè)備的推廣應(yīng)用。

1.2 無需要測試初值的儀器

1)根據(jù)鋼軌承受軸向力時對導(dǎo)磁率、噪聲響應(yīng)、超聲波、X射線反射等特點，通過標(biāo)定值計算得到實際鎖定軌溫。典型的設(shè)備有香港三通公司提供的采用巴克豪森噪聲效應(yīng)原理制造的鋼軌應(yīng)力檢測儀。德國在中國的一家公司也提供采用噪聲原理制造的鋼軌應(yīng)力檢測儀。

2)根據(jù)鋼軌承受軸向力時，鋼軌提升剛度具有規(guī)律性的特點，通過鋼軌物理受力模型直接計算出鋼軌縱向力及實際鎖定軌溫。典型的設(shè)備有:①美國聯(lián)邦鐵路局采用專用鋼軌縱向力測定車，在測定車兩轉(zhuǎn)向架之間提拉鋼軌，根據(jù)鋼軌提升剛度計算出鋼軌縱向力及實際鎖定軌溫。②英國VORTOK公司制造的VERSE鋼軌縱向力測定儀。采用在30 m范圍內(nèi)提拉鋼軌，根據(jù)鋼軌提升剛度計算出鋼軌縱向力及實際鎖定軌溫。③鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所研制的鋼軌縱向力及鎖定軌溫測試系統(tǒng)(NTS)。采用本方法制造的設(shè)備具有很大的優(yōu)點，即無需測量初值。

2.2.1 入院宣教 護士應(yīng)用溫和的態(tài)度向患者做自我介紹并介紹環(huán)境及相關(guān)制度，使患者及家屬消除緊張感。危重患者入院后護士應(yīng)及時通知醫(yī)師并介紹病情，將患者處置好以后再介紹病房的規(guī)章制度，這樣效果較好。

1.3 兩種方法的分析比較

需測初值的設(shè)備在目前有其無法克服的局限性，即鋼軌材質(zhì)的不均勻性、鋼軌因制造或鋪設(shè)造成的表面殘余應(yīng)力、電氣化軌道的強電場均會對磁率、噪聲響應(yīng)、超聲波、X射線產(chǎn)生較大的影響，直接影響測量結(jié)果的可靠性。不用測初值的設(shè)備因采用鋼軌受力物理模型，結(jié)果與鋼軌材質(zhì)的不均勻、殘余應(yīng)力、軌道電路均無關(guān)，因此可靠性較高，具有操作方便、快速得到結(jié)果的優(yōu)點，值得進一步推廣應(yīng)用。

2 無縫線路鋼軌縱向力及鎖定軌溫檢測系統(tǒng)(NTS)

2.1 基本原理

NTS(Neutral Temperature detecting System)不用測初值，鋼軌受力的物理模型如圖1所示。在鋼軌縱向力F為拉力的前提下，松開 L長范圍內(nèi)所有扣件，分別在距兩端第一個未松扣件的L1及L4處的軌枕上，各墊上高度為H1和H2的鋼支承，然后在中部L/2的軌枕處，提升鋼軌，記錄提升力P及提升位移Δ。

圖1 NTS鋼軌受力模型(單位:m)

理論分析表明，當(dāng)L足夠長時，圖1中的鋼軌可視為一根處于張力F作用狀態(tài)下，且兩端固定的弦線。此時，當(dāng)張力F不變，且弦線中部的提升位移Δ在一定的范圍之內(nèi)時，提升力P與提升位移Δ的比值保持恒定，即弦線的提升剛度為定值。

