无缝线路钢轨纵向力及锁定轨温检测系统(NTS)的试用

张 铭，蒋金洲

(1.济南铁路局 设计所，济南 250001;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

1 国内外无缝线路钢轨纵向力及锁定轨温检测现状

无缝线路钢轨纵向力及锁定轨温检测方法一直是国内外铁路工作者研究的课题，并且相继研制了多种检测设备，但是，至今没有一种真正能够在线路上得到可靠应用。由铁道科学研究院铁道建筑研究所新研制的无缝线路钢轨纵向力及锁定轨温检测系统(NTS)，旨在为工务部门提供一种方便可靠的测试手段，快速准确地测得无缝线路钢轨纵向力及实际锁定轨温，为无缝线路施工后锁定轨温验收和维修放散、应力调整提供技术支持。

目前，国内外测试钢轨纵向力及锁定轨温所采用的方法有以下两种。

1.1 需要测试初值的仪器

采用该方法的本质就是通过测量钢轨纵向应变，换算为钢轨应力，再计算锁定轨温差。测量应变必须测得本次钢轨纵向变形值和前一次钢轨纵向变形值，由此计算钢轨纵向应变。

1.1.1 温度自动补偿式铟钢尺

该设备由具有温度自动补偿功能的铟钢尺、轨卡构成。测试方法是在长钢轨施工锁定前在轨底安装固定1 100 mm间距的轨卡。施工锁定的同时测量轨卡的间距和轨温，以后每次测量轨卡间距和轨温，以此计算应变，并换算成钢轨纵向力及实际锁定轨温。

1.1.2 日本カネコ株式会社制造的KS646钢轨轴应力测定仪

该设备由钢轨测长器、采集装置、轨温传感器、测针、台座等部件构成。测试方法是在长钢轨施工锁定前在轨腰安装固定100 mm间距的测针。施工锁定的同时测量测针的间距和轨温，以后每次测量测针间距和轨温，以此计算应变，并换算成钢轨纵向力及实际锁定轨温。

1.1.3 法国GEISMAR公司制造的N096LK-2115型钢轨应力测试仪

该设备由900型数据采集监视器、700型便携式点焊机、LWK型可焊应变仪、WWT型可焊轨温计构成。测试方法是在长钢轨施工锁定前，采用点焊机将应变计及轨温计焊在轨腰表面，并引出带接头的长约20 cm的导线。施工锁定的同时，接上采集仪和电脑，记录应变初值和轨温，以后每次测量应变和轨温，以此计算两次测量之间应变差，并换算成钢轨纵向力及实际锁定轨温。美国一家公司也制造该仪器，曾在丰台工务段试用。

上述设备各有优缺点，以1.1.3中的点焊方式最优，但价格最昂贵。上述设备均有共同的缺点，即必须测得长钢轨施工锁定时的测量初值，否则只能得到相对的结果，而无法得到钢轨纵向力及实际锁定轨温。正是这一缺点限制了上述设备的推广应用。

1.2 无需要测试初值的仪器

1)根据钢轨承受轴向力时对导磁率、噪声响应、超声波、X射线反射等特点，通过标定值计算得到实际锁定轨温。典型的设备有香港三通公司提供的采用巴克豪森噪声效应原理制造的钢轨应力检测仪。德国在中国的一家公司也提供采用噪声原理制造的钢轨应力检测仪。

2)根据钢轨承受轴向力时，钢轨提升刚度具有规律性的特点，通过钢轨物理受力模型直接计算出钢轨纵向力及实际锁定轨温。典型的设备有:①美国联邦铁路局采用专用钢轨纵向力测定车，在测定车两转向架之间提拉钢轨，根据钢轨提升刚度计算出钢轨纵向力及实际锁定轨温。②英国VORTOK公司制造的VERSE钢轨纵向力测定仪。采用在30 m范围内提拉钢轨，根据钢轨提升刚度计算出钢轨纵向力及实际锁定轨温。③铁道科学研究院铁道建筑研究所研制的钢轨纵向力及锁定轨温测试系统(NTS)。采用本方法制造的设备具有很大的优点，即无需测量初值。

