CN104149815A - 提升力测量装置、测量无缝线路实际锁定轨温的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提升力测量装置、测量无缝线路实际锁定轨温的设备及方法，该装置包括支架、横轴、回拉机构、柔性提升机构和拉力传感器；回拉机构的固定端与支架轴连接，其活动端与柔性提升机构的一端连接；横轴设置于支架的上部，柔性提升机构绕经横轴，柔性提升机构的另一端具有夹具；回拉机构拉动柔性提升机构在横轴上滑动，并带动无缝线路钢轨向上移动；拉力传感器设置于夹具的上端。该设备采用该方法，通过测量钢轨提升力、钢轨提升位移和钢轨温度，即可得出无缝线路的实际锁定轨温；其中，钢轨提升力由提升力测量装置测得，提升位移由位移传感器测得，钢轨温度由温度传感器测得，能准确测量无缝线路的实际锁定轨温。

Description

提升力测量装置、测量无缝线路实际锁定轨温的设备及方法

技术领域

本发明涉及铁路的无缝线路技术领域，特别涉及一种提升力测量装置、无缝线路实际锁定轨温的测量设备及方法。

背景技术

我国目前铁路总运营里程约12万公里，无缝线路里程约占70％。无缝线路锁定轨温分以下四个概念，其意义各有不同，即

名义锁定轨温：即零应力轨温，把处于自由伸缩状态的长轨条用扣件将其扣结于轨枕使之锁定时的轨温；

设计锁定轨温：即中和轨温，根据线路的具体条件，通过轨道稳定性和强度计算确定。为方便施工，给定设计锁定轨温上、下限范围(一般为±5℃)，即为设计锁定轨温范围。

施工锁定轨温：无缝线路铺设施工时，长钢轨处于纵向零应力的轨温为施工锁定轨温，铁路行业技术规范要求施工锁定轨温必须在设计锁定轨温范围内。

实际锁定轨温：在运营中长轨条因轮轨相互作用而被辗长，或因维修作业不当，引起长轨条不均匀爬行，都会导致长轨条锁定轨温的改变(一般比施工锁定轨温下降5～8℃)，因此，无缝线路在运营中存在一个实际的锁定轨温。

随着环境温度的改变，钢轨温度随之改变，此时无缝线路长钢轨将产生温度力，温度力的大小与轨温差成正比，而轨温差等于锁定轨温减去当时的轨温。高温季节，无缝线路温度力表现为压力，低温季节无缝线路温度力表现为拉力。比如，我国60kg/m钢轨无缝线路，施工锁定轨温为25℃；当轨温为35℃时，轨温差等于-10℃，长钢轨温度力为压力，数值为192kN。线路管理部门必须掌握无缝线路锁定轨温，以防止高温季节长钢轨压力超限而导致线路胀轨跑道，同时防止低温季节长钢轨拉力超限而导致钢轨拉断。

无缝线路在运营中长轨条因轮轨相互作用而被辗长，或因维修作业不当，引起长轨条不均匀爬行，都会导致长轨条锁定轨温的改变(一般比施工锁定轨温下降5～8℃)，因此运营中的无缝线路存在实际锁定轨温，现场测试得到的无缝线路锁定轨温即为无缝线路实际锁定轨温。

如何可靠地检测无缝线路锁定轨温在全世界仍是亟待攻克的难关，防止无缝线路胀轨跑道，保持无缝线路横向稳定及纵向防爬能力一直是无缝线路施工部门、管理部门最重要的工作，而掌握无缝线路实际锁定轨温是做好这项工作的关键。

目前国内外测试无缝线路锁定轨温所采用的方法主要有两种：

1、通过测量应变方法

通过测量钢轨纵向应变，换算为钢轨应力，再计算轨温差。该方法必须测得当前钢轨纵向变形值和轨温，以及长钢轨施工锁定、且钢轨处于零应力状态时的钢轨纵向变形值和轨温，由此计算钢轨纵向应变。

采用该方法的测量仪均有共同的缺点，即必须测得长钢轨施工锁定时的初始轨温和所用测量仪器的初始应变值，否则无法得到相对零应力状态的钢轨纵向力及实际锁定轨温。这一缺点限制了上述设备的推广应用。

2、通过测量长钢轨物理量的方法

该方法采用的原理有两种：

A、根据钢轨承受轴向应力时对导磁率、噪声响应、超声波、X射线反射等的特点，通过标定值计算得到实际锁定轨温；

B、根据钢轨承受轴向力时，钢轨振动特性、提升刚度、横向顶推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并换算成实际锁定轨温。

采用原理A的方法在目前尚存在无法克服的局限性，表现在：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和电气化轨道的强电场均会对导磁率、噪声响应、超声波和X射线产生较大的影响，直接影响测量结果的可靠性。

