应变电测法监测无缝线路实际锁定轨温的变化*

张 海, 刘 冲,2, 王大志,2, 张志新,2， 任同群,2， 梁军生,2

(1.大连理工大学 辽宁省微纳米技术及系统重点实验室，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁 大连 116024)

0 引 言

锁定轨温是无缝线路的零应力轨温，是钢轨在铺设之前根据线路通过地区的温度条件来计算的，可分为施工锁定轨温和实际锁定轨温。施工锁定轨温是无缝线路在铺设时钢轨被扣件锁定时的温度。锁定轨温在无缝线路运营过程中可能发生变化，因此,用实际锁定轨温来表示实际零应力状态的轨温。

无缝线路的实际锁定轨温与钢轨温度之差决定了钢轨中的纵向温度力大小，纵向温度力过大，可能导致钢轨胀曲甚至被拉断的危险，严重威胁无缝线路的行车安全[1]。为此，国内外对实际锁定轨温测量仪器和方法进行了广泛的研究，主要有测标法[2]、偏向加载法[3]、观测桩法[4]、声弹法[5]和应变电测法等。其中测标法和观测桩法是分别通过标尺和观测桩直接测量钢轨的爬行位移来监测的，在国内取得了广泛的应用,但是,此法耗费时间和人力较多。偏向加载法是先松开一定的钢轨扣件再对该钢轨施加一定的横向力或垂向力，然后通过测量该力和钢轨产生的偏向位移关系来测量的，但是，此法难以实现在线长期监测。声弹法是通过根据金属中的应力和内部超声波声速发生变化的关系原理来进行测定的，目前还没有取得广泛的应用。应变电测法是将应变片或应变传感器粘贴在被测件表面，通过测量的钢轨应变和温度关系来解算钢轨的实际锁定轨温[6]，美国QinetiQ North America公司的Intelligent Rail Integrity System (IRIS)采用应变电测法，这种系统仍处于研究阶段。

本文采用应变电测法监测无缝线路的实际锁定轨温的变化，在1 500 m长的实际无缝线路段的26处监测点进行传感器的安装布局，实现了一个月的在线监测试验，并对该试验段不同路段的实际锁定轨温变化进行了对比分析。

1 应变电测法原理

如图1所示，本文采用半桥测量法，测量片R1和补偿片R2作相邻桥臂,R3和R4是无线应变采集节点内的桥臂电阻器。应变片R1测量被扣件锁定的钢轨纵向应变，补偿片粘贴在与钢轨材料相同的补偿块上，用于测量无约束的钢轨应变。由半桥法原理可知,本文测量的是轨温变化时钢轨由于扣件阻碍作用未发生的应变ε[7]。

图1 半桥法测量钢轨纵向应变

如图2所示，测量应变片R1粘贴在钢轨中性层和轨中交点处，敏感栅方向与钢轨中性层纵向重合，装有补偿应变片R2和温度传感器DS18B20补偿块粘贴在钢轨中性层上。集成有无线测量节点的测量单元安装在钢轨中间位置。

图2 传感器安装位置

本文按照以上方法监测无缝钢轨的纵向应变和轨温，采集数据之前对应变节点进行应变清零，再以无线传感网的方式采集和传输应变和温度数据，最后通过式(1)[7,8]解算无缝线路实际锁定轨温的变化值

ΔT=T-T0+ε/α,

(1)

式中 ΔT为无缝线路锁定轨温的变化量；T为钢轨温度；T0为节点清零时的钢轨温度。

2 试验方案

无缝线路试验段自起点K6+447.13处至终点K8+014.87处总长1 500 m，有道岔区附近的无砟轨道段，无砟轨道与有砟轨道过渡段，有砟轨道段3个区域。共布局13处监测位置，每处分左右股共26个监测点，分别粘贴应变片并安装测量单元，共26个测量单元。传感器系统布局方案如图3所示。

图3 试验段的监测传感器系统

将测量单元与无线网成功组网后，先对无线应变节点清零并记录清零温度T0，再设置节点的数据采集参数,然后以无线传感网方式采集和传输数据：由应变片和温度传感器DS18B20分别采集应变和轨温，再由无线网关将数据经互联网保存至计算机数据库，最后通过式(1)解算出实际锁定轨温的变化，数据传输流程如图4所示。