2.2.1 入院宣教 护士应用温和的态度向患者做自我介绍并介绍环境及相关制度，使患者及家属消除紧张感。危重患者入院后护士应及时通知医师并介绍病情，将患者处置好以后再介绍病房的规章制度，这样效果较好。

1.3 两种方法的分析比较

需测初值的设备在目前有其无法克服的局限性，即钢轨材质的不均匀性、钢轨因制造或铺设造成的表面残余应力、电气化轨道的强电场均会对磁率、噪声响应、超声波、X射线产生较大的影响，直接影响测量结果的可靠性。不用测初值的设备因采用钢轨受力物理模型，结果与钢轨材质的不均匀、残余应力、轨道电路均无关，因此可靠性较高，具有操作方便、快速得到结果的优点，值得进一步推广应用。

2 无缝线路钢轨纵向力及锁定轨温检测系统(NTS)

2.1 基本原理

NTS(Neutral Temperature detecting System)不用测初值，钢轨受力的物理模型如图1所示。在钢轨纵向力F为拉力的前提下，松开 L长范围内所有扣件，分别在距两端第一个未松扣件的L1及L4处的轨枕上，各垫上高度为H1和H2的钢支承，然后在中部L/2的轨枕处，提升钢轨，记录提升力P及提升位移Δ。

图1 NTS钢轨受力模型(单位:m)

理论分析表明，当L足够长时，图1中的钢轨可视为一根处于张力F作用状态下，且两端固定的弦线。此时，当张力F不变，且弦线中部的提升位移Δ在一定的范围之内时，提升力P与提升位移Δ的比值保持恒定，即弦线的提升刚度为定值。

根据图1的钢轨受力模型，采用有限元法计算提升刚度K与弦线张力 F的关系，通过有限元迭代计算，可得到钢轨纵向力F。

纵向力F的函数关系可用下式表达

式中，F 为函数关系式;K 为提升刚度;L1、L2、L3、L4为扣件拆开间距;E为钢轨弹性模量;IX为钢轨截面对水平轴惯性矩。

钢轨实际锁定轨温Ts按下式计算得到

式中，Ts为实际锁定轨温;F为测得钢轨纵向力;E为钢轨弹性模量;A为钢轨截面积;α为钢轨线膨胀系数;T为测量时的轨温。

2.2 NTS系统的优越性

NTS系统只需测量三个普通的物理量拉力、位移和温度，而这三个物理量测量中精度和稳定性均能达到较高水平，而且成本低廉。拉力测量在量程为1 200 kg、位移测量在量程为100 mm的条件下，测量精度均能控制在1‰以下，温度测量在量程为－20℃ ～+60℃的条件下，精度能控制在0.1℃以下。

2.3 系统组成

2.3.1 液压提升架

带液压千斤顶和拉力传感器，具有提升钢轨全过程中提升力方向始终保持垂直的性能。

2.3.2 数字采集仪

图2 数字采集仪

如图2所示，能进行拉力、位移、轨温信号采集，并通过USB接口传输给计算机。该采集仪交直流两用，并自带充电电池。

2.3.3 轨温传感器

采用2只数字式温度传感器，1只用于测量轨腰一侧(如阳面)、1只用于测量轨腰另一侧(如阴面)的轨温，以便计算轨温平均值。

2.3.4 NTS2.0软件

NTS2.0软件为NTS系统的核心部分，其程序结构如图3所示，主要功能有:数据显示、采集、数据整理、回归分析、有限元分析计算、自动出测试报告、图示轨温安全区、根据实测的锁定轨温进行钢轨张拉或放散计算等等。

3 NTS现场标定试验

2006年4月NTS在济南铁路局换轨段进行了为期一周的标定试验。

3.1 试验目的

本次试验目的是，检验NTS系统测得的长钢轨纵向力值是否等于或接近实际纵向力值，并评价NTS的误差范围。

3.2 试验方案

如图4所示，在60 kg/m长钢轨一端采用钢轨拉伸器张拉长钢轨，使长钢轨产生纵向拉力，在距张拉处10 m的25～30 m范围为NTS提升范围，在提升点的左右侧约5～7 m处分别在钢轨中和轴粘贴应变片。