采用原理B的方法因采用钢轨受力物理模型，测量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。

目前，国内已有人采用原理B中测试钢轨横向顶推刚度的办法，其采用拆开约10米范围内的扣件，并对钢轨施加横向顶推力的方法，通过检测横向顶推刚度进行检测锁定轨温。该办法操作比较复杂，施加横向力时必须以另一股钢轨作为反力支撑，对现场的应用环境要求较高，且不适用于道岔。该办法如果拆开扣件范围较小，钢轨边界条件与计算模型有一定的出入，导致计算结果存在较大的误差。

发明内容

为解决测量实际锁定轨温时存在的上述技术问题，本发明提出一种能准确测量无缝线路实际锁定轨温的提升力测量装置、测量无缝线路实际锁定轨温的设备及方法。

本发明的一种提升力测量装置，包括支架、横轴、回拉机构、柔性提升机构和拉力传感器；

所述回拉机构的两端分别为固定端和活动端；所述固定端与所述支架轴连接，所述活动端与所述柔性提升机构的一端连接；

所述横轴设置于所述支架的上部，所述柔性提升机构绕经所述横轴，所述柔性提升机构的另一端具有夹持无缝线路钢轨的夹具；

所述回拉机构拉动所述柔性提升机构在所述横轴上滑动，并带动所述无缝线路钢轨向上移动；

所述拉力传感器设置于所述夹具的上端，用于测量所述无缝线路钢轨受到的提升力值。

作为一种可实施的方式，所述柔性提升机构包括绕经所述横轴外周的钢丝绳；

所述钢丝绳的一端与所述活动端连接，所述钢丝绳的另一端与所述拉力传感器的上端固定连接。

作为一种可实施的方式，所述回拉机构包括千斤顶，所述千斤顶包括缸体和与所述缸体相配合伸缩的活塞杆；

所述缸体的一端与所述支架轴连接，所述活塞杆的伸缩端与所述钢丝绳连接；所述钢丝绳通过所述活塞杆的伸缩在所述横轴上滑动。

作为一种可实施的方式，所述活塞杆和所述钢丝绳之间设置连接机构；

所述连接机构包括连接件，所述连接件的一端与所述活塞杆螺纹连接，其另一端与所述钢丝绳拆装式连接。

作为一种可实施的方式，所述连接机构还包括接头和固结块；

所述接头的一端与所述连接件拆装式连接，所述接头的另一端具有过绳孔；所述钢丝绳的末端绕过所述过绳孔，所述钢丝绳的末端通过所述固结块与所述钢丝绳的中段固定。

作为一种可实施的方式，所述提升力测量装置还包括两个转动脚座；所述转动脚座与所述支架的底部轴连接。

作为一种可实施的方式，所述支架包括具有第一支撑脚、第二支撑脚和横梁；所述横梁的两端分别与所述第一支撑脚、所述第二支撑脚固定连接或整体加工为一体；

所述转动脚座分别设置于所述第一支撑脚和所述第二支撑脚的底部；所述回拉机构的固定端与所述第一支撑脚上的所述转动脚座轴连接。

作为一种可实施的方式，所述支架包括两片平行设置的承力板；两个所述承力板之间横向且平行设置若干个连接梁。

作为一种可实施的方式，所述横梁上设置用于套装所述横轴的轴承；

所述横梁的顶部具有安装槽，所述轴承放置于所述安装槽内。

作为一种可实施的方式，所述支架还包括加固板，所述加固板固定于所述横梁的顶部；

所述加固板上具有缺口，所述缺口的截面形状和所述安装槽的截面形状相同；所述缺口的端面与所述安装槽的开口端贴合，所述缺口与所述安装槽贯通。

本发明的一种测量无缝线路实际锁定轨温的设备，包括：

上述的提升力测量装置，用于测得提升力，拉力传感器输出所述提升力的数据信号；

位移传感器，其一端固定在无缝线路钢轨上，其另一端与轨枕或搁置在道砟上的平板或轨道板接触，用于测得所述无缝线路钢轨的提升位移，并输出所述提升位移的数据信号；

至少一个温度传感器，连接到所述无缝线路钢轨，用于测得提升所述无缝线路钢轨时的轨温，并输出所述轨温的数据信号；

数据采集仪，分别与所述拉力传感器、所述位移传感器和所述温度传感器连接，采集并传输测得的所述提升力的数据信号、所述提升位移的数据信号和所述轨温的数据信号；

处理系统，接收所述数据采集仪传输的所述提升力的数据信号、所述提升位移的数据信号和所述轨温的数据信号，用于获得所述无缝线路的实际锁定轨温。

作为一种可实施的方式，所述温度传感器的数量为两个，分别连接到所述无缝线路钢轨的轨腰两侧，分别用于测得所述轨腰两侧的轨温。

本发明还提出一种测量无缝线路实际锁定轨温的方法，采用上述的测量无缝线路实际锁定轨温的设备，所述方法包括如下步骤：

S100，回拉机构拉动柔性提升机构在横轴上滑动，并带动无缝线路钢轨向上移动，由拉力传感器测量得到提升力P；

S200，位移传感器的一端固定在所述无缝线路钢轨上，其另一端与轨枕或搁置在道砟上的平板或轨道板接触，所述位移传感器测得所述无缝线路钢轨的提升位移a，根据公式和依次得出K、F；

