張 銘,蔣金洲
(1.濟(jì)南鐵路局 設(shè)計(jì)所,濟(jì)南 250001;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所,北京 100081)
無(wú)縫線路鋼軌縱向力及鎖定軌溫檢測(cè)方法一直是國(guó)內(nèi)外鐵路工作者研究的課題,并且相繼研制了多種檢測(cè)設(shè)備,但是,至今沒(méi)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(wú)縫線路鋼軌縱向力及鎖定軌溫檢測(cè)系統(tǒng)(NTS),旨在為工務(wù)部門(mén)提供一種方便可靠的測(cè)試手段,快速準(zhǔn)確地測(cè)得無(wú)縫線路鋼軌縱向力及實(shí)際鎖定軌溫,為無(wú)縫線路施工后鎖定軌溫驗(yàn)收和維修放散、應(yīng)力調(diào)整提供技術(shù)支持。
目前,國(guó)內(nèi)外測(cè)試鋼軌縱向力及鎖定軌溫所采用的方法有以下兩種。
采用該方法的本質(zhì)就是通過(guò)測(cè)量鋼軌縱向應(yīng)變,換算為鋼軌應(yīng)力,再計(jì)算鎖定軌溫差。測(cè)量應(yīng)變必須測(cè)得本次鋼軌縱向變形值和前一次鋼軌縱向變形值,由此計(jì)算鋼軌縱向應(yīng)變。
1.1.1 溫度自動(dòng)補(bǔ)償式銦鋼尺
該設(shè)備由具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能的銦鋼尺、軌卡構(gòu)成。測(cè)試方法是在長(zhǎng)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(shí)測(cè)量軌卡的間距和軌溫,以后每次測(cè)量軌卡間距和軌溫,以此計(jì)算應(yīng)變,并換算成鋼軌縱向力及實(shí)際鎖定軌溫。
1.1.2 日本カネコ株式會(huì)社制造的KS646鋼軌軸應(yīng)力測(cè)定儀
該設(shè)備由鋼軌測(cè)長(zhǎng)器、采集裝置、軌溫傳感器、測(cè)針、臺(tái)座等部件構(gòu)成。測(cè)試方法是在長(zhǎng)鋼軌施工鎖定前在軌腰安裝固定100 mm間距的測(cè)針。施工鎖定的同時(shí)測(cè)量測(cè)針的間距和軌溫,以后每次測(cè)量測(cè)針間距和軌溫,以此計(jì)算應(yīng)變,并換算成鋼軌縱向力及實(shí)際鎖定軌溫。
1.1.3 法國(guó)GEISMAR公司制造的N096LK-2115型鋼軌應(yīng)力測(cè)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(diǎn)焊機(jī)、LWK型可焊應(yīng)變儀、WWT型可焊軌溫計(jì)構(gòu)成。測(cè)試方法是在長(zhǎng)鋼軌施工鎖定前,采用點(diǎn)焊機(jī)將應(yīng)變計(jì)及軌溫計(jì)焊在軌腰表面,并引出帶接頭的長(zhǎng)約20 cm的導(dǎo)線。施工鎖定的同時(shí),接上采集儀和電腦,記錄應(yīng)變初值和軌溫,以后每次測(cè)量應(yīng)變和軌溫,以此計(jì)算兩次測(cè)量之間應(yīng)變差,并換算成鋼軌縱向力及實(shí)際鎖定軌溫。美國(guó)一家公司也制造該儀器,曾在豐臺(tái)工務(wù)段試用。
上述設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn),以1.1.3中的點(diǎn)焊方式最優(yōu),但價(jià)格最昂貴。上述設(shè)備均有共同的缺點(diǎn),即必須測(cè)得長(zhǎng)鋼軌施工鎖定時(shí)的測(cè)量初值,否則只能得到相對(duì)的結(jié)果,而無(wú)法得到鋼軌縱向力及實(shí)際鎖定軌溫。正是這一缺點(diǎn)限制了上述設(shè)備的推廣應(yīng)用。
1)根據(jù)鋼軌承受軸向力時(shí)對(duì)導(dǎo)磁率、噪聲響應(yīng)、超聲波、X射線反射等特點(diǎn),通過(guò)標(biāo)定值計(jì)算得到實(shí)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(cè)儀。德國(guó)在中國(guó)的一家公司也提供采用噪聲原理制造的鋼軌應(yīng)力檢測(cè)儀。
2)根據(jù)鋼軌承受軸向力時(shí),鋼軌提升剛度具有規(guī)律性的特點(diǎn),通過(guò)鋼軌物理受力模型直接計(jì)算出鋼軌縱向力及實(shí)際鎖定軌溫。典型的設(shè)備有:①美國(guó)聯(lián)邦鐵路局采用專(zhuān)用鋼軌縱向力測(cè)定車(chē),在測(cè)定車(chē)兩轉(zhuǎn)向架之間提拉鋼軌,根據(jù)鋼軌提升剛度計(jì)算出鋼軌縱向力及實(shí)際鎖定軌溫。②英國(guó)VORTOK公司制造的VERSE鋼軌縱向力測(cè)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(jì)算出鋼軌縱向力及實(shí)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(cè)試系統(tǒng)(NTS)。采用本方法制造的設(shè)備具有很大的優(yōu)點(diǎn),即無(wú)需測(cè)量初值。
2.2.1 入院宣教 護(hù)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(hù)士應(yīng)及時(shí)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。
需測(cè)初值的設(shè)備在目前有其無(wú)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(qiáng)電場(chǎng)均會(huì)對(duì)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(cè)量結(jié)果的可靠性。不用測(cè)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(wú)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(diǎn),值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