在拉轨器加载保压后，将距轨端10 m范围的钢轨扣件扣紧。NTS系统紧接着测试钢轨纵向力。由钢轨应变片、桥盒、动态应变仪、采集及记录设备组成的测力系统全程记录钢轨受力状态。动态测力系统测得的钢轨纵向力值即为实际的钢轨纵向力值。将NTS测得的钢轨纵向力值与动态测力系统测得结果比较，由此评价NTS系统的准确性。

3.3 试验结果

试验测试结果如表1所示。由于拉伸器油压存在漂移，表1中的油压表数值为近似值，仅供指导操作拉轨器用，而钢轨纵向力数值由动态测力系统测出。由于每次人工扣紧10 m范围的扣件的差异，即使每次拉轨器油压表数值相同，钢轨纵向力也不一定相同。

图3 NTS2.0软件程序结构

图4 试验方案示意(单位:m)

表1 2006年试验测试结果

从表1可以看出，在NTS测得的结果与动态测力系统测得的结果相吻合。钢轨纵向力在242～486 kN，即温差在 －12.6℃ ～ －25.3℃ 范围内 NTS系统测得的结果平均误差为1.0℃，最大误差为1.4℃。钢轨温差在－12℃ ～25℃的范围内，NTS系统测量精度为±1.5℃。

4 应用实例

NTS系统于2005年—2008年，在济南铁路局京沪线和陇海线两处60 kg/m钢轨无缝线路施工工点和大秦线75 kg/m钢轨无缝线路实际锁定轨温测试工点进行试用。

4.1 钢轨张拉重焊工点

工务段在京沪下行线K663+350处进行钢轨张拉重焊施工，张拉前卸开钢轨扣件范围约850 m，并沿钢轨在一定间隔处垫上滚筒，采用铝热焊配合拉轨器进行重焊。轨道结构为:60 kg/m新钢轨、有砟道床、Ⅱ型混凝土枕(1 760根/km配置)、弹条Ⅱ型扣件。

采用LG-600型60 t级的拉轨器进行钢轨张拉，在拉轨器保压进行焊接的同时，在距张拉焊接处约100 m，采用NTS进行检测，拉轨器张拉保压时在NTS检测的29.934 m范围内扣件松开，左右各约50 m范围上紧扣件。检测位置示意如图5所示。

图5 检测位置示意(单位:m)

NTS对应的扣件松开区段间距为:L1=4.932 m，L2=9.775 m，L3=10.315 m，L4=4.912 m。采集得到轨温T=10℃，提升刚度K=24.097 kg/mm。计算得到:钢轨纵向力F=533.7 kN，锁定轨温 Ts=38.1℃，温差ΔT=－28.1℃。

工务段施工时拉轨器保压状态下的钢轨纵向力FL=538.7 kN，计算施工锁定轨温Tj=34.2℃。

将NTS检测结果与上述值对比，可以看出:

1)NTS检测得到的钢轨纵向力与拉轨器的荷载值几乎相等，仅相差4 kN(约－0.9%)，因此钢轨纵向力相当吻合;

2)NTS检测得到的锁定轨温比徐州工务段计算施工锁定轨温大3.9℃。分析造成差异的原因，工务段施工时采用滚筒垫钢轨，在卸开扣件长达850 m范围内张拉，由于滚筒摆放不正，且滚筒本身存在阻力，加上钢轨轨温较低(10℃)，因此钢轨实际张拉范围要比卸开扣件的范围要短，因此施工锁定轨温应比计算出的预计值要大些。

4.2 钢轨应力调整工点

在陇海下行线铜山站(K232+100)处，换轨段对车站下行正线左右轨采用撞轨器撞击钢轨法进行长钢轨应力调整，使长钢轨锁定轨温下降至计算值。轨道结构为:60 kg/m新钢轨、有砟道床、Ⅱ型混凝土枕(1 760根/km配置)、弹条Ⅱ型扣件。