其中，K为提升刚度，P为提升力，a为提升位移，F为纵向力，η为系数；

S300，温度传感器连接到所述无缝线路钢轨，用于测量提升所述无缝线路钢轨时的轨温T；

S400，采用钢轨弦状态原理，在提升过程中，钢轨纵向力保持不变，根据公式得出所述无缝线路的实际锁定轨温T_s；

其中，T_s为实际锁定轨温，E为钢轨材质弹性模量，A为钢轨截面积，α为钢轨线膨胀系数。

作为一种可实施的方式，所述S200中，根据公式L₀₁＝L₀-L₀₂， $\mathrm{\ξ}=(e^{\mathrm{\λ}\·L_{02}}-1)\·e^{\mathrm{\λ}\·L_{01}}+e^{-\mathrm{\λ}\·L_{01}}\·(1-e^{-\mathrm{\λ}\·L_{\text{02}}})$ 和 $\mathrm{\η}=\frac{L_{02}}{\mathrm{\ξ}}(e^{-\mathrm{\λ}\·L_{01}}-e^{\mathrm{\λ}\·L_{01}})+L_{01},$ 得出所述η，通过迭代法得出所述F；

其中，I为钢轨截面对水平轴惯性矩，L₀为钢轨松开扣件的范围，L₀₂为提升力P距右端点的距离。

作为一种可实施的方式，所述S300中，所述温度传感器的数量为两个，分别连接到所述无缝线路钢轨的轨腰两侧，分别用于测得所述轨腰两侧的轨温；两个所述温度传感器测得的轨温的算术平均值为提升所述无缝线路钢轨时的轨温T。

作为一种可实施的方式，所述S300与所述S400之间还包括S310，数据采集仪分别与所述拉力传感器、所述位移传感器和所述温度传感器连接，采集并传输测得的所述提升力P的数据信号、所述提升位移a的数据信号和所述轨温T的数据信号。

本发明采用前述背景技术“2、通过测量长钢轨物理量的方法”的原理B，相比于现有技术的有益效果在于：提升力测量装置采用提升钢轨的方式测量无缝线路实际锁定轨温，将回拉机构中千斤顶的拉力转换成垂直向上的提升力，使柔性提升机构中夹具夹持的无缝线路钢轨向上提升，通过柔性提升机构上连接的拉力传感器，测得无缝线路钢轨的提升力。通过测得的提升力值、钢轨提升位移和轨温，能快速、准确、高效、安全地获得无缝线路的实际锁定轨温，并且适用于无砟轨道或有砟轨道的直线、曲线和道岔。

横轴的位置恒定，使无缝线路钢轨的提升力垂直向上，确保了无缝线路钢轨受力平衡，提高了测量结果的准确性。

连接机构中设置连接件，不仅传递千斤顶的拉力，而且可方便地调节夹具的高度，以适用于不同的测试环境。转动脚座可灵活调整，以安装到不同的测量环境。

本装置的结构紧凑可靠、重量轻、受力时容易保持稳定、操作简单、检测精度高，并且可单手搬运，适用于有砟轨道和无砟轨道直线、曲线和道岔区无缝线路实际锁定轨温的测量。

本发明的测量无缝线路实际锁定轨温的设备结构简单，其方法的使用过程简单，通过上述提升力测量装置的拉力传感器、位移传感器、温度传感器，分别测量钢轨提升力、钢轨提升位移和钢轨温度的数据信号，即可得出无缝线路的实际锁定轨温。

