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)

1 國(guó)內(nèi)外無(wú)縫線路鋼軌縱向力及鎖定軌溫檢測(cè)現(xiàn)狀

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。

1.1 需要測(cè)試初值的儀器

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。

1.2 無(wú)需要測(cè)試初值的儀器

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。

1.3 兩種方法的分析比較

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。

2 無(wú)縫線路鋼軌縱向力及鎖定軌溫檢測(cè)系統(tǒng)(NTS)

2.1 基本原理

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。

2.2 NTS系統(tǒng)的優(yōu)越性

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 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(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。

3 NTS現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定試驗(yàn)

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)。

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

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。

3.2 試驗(yàn)方案

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。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

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℃。

4 應(yīng)用實(shí)例

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。

4.1 鋼軌張拉重焊工點(diǎn)

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。

4.2 鋼軌應(yīng)力調(diào)整工點(diǎn)

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。

4.3 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)

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)

5 結(jié)語(yǔ)

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。

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

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

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