换轨段提供的应力调整资料为:撞轨前锁定轨温Tj′0=42.5 ℃ ，撞 轨 量58 mm，撞 轨 长度按414.125 m计，撞轨后计算锁定轨温Tj1=30.6℃。

在撞轨前和撞轨后，距撞轨约100 m处采用 NTS分别进行钢轨纵向力及锁定轨温检测，撞轨前进行了4次检测，撞轨后进行了6次检测。检测位置示意如图6所示。

1)撞轨前检测

撞轨前采用NTS分别进行了4次钢轨提升刚度测试，采集的数据计算得钢轨纵向力及锁定轨温，测试结果为:实测锁定轨温Ts=47.7℃，钢轨纵向力 F=843.2 kN，温差ΔT=－44.3℃;从每次测量数据回归分析后的相关系数可知，提升位移与提升力线性关系非常显著;4次测量得到的提升刚度具有很强重复性;NTS检测得到的锁定轨温比换轨段施工锁定轨温值大5.2℃。引起差异的可能原因有三个:一是NTS检测操作中提升架忘记采用铅垂进行轨顶中心的对中，提升力不垂直轨顶中心时将出现偏大误差;二是轨温差太大，钢轨纵向力>800 kN，在此条件下产生偏大的误差;三是可能存在换轨段提供的锁定轨温值与实际不同。

图6 检测位置示意(单位:m)

2)撞轨后检测

撞轨58 mm后采用NTS分别进行了6次钢轨提升刚度测试，采集的数据计算得钢轨纵向力及锁定轨温，测试结果为:

实测锁定轨温 Ts=29.2℃，钢轨纵向力 F=396.3 kN，温差ΔT=－20.8℃;NTS检测得到的锁定轨温与换轨段提供撞轨后的锁定轨温Tj1=30.6℃相比较，两者非常接近，只相差 －1.4℃(约4.5%);从每次测量数据回归分析后的相关系数可知，提升位移与提升力线性关系非常显著;6次测量得到的提升刚度具有很强重复性;轨温差小于30℃的范围内，NTS检测结果可靠。

4.3 大秦线75 kg/m钢轨无缝线路实际锁定轨温测试工点

2008年11月在妫水河大桥大同端K263+900处Ⅲ型预应力混凝土轨枕地段和K397+400处Ⅱ型预应力混凝土轨枕地段进行了两次无缝线路实际锁定轨温的测试。

实际锁定轨温测试模型如图7所示，测试范围内扣件松开距离为L=29.995 m，各部位间距分别为L1=4.806 m，L2=10.201 m，L3=10.217 m，L4=4.771 m。

对K263+900处测试得到实测锁定轨温为18.1℃，锁定轨温标准差为 s=0.907 19℃。设备台帐记录该处锁定轨温为24℃，实测表明在车轮碾压后实际锁定轨温下降了5.9℃。

对K397+400处测试得到实测锁定轨温为22.3℃，锁定轨温标准差为 s=0.463 42℃。设备台帐记录该处锁定轨温为28℃，实测表明在车轮碾压后实际锁定轨温下降了5.7℃。

从上述两个不同地区实际锁定轨温测试结果可以看出，在大秦线无缝线路运营后，实际锁定轨温比施工锁定轨温下降了近6℃。

图7 K263+900无缝线路锁定轨温测试模型(单位:m)

5 结语

在济南局管内京沪线和陇海线两处无缝线路施工工点和大秦线75 kg/m钢轨无缝线路实际锁定轨温测试工点上，对采用钢轨提升刚度原理研制的钢轨纵向力及锁定轨温检测系统(NTS)进行了多次试用，同英国公司制造的钢轨纵向力测定仪测试结果进行比较，NTS测试结果与钢轨张拉器的张拉力、长钢轨应力调整前后的锁定轨温相符。

［1］中华人民共和国铁道部.铁运［2006］146号 铁路线路修理规则［S］.北京:中国铁道出版社，2006.

［2］中华人民共和国铁道部.TB/T 2098-2007 无缝线路铺设及养护维修方法［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

［3］卢耀荣.无缝线路研究与应用［M］.北京:中国铁道出版社，2004.