NTS(Neutral Temperature detecting System)不用測(cè)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(kāi) L長(zhǎng)范圍內(nèi)所有扣件,分別在距兩端第一個(gè)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(zhǎng)時(shí),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(shí),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(shí),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(jì)算提升剛度K與弦線張力 F的關(guān)系,通過(guò)有限元迭代計(jì)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(dá)
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(kāi)間距;E為鋼軌彈性模量;IX為鋼軌截面對(duì)水平軸慣性矩。
鋼軌實(shí)際鎖定軌溫Ts按下式計(jì)算得到
式中,Ts為實(shí)際鎖定軌溫;F為測(cè)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(cè)量時(shí)的軌溫。
NTS系統(tǒng)只需測(cè)量三個(gè)普通的物理量拉力、位移和溫度,而這三個(gè)物理量測(cè)量中精度和穩(wěn)定性均能達(dá)到較高水平,而且成本低廉。拉力測(cè)量在量程為1 200 kg、位移測(cè)量在量程為100 mm的條件下,測(cè)量精度均能控制在1‰以下,溫度測(cè)量在量程為-20℃ ~+60℃的條件下,精度能控制在0.1℃以下。
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(guò)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(jìn)行拉力、位移、軌溫信號(hào)采集,并通過(guò)USB接口傳輸給計(jì)算機(jī)。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(cè)量軌腰一側(cè)(如陽(yáng)面)、1只用于測(cè)量軌腰另一側(cè)(如陰面)的軌溫,以便計(jì)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(jì)算、自動(dòng)出測(cè)試報(bào)告、圖示軌溫安全區(qū)、根據(jù)實(shí)測(cè)的鎖定軌溫進(jìn)行鋼軌張拉或放散計(jì)算等等。
2006年4月NTS在濟(jì)南鐵路局換軌段進(jìn)行了為期一周的標(biāo)定試驗(yàn)。
本次試驗(yàn)?zāi)康氖?,檢驗(yàn)NTS系統(tǒng)測(cè)得的長(zhǎng)鋼軌縱向力值是否等于或接近實(shí)際縱向力值,并評(píng)價(jià)NTS的誤差范圍。
如圖4所示,在60 kg/m長(zhǎng)鋼軌一端采用鋼軌拉伸器張拉長(zhǎng)鋼軌,使長(zhǎng)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(diǎn)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(cè)試鋼軌縱向力。由鋼軌應(yīng)變片、橋盒、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、采集及記錄設(shè)備組成的測(cè)力系統(tǒng)全程記錄鋼軌受力狀態(tài)。動(dòng)態(tài)測(cè)力系統(tǒng)測(cè)得的鋼軌縱向力值即為實(shí)際的鋼軌縱向力值。將NTS測(cè)得的鋼軌縱向力值與動(dòng)態(tài)測(cè)力系統(tǒng)測(cè)得結(jié)果比較,由此評(píng)價(jià)NTS系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。
試驗(yàn)測(cè)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(dòng)態(tài)測(cè)力系統(tǒng)測(cè)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(yàn)方案示意(單位:m)
表1 2006年試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
從表1可以看出,在NTS測(cè)得的結(jié)果與動(dòng)態(tài)測(cè)力系統(tǒng)測(cè)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(cè)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(cè)量精度為±1.5℃。
NTS系統(tǒng)于2005年—2008年,在濟(jì)南鐵路局京滬線和隴海線兩處60 kg/m鋼軌無(wú)縫線路施工工點(diǎn)和大秦線75 kg/m鋼軌無(wú)縫線路實(shí)際鎖定軌溫測(cè)試工點(diǎn)進(jìn)行試用。
工務(wù)段在京滬下行線K663+350處進(jìn)行鋼軌張拉重焊施工,張拉前卸開(kāi)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(jìn)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(jí)的拉軌器進(jìn)行鋼軌張拉,在拉軌器保壓進(jìn)行焊接的同時(shí),在距張拉焊接處約100 m,采用NTS進(jìn)行檢測(cè),拉軌器張拉保壓時(shí)在NTS檢測(cè)的29.934 m范圍內(nèi)扣件松開(kāi),左右各約50 m范圍上緊扣件。檢測(cè)位置示意如圖5所示。