附图说明

图1为无缝线路钢轨受力模型示意图；

图2为本发明的提升力测量装置的立体示意图；

图3为本发明的提升力测量装置的立体透视图；

图4为本发明的提升力测量装置的主视透视图；

图5为本发明的提升力测量装置的主视示意图；

图6为本发明的提升力测量装置的千斤顶的立体示意图；

图7为本发明的提升力测量装置的连接件的立体示意图；

图8为本发明的提升力测量装置的连接件的俯视示意图；

图9为本发明的提升力测量装置的钢丝绳连接状态的主视示意图；

图10为本发明的提升力测量装置的钢丝绳连接状态的左视示意图；

图11为本发明的提升力测量装置的夹具的立体示意图；

图12为本发明的提升力测量装置的夹具的左视示意图；

图13为本发明的提升力测量装置的左视示意图；

图14为本发明的提升力测量装置的俯视示意图；

图15为本发明的提升力测量装置的转动脚座的立体示意图；

图16为本发明的提升力测量装置千斤顶的千斤顶座立体示意图；

图17为本发明的提升力测量装置千斤顶的千斤顶座主视示意图；

图18为本发明的提升力测量装置的支架的立体示意图；

图19为本发明的提升力测量装置的支架的俯视示意图；

图20为本发明的提升力测量装置的支架的左视示意图；

图21为本发明的提升力测量装置的横轴安装状态的立体示意图；

图22为本发明的提升力测量装置的横轴安装状态的主视示意图；

图23为本发明的提升力测量装置的轴承罩的立体示意图；

图24为本发明的测量无缝线路实际锁定轨温的设备的结构框图；

图25为本发明的测量无缝线路实际锁定轨温的方法的流程图。

附图标记：

100-提升力测量装置；

110-支架；

112-承力板；

1122-安装槽；1124-第一支撑脚；1126-第二支撑脚；1128-横梁；

114-加固板；

116-连接梁；

120-横轴；122-限位槽；

130-回拉机构；

132-千斤顶；1322-活塞杆；1324-缸体座；1326-缸体；

136-千斤顶座；

140-柔性提升机构；

142-钢丝绳；144-夹具；

150-连接机构；

152-连接件；1522-内螺纹；1524-通孔；

154-接头；156-穿环；158-固结块；

160-转动脚座；162-第一安装轴；164-第二安装轴；166-轴安装环；

170-轴承；172-轴承罩；

180-拉力传感器。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。

请参阅图2所示，本发明的一种提升力测量装置100，包括支架110、横轴120、回拉机构130、柔性提升机构140和拉力传感器180。横轴120设置于支架110的上部。

请结合图3所示，回拉机构130的两端分别为固定端和活动端。固定端与支架110轴连接，活动端与柔性提升机构140的一端连接。柔性提升机构140绕经横轴120，柔性提升机构140的另一端具有夹持无缝线路钢轨的夹具144。

回拉机构130拉动柔性提升机构140在横轴120上滑动，柔性提升机构140上的夹具144带动无缝线路钢轨向上移动。拉力传感器180设置于夹具144的上端，用于测量无缝线路钢轨受到的提升力值。然后，拉力传感器180将测得的提升力值转换成信号，传输到外接的处理系统，并经处理系统获得无缝线路的锁定轨温。

本发明采用钢轨弦状态提升原理，钢轨的弦状态受力物理模型如图1所示。在钢轨纵向力F为拉力的前提下，松开L₀长度范围内所有扣件，在中部任意位置，提升钢轨，在提升力为P时钢轨产生了向上的提升位移a，则在弹性范围内，提升刚度K，即提升力P与提升位移a的比值为一恒定值。

提升力测量装置100用来测量提升力P，提升位移a由常用的位移传感器测量，位移传感器与钢轨提升方向平行安装，位移传感器的一端固定在钢轨上，其另一端与轨枕或搁置在道砟上的平板或轨道板接触。由于提升位移测量可选用常用的位移传感器，位移的具体测量方法为本领域常规的方法，这里不再赘述。然后根据提升力P和提升位移a求出提升刚度K，最后根据以下方法即可求出无缝线路的实际锁定轨温。

背景技术中“2、测量长钢轨物理量的方法”原理B的设备就是采用钢轨弦状态原理制造的。

对图1所示力学模型进行受力分析前，必须具备以下前提条件：

(1)松开扣件L₀范围足够长，使L₀与钢轨截面尺寸之比几乎接近∞，亦即L₀范围的钢轨可视为承受拉力F的(琴)弦。

(2)钢轨首先存在纵向拉力F，并且F足够大，使L₀范围内的钢轨在其自身重力作用下的向下挠度可忽略。

(3)提升力P及其产生的提升位移a均在模型的弹性范围内，且在提升力P作用过程中，钢轨纵向拉力F保持不变。

下面对图1的模型进行受力分析。以L₀左侧起点为坐标原点，建立X-Y坐标系，X向右为正，向左为负，Y向上为正，向下为负。在距坐标原点任意x处截断钢轨，该截面提升位移假定为y，则在该截面钢轨承受纵向力F、向上的剪力P/2、弯矩M(x)。

根据钢轨的受力平衡，可得

$M\left(x\right)=-F\·y+\frac{P}{2}x+M_0---(2-1)$

式中，M₀为坐标原点的初始弯矩。

由挠曲微分方程可得

E·I·y"＝-M(x)  (2-2)

式中，E——钢轨材质弹性模量；

I——钢轨截面对水平轴惯性矩。

式(2-1)带入式(2-2)可得

$E\·I\·y^{\′\′}=\mathrm{Fy}-\frac{P}{2}x-M_0---(2-3)$

整理得

$y^{\′\′}-\frac{F}{\mathrm{EI}}y=-\frac{P}{2\mathrm{EI}}\·x-\frac{M_0}{\mathrm{EI}}---(2-4)$

令 ${\mathrm{\λ}}^2=\frac{F}{\mathrm{EI}},$ 则

$y^{\′\′}-{\mathrm{\λ}}^2\·y=-\frac{P}{2\mathrm{EI}}\·x-\frac{M_0}{\mathrm{EI}}---(2-5)$