根據(jù)圖1的鋼軌受力模型，采用有限元法計算提升剛度K與弦線張力 F的關(guān)系，通過有限元迭代計算，可得到鋼軌縱向力F。

縱向力F的函數(shù)關(guān)系可用下式表達

式中，F(xiàn) 為函數(shù)關(guān)系式;K 為提升剛度;L1、L2、L3、L4為扣件拆開間距;E為鋼軌彈性模量;IX為鋼軌截面對水平軸慣性矩。

鋼軌實際鎖定軌溫Ts按下式計算得到

式中，Ts為實際鎖定軌溫;F為測得鋼軌縱向力;E為鋼軌彈性模量;A為鋼軌截面積;α為鋼軌線膨脹系數(shù);T為測量時的軌溫。

2.2 NTS系統(tǒng)的優(yōu)越性

NTS系統(tǒng)只需測量三個普通的物理量拉力、位移和溫度，而這三個物理量測量中精度和穩(wěn)定性均能達到較高水平，而且成本低廉。拉力測量在量程為1 200 kg、位移測量在量程為100 mm的條件下，測量精度均能控制在1‰以下，溫度測量在量程為－20℃ ～+60℃的條件下，精度能控制在0.1℃以下。

2.3 系統(tǒng)組成

2.3.1 液壓提升架

帶液壓千斤頂和拉力傳感器，具有提升鋼軌全過程中提升力方向始終保持垂直的性能。

2.3.2 數(shù)字采集儀

圖2 數(shù)字采集儀

如圖2所示，能進行拉力、位移、軌溫信號采集，并通過USB接口傳輸給計算機。該采集儀交直流兩用，并自帶充電電池。

2.3.3 軌溫傳感器

采用2只數(shù)字式溫度傳感器，1只用于測量軌腰一側(cè)(如陽面)、1只用于測量軌腰另一側(cè)(如陰面)的軌溫，以便計算軌溫平均值。

2.3.4 NTS2.0軟件

NTS2.0軟件為NTS系統(tǒng)的核心部分，其程序結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要功能有:數(shù)據(jù)顯示、采集、數(shù)據(jù)整理、回歸分析、有限元分析計算、自動出測試報告、圖示軌溫安全區(qū)、根據(jù)實測的鎖定軌溫進行鋼軌張拉或放散計算等等。

3 NTS現(xiàn)場標(biāo)定試驗

2006年4月NTS在濟南鐵路局換軌段進行了為期一周的標(biāo)定試驗。

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

本次試驗?zāi)康氖?，檢驗NTS系統(tǒng)測得的長鋼軌縱向力值是否等于或接近實際縱向力值，并評價NTS的誤差范圍。

3.2 試驗方案

如圖4所示，在60 kg/m長鋼軌一端采用鋼軌拉伸器張拉長鋼軌，使長鋼軌產(chǎn)生縱向拉力，在距張拉處10 m的25～30 m范圍為NTS提升范圍，在提升點的左右側(cè)約5～7 m處分別在鋼軌中和軸粘貼應(yīng)變片。

在拉軌器加載保壓后，將距軌端10 m范圍的鋼軌扣件扣緊。NTS系統(tǒng)緊接著測試鋼軌縱向力。由鋼軌應(yīng)變片、橋盒、動態(tài)應(yīng)變儀、采集及記錄設(shè)備組成的測力系統(tǒng)全程記錄鋼軌受力狀態(tài)。動態(tài)測力系統(tǒng)測得的鋼軌縱向力值即為實際的鋼軌縱向力值。將NTS測得的鋼軌縱向力值與動態(tài)測力系統(tǒng)測得結(jié)果比較，由此評價NTS系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3.3 試驗結(jié)果

試驗測試結(jié)果如表1所示。由于拉伸器油壓存在漂移，表1中的油壓表數(shù)值為近似值，僅供指導(dǎo)操作拉軌器用，而鋼軌縱向力數(shù)值由動態(tài)測力系統(tǒng)測出。由于每次人工扣緊10 m范圍的扣件的差異，即使每次拉軌器油壓表數(shù)值相同，鋼軌縱向力也不一定相同。

圖3 NTS2.0軟件程序結(jié)構(gòu)

圖4 試驗方案示意(單位:m)

表1 2006年試驗測試結(jié)果

從表1可以看出，在NTS測得的結(jié)果與動態(tài)測力系統(tǒng)測得的結(jié)果相吻合。鋼軌縱向力在242～486 kN，即溫差在 －12.6℃ ～ －25.3℃ 范圍內(nèi) NTS系統(tǒng)測得的結(jié)果平均誤差為1.0℃，最大誤差為1.4℃。鋼軌溫差在－12℃ ～25℃的范圍內(nèi)，NTS系統(tǒng)測量精度為±1.5℃。