圖5 檢測(cè)位置示意(單位:m)
NTS對(duì)應(yīng)的扣件松開(kāi)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(jì)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(shí)拉軌器保壓狀態(tài)下的鋼軌縱向力FL=538.7 kN,計(jì)算施工鎖定軌溫Tj=34.2℃。
將NTS檢測(cè)結(jié)果與上述值對(duì)比,可以看出:
1)NTS檢測(cè)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(cè)得到的鎖定軌溫比徐州工務(wù)段計(jì)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(shí)采用滾筒墊鋼軌,在卸開(kāi)扣件長(zhǎng)達(dá)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(shí)際張拉范圍要比卸開(kāi)扣件的范圍要短,因此施工鎖定軌溫應(yīng)比計(jì)算出的預(yù)計(jì)值要大些。
在隴海下行線銅山站(K232+100)處,換軌段對(duì)車(chē)站下行正線左右軌采用撞軌器撞擊鋼軌法進(jìn)行長(zhǎng)鋼軌應(yīng)力調(diào)整,使長(zhǎng)鋼軌鎖定軌溫下降至計(jì)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(zhǎng)度按414.125 m計(jì),撞軌后計(jì)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(jìn)行鋼軌縱向力及鎖定軌溫檢測(cè),撞軌前進(jìn)行了4次檢測(cè),撞軌后進(jìn)行了6次檢測(cè)。檢測(cè)位置示意如圖6所示。
1)撞軌前檢測(cè)
撞軌前采用NTS分別進(jìn)行了4次鋼軌提升剛度測(cè)試,采集的數(shù)據(jù)計(jì)算得鋼軌縱向力及鎖定軌溫,測(cè)試結(jié)果為:實(shí)測(cè)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(cè)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(cè)量得到的提升剛度具有很強(qiáng)重復(fù)性;NTS檢測(cè)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(gè):一是NTS檢測(cè)操作中提升架忘記采用鉛垂進(jìn)行軌頂中心的對(duì)中,提升力不垂直軌頂中心時(shí)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(shí)際不同。
圖6 檢測(cè)位置示意(單位:m)
2)撞軌后檢測(cè)
撞軌58 mm后采用NTS分別進(jìn)行了6次鋼軌提升剛度測(cè)試,采集的數(shù)據(jù)計(jì)算得鋼軌縱向力及鎖定軌溫,測(cè)試結(jié)果為:
實(shí)測(cè)鎖定軌溫 Ts=29.2℃,鋼軌縱向力 F=396.3 kN,溫差ΔT=-20.8℃;NTS檢測(cè)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(cè)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(cè)量得到的提升剛度具有很強(qiáng)重復(fù)性;軌溫差小于30℃的范圍內(nèi),NTS檢測(cè)結(jié)果可靠。
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(jìn)行了兩次無(wú)縫線路實(shí)際鎖定軌溫的測(cè)試。
實(shí)際鎖定軌溫測(cè)試模型如圖7所示,測(cè)試范圍內(nèi)扣件松開(kāi)距離為L(zhǎng)=29.995 m,各部位間距分別為L(zhǎng)1=4.806 m,L2=10.201 m,L3=10.217 m,L4=4.771 m。
對(duì)K263+900處測(cè)試得到實(shí)測(cè)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(tái)帳記錄該處鎖定軌溫為24℃,實(shí)測(cè)表明在車(chē)輪碾壓后實(shí)際鎖定軌溫下降了5.9℃。
對(duì)K397+400處測(cè)試得到實(shí)測(cè)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(tái)帳記錄該處鎖定軌溫為28℃,實(shí)測(cè)表明在車(chē)輪碾壓后實(shí)際鎖定軌溫下降了5.7℃。
從上述兩個(gè)不同地區(qū)實(shí)際鎖定軌溫測(cè)試結(jié)果可以看出,在大秦線無(wú)縫線路運(yùn)營(yíng)后,實(shí)際鎖定軌溫比施工鎖定軌溫下降了近6℃。
圖7 K263+900無(wú)縫線路鎖定軌溫測(cè)試模型(單位:m)
在濟(jì)南局管內(nèi)京滬線和隴海線兩處無(wú)縫線路施工工點(diǎn)和大秦線75 kg/m鋼軌無(wú)縫線路實(shí)際鎖定軌溫測(cè)試工點(diǎn)上,對(duì)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(cè)系統(tǒng)(NTS)進(jìn)行了多次試用,同英國(guó)公司制造的鋼軌縱向力測(cè)定儀測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較,NTS測(cè)試結(jié)果與鋼軌張拉器的張拉力、長(zhǎng)鋼軌應(yīng)力調(diào)整前后的鎖定軌溫相符。
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