式(2-5)为二阶线性非其次方程，其通解为：

$y=\stackrel{\‾}{y}+y^{*}---(2-6)$

式中，——式(2-5)齐次方程的通解；

y^*——式(2-5)的一个特解。

式(2-5)齐次方程的通解为：

$\stackrel{\‾}{y}=C_1\·e^{{\mathrm{\λ}}_1\·x}+C_2\·e^{{\mathrm{\λ}}_2\·x}---(2-7)$

式中，C₁、C₂——任意常数；

λ₁、λ₂——式(2-5)齐次方程的特征方程的不等实根，其值为：

${\mathrm{\λ}}_1=\mathrm{\λ}=\sqrt{\frac{F}{\mathrm{EI}}},{\mathrm{\λ}}_2=-\mathrm{\λ}=\sqrt{\frac{F}{\mathrm{EI}}}---(2-8)$

因此，式(2-7)可写成：

$\stackrel{\‾}{y}=C_1\·e^{\sqrt{\frac{F}{\mathrm{EI}}}\·x}+C_2\·e^{-\sqrt{\frac{F}{\mathrm{EI}}}\·x}---(2-9)$

假定式(2-5)的一个特解为：

y^*＝A·x+B  (2-10)式中，A、B——待定系数。

则

(y^*)"＝0  (2-11)

式(2-10)、式(2-11)代入(式2-5)，可解得待定系数：

$A=\frac{P}{2F},B=\frac{M_0}{F}$

因此，式(2-5)的一个特解为：

$y^{*}=\frac{P}{2F}\·x+\frac{M_0}{F}---(2-12)$

则，式(2-5)的通解为：

$y=C_1\·e^{\mathrm{\λ}\·x}+C_2\·e^{-\mathrm{\λ}\·x}+\frac{P}{2F}\·x+\frac{M_0}{F}---(2-13)$

式中，L₀足够长时，M₀≈0，式(2-13)成为：

$y=C_1\·e^{\mathrm{\λ}\·x}+C_2\·e^{-\mathrm{\λ}\·x}+\frac{P}{2F}\·x---(2-14)$

对式(2-14)带入以下边界条件：

当x＝0及x＝L₀时，y＝0；当x＝L₀₁时，y＝a，可以解得：

$C_1=-C_2=-\frac{P\·L_{02}}{2F\·\mathrm{\ξ}}---(2-15)$

$a=\frac{P\·L_{02}}{2F\·\mathrm{\ξ}}(e^{-\mathrm{\λ}\·L_{01}}-e^{\mathrm{\λ}\·L_{01}})+\frac{P\·L_{01}}{2F}---(2-16)$

式中，L₀₂——提升力P距右端点的距离，L₀₂＝L₀-L₀₁；

$\mathrm{\ξ}=(e^{\mathrm{\λ}\·L_{02}}-1)\·e^{\mathrm{\λ}\·L_{01}}+e^{-\mathrm{\λ}\·L_{01}}\·(1-e^{-\mathrm{\λ}\·L_{02}})---(2-17)$

式中，可见，如果钢轨纵向力F恒定，则λ恒定，由式(2-17)得到系数ξ恒定。

式(2-16)整理成为：

$a=\frac{P}{2F}[\frac{L_{02}}{\mathrm{\ξ}}(e^{-\mathrm{\λ}\·L_{01}}-e^{\mathrm{\λ}\·L_{04}})+L_{01}]---(2-18)$

令

$\mathrm{\η}=\frac{L_{02}}{\mathrm{\ξ}}(e^{-\mathrm{\λ}\·L_{01}}-e^{\mathrm{\λ}\·L_{04}})+L_{01}---(2-19)$

则式(2-18)成为：

$a=\frac{P}{2F}\·\mathrm{\η}---(2-20)$

这里，定义为提升刚度，则式(2-20)成为：

$K=\frac{2F}{\mathrm{\η}}---(2-21)$

上面提到，如果钢轨纵向力F恒定，λ也恒定，式(2-17)确定的ξ也恒定，由式(2-19)可知η也恒定，因此由(2-21)决定的提升刚度K也恒定。这就说明，在模型图1情况下，只要钢轨纵向力F不变，在L₀₁处的提升刚度K也不变。

因此，图1钢轨提升受力的模型可以理解等同于：在距左端L₀₁处向上提升一个弹簧，该弹簧具有恒定的刚度K。

这就证明了钢轨弦状态提升原理的正确性。

由式(2-21)可得钢轨纵向力F的表达式：

$F\frac{\mathrm{\η}}{2}\·K(2-22)$

式(2-22)揭示了一个重要的方法，即只需测得提升刚度K，就能通过上式计算得到钢轨纵向力F。实际计算中，由于式(2-22)等号右端的η包含纵向力F，因此，需采用迭代法进行求解。

从图1及式(2-22)可以看出，没有限制钢轨纵向力F的符号，F符号可以是正，也可以是负。这里定义F为正值表示拉力、负值表示压力，因此，计算模型和式(2-22)包含钢轨纵向力为拉力和压力的情况。