4 應(yīng)用實例

NTS系統(tǒng)于2005年—2008年，在濟南鐵路局京滬線和隴海線兩處60 kg/m鋼軌無縫線路施工工點和大秦線75 kg/m鋼軌無縫線路實際鎖定軌溫測試工點進行試用。

4.1 鋼軌張拉重焊工點

工務(wù)段在京滬下行線K663+350處進行鋼軌張拉重焊施工，張拉前卸開鋼軌扣件范圍約850 m，并沿鋼軌在一定間隔處墊上滾筒，采用鋁熱焊配合拉軌器進行重焊。軌道結(jié)構(gòu)為:60 kg/m新鋼軌、有砟道床、Ⅱ型混凝土枕(1 760根/km配置)、彈條Ⅱ型扣件。

采用LG-600型60 t級的拉軌器進行鋼軌張拉，在拉軌器保壓進行焊接的同時，在距張拉焊接處約100 m，采用NTS進行檢測，拉軌器張拉保壓時在NTS檢測的29.934 m范圍內(nèi)扣件松開，左右各約50 m范圍上緊扣件。檢測位置示意如圖5所示。

圖5 檢測位置示意(單位:m)

NTS對應(yīng)的扣件松開區(qū)段間距為:L1=4.932 m，L2=9.775 m，L3=10.315 m，L4=4.912 m。采集得到軌溫T=10℃，提升剛度K=24.097 kg/mm。計算得到:鋼軌縱向力F=533.7 kN，鎖定軌溫 Ts=38.1℃，溫差ΔT=－28.1℃。

工務(wù)段施工時拉軌器保壓狀態(tài)下的鋼軌縱向力FL=538.7 kN，計算施工鎖定軌溫Tj=34.2℃。

將NTS檢測結(jié)果與上述值對比，可以看出:

1)NTS檢測得到的鋼軌縱向力與拉軌器的荷載值幾乎相等，僅相差4 kN(約－0.9%)，因此鋼軌縱向力相當(dāng)吻合;

2)NTS檢測得到的鎖定軌溫比徐州工務(wù)段計算施工鎖定軌溫大3.9℃。分析造成差異的原因，工務(wù)段施工時采用滾筒墊鋼軌，在卸開扣件長達850 m范圍內(nèi)張拉，由于滾筒擺放不正，且滾筒本身存在阻力，加上鋼軌軌溫較低(10℃)，因此鋼軌實際張拉范圍要比卸開扣件的范圍要短，因此施工鎖定軌溫應(yīng)比計算出的預(yù)計值要大些。

4.2 鋼軌應(yīng)力調(diào)整工點

在隴海下行線銅山站(K232+100)處，換軌段對車站下行正線左右軌采用撞軌器撞擊鋼軌法進行長鋼軌應(yīng)力調(diào)整，使長鋼軌鎖定軌溫下降至計算值。軌道結(jié)構(gòu)為:60 kg/m新鋼軌、有砟道床、Ⅱ型混凝土枕(1 760根/km配置)、彈條Ⅱ型扣件。

換軌段提供的應(yīng)力調(diào)整資料為:撞軌前鎖定軌溫Tj′0=42.5 ℃ ，撞 軌 量58 mm，撞 軌 長度按414.125 m計，撞軌后計算鎖定軌溫Tj1=30.6℃。