图4 数据传输流程

3 试验结果

3.1 钢轨应变与温度数据分析

应变电测法是测量钢轨由于扣件和道床阻力作用而未能自由伸长的应变。当轨温高于节点清零温度时钢轨发生膨胀,由于阻力作用未能伸长而受压应力;相反,则受拉应力[5]。应变和轨温随时间变化的趋势和关系如图5所示。从图5中应变随轨温变化拟合关系图可以看出:应变随温度变化具有较高的重复性，而且具有较好的线性关系。

图5 钢轨应变与时间及轨温变化关系

3.2 解算实际锁定轨温的变化

由无线节点采集得到的的轨温T和应变ε，再由式(1)即可解算出实际锁定轨温的变化值。图6为试验段起点处与中点处钢轨同股实际锁定轨温变化对比，起点处左股为-12.8～+11.2 ℃，右股为-8.2～+3.7 ℃。试验段中点处左股为-2.1～+2.3 ℃，右股为-2.5～+1.5 ℃。

图6 试验段起点与中点同股钢轨实际锁定轨温变化对比

从上图对比结果可以看出:起点处实际锁定轨温变化明显大于中点,这是因为试验段道岔区起点附近有钢轨接头，钢轨接头为绝缘轨缝，轨缝宽度除去绝缘片的厚度普遍还有3～5 mm左右的缝隙，接头附近的钢轨可以随轨温变化而发生一定限度的位移[4]，钢轨应力得到释放，实际锁定轨温的变化较大。图7为起点处和中点处左右股实际锁定轨温变化对比。

图7 试验段起点与中点左右股钢轨实际锁定轨温变化对比

3.3 左右股钢轨实际锁定轨温差值

将同一位置的左右股钢轨实际锁定轨温变化相减并取绝对值，得到该试验段左右股钢轨实际锁定轨温差值。为了比较这个差值在监测时间内的总体情况，将一个月的左右股钢轨锁定轨温差值分别取最大值和平均值，如图8所示，其中,K6+448.30～K6+578.10为位于临近道岔区无砟轨道段，K6+578.10～K6+617.60为过渡段，K6+617.60～K8+0113.67为有砟轨道段。

图8 左右股锁定轨温差对比

通过对比显示:临近道岔区的无砟轨道段锁定轨温差的变化为3.2～10.8 ℃，是无缝线路维修和养护的重点区域，远离道岔区的过渡段和有砟轨道段平均变化小于3 ℃，符合铁道标准对无缝线路左右股实际锁定轨温差值的规定[9]。

4 结 论

1)临近道岔区的无缝线路段实际锁定轨温变化和左右股钢轨锁定轨温差变化较大，是无缝线路维护和维修的重点区域。

2)远离道岔区的试验段实际锁定轨温和左右股钢轨锁定轨温差变化较小，相对稳定，满足铁路维修规则中对锁定轨温变化的规定。

3)用应变电测法监测该试验段实际锁定轨温的变化与试验现场的实际情况相符合，具有一定的可靠性、稳定性及可应用性，对无缝线路轨道安全的长期在线监测具有重要意义。

参考文献:

[1] 刘富苍，陈均才，何曲波，等.无缝线路锁定轨温的降值问题[J].中国铁路，1993(10):17-18.

[2] 闫进学.测标测量无缝线路锁定轨温方法在新线的应用[J].铁道勘察，2007(6):81-83.

[3] 刘永前,王建文,邹振祝.无缝线路钢轨温度力测试的位移法[J].铁道学报,2005,27(4):125-128.

[4] 赵海军.75 kg/m可动心轨无缝道岔实际锁定轨温的测算[J].山西建筑，2011(21):146-147.

[5] Rail Safety & Standards Board.Management of stressed continuously welded track-rail stress free temperature measurement techniques[R].London:RSSB Research and Development Programme,2008.

[6] 蒋 伟.无缝线路锁定轨温降低原因及检测[J].科技创新导报,2011(22):55-56.

[7] 刘见见.浅谈无缝线路实际锁定轨温的监测方法[J].上海铁道科技,2009(2):90-91.

[8] 张富生.应变—温度法监测钢轨无缝线路锁定轨温的误差分析及改进[D].大连：大连理工大学,2013.

[9] 蒋 伟.无缝线路锁定轨温降低原因及检测[J].科技创新导报， 2011(22):55-56.

[10] 中华人民共和国铁道部，铁建设[2007]47号 新建时速300～350公里客运专线铁路设计暂行规定(上、下)[S].北京：中国铁道出版社，2008:46-47