无缝线路实际锁定轨温T_s按下式计算得到：

$T_s=\frac{F}{E\·A\·\mathrm{\α}}+T---(2-23)$

式中，T_s——为实际锁定轨温；

A——钢轨截面积；

α——钢轨线膨胀系数；

T——提升钢轨时的轨温。

因此，上述理论可以指导我们通过设计一套能采集提升力P和提升位移a、同时记录轨温的设备，计算出提升刚度K；通过迭代计算出钢轨纵向拉力F；最终由式(2-23)计算出无缝线路实际锁定轨温T_s。

提升力测量装置100采用提升钢轨的方式测量无缝线路实际锁定轨温，回拉机构130中千斤顶132的拉力转换成垂直向上的提升力，使柔性提升机构140中夹具144夹持的无缝线路钢轨向上提升，通过柔性提升机构140上连接的拉力传感器180，测得无缝线路钢轨的提升力。

采用上述基本原理和方法，具有独特的优越性，只需测量三个普通的物理量，即提升拉力P、提升位移a和轨温T，而这三个物理量在我国当前各行各业的测量中再普通不过了，其精度和稳定性均能达到较高水平，而且成本低廉。如：拉力测量在量程为1200kgf、位移测量在量程为100mm的条件下，测量精度均能控制在1‰以下，同时，温度测量在量程为(－20～+60)℃的条件下，锁定轨温的测量精度能控制在0.1℃以下。

提升力测量装置100根据这些方便测量的物理量，经处理系统快速、准确、高效、安全地获得无缝线路的实际锁定轨温，并且适用于无砟轨道或有砟轨道的直线、曲线和道岔。

横轴120的位置恒定，使无缝线路钢轨的提升力垂直向上，确保了无缝线路钢轨受力平衡，提高了测量结果的准确性，锁定轨温的测量精度可达到1.5℃。

本发明的结构紧凑可靠、重量轻、受力时容易保持稳定、操作简单、检测精度高，并且可单手搬运，适用于有砟轨道和无砟轨道无缝线路实际锁定轨温的测量。

请参阅图4和图5所示，柔性提升机构140包括绕经横轴120外周的钢丝绳142。钢丝绳142的一端与活动端连接，钢丝绳142的另一端与夹具144固定连接。本实施例中，拉力传感器180位于钢丝绳142和夹具144之间，钢丝绳142的另一端与拉力传感器180的上端固定连接。

作为一种可实施的方式，回拉机构130包括千斤顶132，请参阅图6所示，千斤顶132包括缸体1326和与缸体1326相配合伸缩的活塞杆1322。通过手摇柄给千斤顶132施加油压，活塞杆1322回拉收缩，带动钢丝绳142在横轴120上滑动，从而提升夹具144夹持的无缝线路钢轨。

缸体1326的一端与支架110轴连接，活塞杆1322的伸缩端与钢丝绳142连接。钢丝绳142通过活塞杆1322的伸缩在横轴120上滑动。

作为一种可实施的方式，如图3和图4所示，活塞杆1322和钢丝绳142之间设置连接机构150。连接机构150包括连接件152，连接件152的一端与活塞杆1322螺纹连接，连接件152的另一端与钢丝绳142拆装式连接。

请参阅图7和图8所示，较优地，连接件152包括两个凸台，对称设置的两个轴向连接杆的端部固定连接于两个凸台的外壁上。在靠近活塞杆1322的凸台的中心设置内螺纹1522，活塞杆1322上具有外螺纹，连接件152的内螺纹1522与活塞杆1322的外螺纹相配合。通过旋转螺纹，可以调节连接件152和活塞杆1322连接的位置，从而调节钢丝绳142上连接的夹具144的竖直高度。

请参阅图9和图10所示，连接机构150还包括接头154和固结块158。

接头154的一端与连接件152拆装式连接，接头154的另一端具有过绳孔。钢丝绳142的末端绕过过绳孔，钢丝绳142的末端通过固结块158与钢丝绳142的中段固定。

较优地，在本实施例中，在接头154的端面上设置穿环156，钢丝绳142的末端绕过穿环156上的过绳孔，钢丝绳142的末端通过固结块158与钢丝绳142的中段固定。

较优地，在本实施例中，结合图3和图7所示，在连接件152上靠近钢丝绳142的凸台的中心设置通孔1524，接头154穿过通孔1524，通过螺母与接头154上的外螺纹配合，从而将连接件152和钢丝绳142连接。

此处使用通孔1524的连接方式，当连接件152连接活塞杆1322的一端通过螺纹调节时，允许连接件152转动，钢丝绳142不必同步转动，从而夹具144也不必转动，避免了钢丝绳142产生扭曲，保证了提升力的有效传递。而且，只要拆装螺母，即可实现连接件152与钢丝绳142的分离与连接，方便了安装或零件更换。通过螺母丝扣的调节，也可以微量调节钢丝绳142上连接的夹具144的竖直高度。