在撞軌前和撞軌后，距撞軌約100 m處采用 NTS分別進行鋼軌縱向力及鎖定軌溫檢測，撞軌前進行了4次檢測，撞軌后進行了6次檢測。檢測位置示意如圖6所示。

1)撞軌前檢測

撞軌前采用NTS分別進行了4次鋼軌提升剛度測試，采集的數(shù)據(jù)計算得鋼軌縱向力及鎖定軌溫，測試結(jié)果為:實測鎖定軌溫Ts=47.7℃，鋼軌縱向力 F=843.2 kN，溫差ΔT=－44.3℃;從每次測量數(shù)據(jù)回歸分析后的相關(guān)系數(shù)可知，提升位移與提升力線性關(guān)系非常顯著;4次測量得到的提升剛度具有很強重復(fù)性;NTS檢測得到的鎖定軌溫比換軌段施工鎖定軌溫值大5.2℃。引起差異的可能原因有三個:一是NTS檢測操作中提升架忘記采用鉛垂進行軌頂中心的對中，提升力不垂直軌頂中心時將出現(xiàn)偏大誤差;二是軌溫差太大，鋼軌縱向力>800 kN，在此條件下產(chǎn)生偏大的誤差;三是可能存在換軌段提供的鎖定軌溫值與實際不同。

圖6 檢測位置示意(單位:m)

2)撞軌后檢測

撞軌58 mm后采用NTS分別進行了6次鋼軌提升剛度測試，采集的數(shù)據(jù)計算得鋼軌縱向力及鎖定軌溫，測試結(jié)果為:

實測鎖定軌溫 Ts=29.2℃，鋼軌縱向力 F=396.3 kN，溫差ΔT=－20.8℃;NTS檢測得到的鎖定軌溫與換軌段提供撞軌后的鎖定軌溫Tj1=30.6℃相比較，兩者非常接近，只相差 －1.4℃(約4.5%);從每次測量數(shù)據(jù)回歸分析后的相關(guān)系數(shù)可知，提升位移與提升力線性關(guān)系非常顯著;6次測量得到的提升剛度具有很強重復(fù)性;軌溫差小于30℃的范圍內(nèi)，NTS檢測結(jié)果可靠。

4.3 大秦線75 kg/m鋼軌無縫線路實際鎖定軌溫測試工點

2008年11月在媯水河大橋大同端K263+900處Ⅲ型預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕地段和K397+400處Ⅱ型預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕地段進行了兩次無縫線路實際鎖定軌溫的測試。

實際鎖定軌溫測試模型如圖7所示，測試范圍內(nèi)扣件松開距離為L=29.995 m，各部位間距分別為L1=4.806 m，L2=10.201 m，L3=10.217 m，L4=4.771 m。

對K263+900處測試得到實測鎖定軌溫為18.1℃，鎖定軌溫標(biāo)準(zhǔn)差為 s=0.907 19℃。設(shè)備臺帳記錄該處鎖定軌溫為24℃，實測表明在車輪碾壓后實際鎖定軌溫下降了5.9℃。

對K397+400處測試得到實測鎖定軌溫為22.3℃，鎖定軌溫標(biāo)準(zhǔn)差為 s=0.463 42℃。設(shè)備臺帳記錄該處鎖定軌溫為28℃，實測表明在車輪碾壓后實際鎖定軌溫下降了5.7℃。

從上述兩個不同地區(qū)實際鎖定軌溫測試結(jié)果可以看出，在大秦線無縫線路運營后，實際鎖定軌溫比施工鎖定軌溫下降了近6℃。

圖7 K263+900無縫線路鎖定軌溫測試模型(單位:m)

5 結(jié)語

在濟南局管內(nèi)京滬線和隴海線兩處無縫線路施工工點和大秦線75 kg/m鋼軌無縫線路實際鎖定軌溫測試工點上，對采用鋼軌提升剛度原理研制的鋼軌縱向力及鎖定軌溫檢測系統(tǒng)(NTS)進行了多次試用，同英國公司制造的鋼軌縱向力測定儀測試結(jié)果進行比較，NTS測試結(jié)果與鋼軌張拉器的張拉力、長鋼軌應(yīng)力調(diào)整前后的鎖定軌溫相符。

［1］中華人民共和國鐵道部.鐵運［2006］146號 鐵路線路修理規(guī)則［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB/T 2098-2007 無縫線路鋪設(shè)及養(yǎng)護維修方法［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［3］盧耀榮.無縫線路研究與應(yīng)用［M］.北京:中國鐵道出版社，2004.