较优地，通孔1524的中心轴和连接件152的内螺纹1522的中心轴重合，有利于受力平衡。

较优地，钢丝绳142和拉力传感器180之间也通过另一个接头154与另一个固结块158连接，拉力传感器180的内螺纹与相应的接头154的外螺纹配合。

较优地，请参阅图11和图12所示，柔性提升机构140所用的夹具144为剪刀夹具，适用于国、内外各种钢轨，如CHN50(50kg/m)、CHN60(60kg/m)、CHN75(75kg/m)、UIC60、UIC54、JIS60和Bs90等。剪刀夹具包括连接栓、剪刀钩上部和剪刀钩。

连接结构150中设置连接件152，不仅传递千斤顶132的拉力，而且可通过螺纹的旋转方便地调节夹具的高度，以适用于不同的测试环境。

请参阅图13和图14所示，提升力测量装置100还包括两个转动脚座160。转动脚座160与支架110的底部轴连接。转动脚座160可转动，使提升力测量装置100能安装到不同的测量环境。提升力测量装置100适用于有砟轨道、无砟轨道、及各种不同倾斜表面的轨枕或轨道板，转动脚座160根据轨枕或轨道板的倾斜度自动转动，调整到提升力测量装置100与无缝线路钢轨垂直，提高了提升力测量装置100的灵活性。

较优地，如图15所示，在转动脚座160上设置两个轴安装环166，两个轴安装环166上的套孔的中心轴重合。支架110的底部卡在两个轴安装环166的内端面之间。结合图3和图4所示，支架110分别通过第一安装轴162、第二安装轴164与两个转动脚座160轴连接，第一安装轴162、第二安装轴164分别穿过两个轴安装环166中的套孔。

较优地，请再参阅图6所示，千斤顶132还包括缸体座1324，缸体1326固定于缸体座1324上。请参阅图16和图17所示，千斤顶132的缸体座1324固定于千斤顶座136的上端面，千斤顶座136的下端面设置两个吊耳，两个吊耳上的套孔的中心轴重合。结合图3和图13所示，第一安装轴162、第二安装轴164分别穿过两个吊耳中的套孔。

请参阅图18所示，支架110包括具有第一支撑脚1124、第二支撑脚1126和横梁1128，横梁1128的两端分别与第一支撑脚1124、第二支撑脚1126固定连接或整体加工为一体，本实施例中横梁1128与第一支撑脚1124、第二支撑脚1126三者整体加工为一体。

如图3所示，转动脚座160分别设置于第一支撑脚1124和第二支撑脚1126的底部，回拉机构130的固定端与第一支撑脚1124上的转动脚座160轴连接，也就是通过第一安装轴162连接。

作为一种可实施的方式，结合图18和图19所示，支架110包括两片平行设置的承力板112。两个承力板112之间横向且平行设置若干个连接梁116，用于使支架110的结构稳定。本实施例中，连接梁116通过焊接或铆接与承力板112固定。

通过上述结构，回拉机构130、连接机构150和柔性提升机构140依次连接，传递拉力，回拉机构130和连接机构150连成直线，倾斜布置在支架110内部(两片承力板112之间)，两侧的承力板112起到保护作用，而且使整个提升力测量装置100的结构紧凑，各个机构之间互不干扰，保证了无缝线路钢轨的提升空间。

作为一种可实施的方式，横梁1128上设置用于套装横轴120的轴承170。横梁1128的顶部具有安装槽1122，轴承170放置于安装槽1122内。较优地，安装槽1122的截面形状为半圆形。轴承170为摩擦力较小的深沟球轴承，轴承170与横轴120紧配合，根据实际情况选择过渡配合还是过盈配合。

作为一种可实施的方式，如图18至图20所示，支架110还包括加固板114，加固板114通过焊接或铆接固定于横梁1128的顶部，加固板114提高了承力板112对横轴120的支撑强度，避免承力板112的局部受力过大，提高了使用寿命。

加固板114上具有缺口，缺口的截面形状和安装槽1122的截面形状相同。缺口的端面与安装槽1122的开口端贴合，缺口与安装槽1122贯通。轴承170置于安装槽1122或缺口内。

较优地，结合图3所示，在横轴120的两端分别设置至少一个轴承170。请参阅图21和图22所示，在横轴120的中间设置限位槽122，本实施例中在横轴120的中间位置的外周设置凸起，在凸起上沿圆周设置限位槽122。凸起能起到局部加强的作用，限位槽122能将绕经其上的钢丝绳142的位置限定，避免在提升无缝线路钢轨的过程中，钢丝绳142沿横轴120的轴向滑移，从而保证了受力稳定，提高了测量准确性。

请参阅图23所示，在轴承170上罩设轴承罩172，轴承罩172起到防水防尘、限位降噪的目的。

请参阅图24所示，其为本发明的测量无缝线路实际锁定轨温的设备的结构框图，本发明的一种测量无缝线路实际锁定轨温的设备，包括：

上述的提升力测量装置，用于测得提升力，拉力传感器输出所述提升力的数据信号；

位移传感器，其一端固定在无缝线路钢轨上，其另一端与轨枕或搁置在道砟上的平板或轨道板接触，用于测得无缝线路钢轨的提升位移，并输出提升位移的数据信号；

至少一个温度传感器，连接到无缝线路钢轨，用于测得提升无缝线路钢轨时的轨温，并输出轨温的数据信号；

数据采集仪，分别与拉力传感器、位移传感器和温度传感器连接，采集并传输测得的提升力的数据信号、提升位移的数据信号和轨温的数据信号；

处理系统，接收数据采集仪传输的提升力的数据信号、提升位移的数据信号和轨温的数据信号，用于获得无缝线路的实际锁定轨温，图24中箭头表示信号传输的方向。本设备的结构紧凑可靠、重量轻、受力时容易保持稳定、操作简单、检测精度高，并且可单手搬运，适用于有砟轨道和无砟轨道无缝线路实际锁定轨温的测量。

一般情况下，采用一个温度传感器就可满足要求。作为一种可实施的方式，温度传感器的数量为两个，分别连接到无缝线路钢轨的轨腰两侧，分别用于测得轨腰两侧的轨温，这样保证了在实际使用中，两个温度传感器分别测得钢轨光照面和钢轨背光面的温度，即可由两个测出的算术平均值较准确地得到钢轨的温度。特殊情况下，还可以使用多个温度传感器，分别连接到钢轨的不同位置，以保证得到的轨温的算术平均值能接近真实轨温，进而提高了对无缝线路实际锁定轨温测量的准确性。除此以外，多个温度传感器还能在其中一个失效时，保证测量无缝线路实际锁定轨温的设备能继续有效地测量。

请参阅图25所示，其为本发明的测量无缝线路实际锁定轨温的方法的流程图，本发明的一种测量无缝线路实际锁定轨温的方法，采用上述的测量无缝线路实际锁定轨温的设备，所述方法包括如下步骤：

S100，回拉机构拉动柔性提升机构在横轴上滑动，并带动无缝线路钢轨向上移动，由拉力传感器测量得到提升力P；

S200，位移传感器的一端固定在所述无缝线路钢轨上，其另一端与轨枕或搁置在道砟上的平板或轨道板接触，所述位移传感器测得所述无缝线路钢轨的提升位移a，根据公式和依次得出；

其中，K为提升刚度，P为提升力，a为提升位移，F为纵向力，η为系数；

S300，温度传感器连接到所述无缝线路钢轨，用于测量提升所述无缝线路钢轨时的轨温T；

S400，采用上述的钢轨弦状态原理，在提升过程中，钢轨纵向力保持不变，根据公式利用测得的F和T值，得出无缝线路的实际锁定轨温T_s；

其中，T_s为实际锁定轨温，E为钢轨材质弹性模量，A为钢轨截面积，α为钢轨线膨胀系数。由此可见，上述提升力测量方法通过测量钢轨提升力、钢轨提升位移和钢轨温度，即可得出无缝线路的实际锁定轨温T_s。

作为一种可实施的方式，S200中，根据公式L₀₁＝L₀-L₀₂， $\mathrm{\ξ}=(e^{\mathrm{\λ}\·L_{02}}-1)\·e^{\mathrm{\λ}\·L_{01}}+e^{-\mathrm{\λ}\·L_{01}}\·(1-e^{-\mathrm{\λ}\·L_{\text{02}}})$ 和 $\mathrm{\η}=\frac{L_{02}}{\mathrm{\ξ}}(e^{-\mathrm{\λ}\·L_{01}}-e^{\mathrm{\λ}\·L_{01}})+L_{01},$ 得出η，通过迭代法得出F；

其中，I为钢轨截面对水平轴惯性矩，L₀为钢轨松开扣件的范围，L₀₂为提升力P距右端点的距离。

本发明的测量无缝线路实际锁定轨温的设备及方法简单，通过上述提升力测量装置的拉力传感器、位移传感器、温度传感器，分别测量钢轨提升力、钢轨提升位移和钢轨温度的数据信号，即可得出无缝线路的实际锁定轨温。

作为一种可实施的方式，S300与S400之间还包括S310，数据采集仪分别与拉力传感器、位移传感器和温度传感器连接，采集并传输测得的提升力P的数据信号、提升位移a的数据信号和轨温T的数据信号。

较优地，S300中，温度传感器的数量为两个，分别连接到无缝线路钢轨的轨腰两侧，分别用于测得轨腰两侧的轨温；两个温度传感器测得的轨温的算术平均值为提升钢轨时的轨温T。

较优地，L₀₁可以不等于L₀₂，但为确保无缝线路锁定轨温测试精度，应尽量靠近L₀的中部，使L₀₁约等于L₀₂，L₀₁的范围为8m～10m。

较优地，为确保测试精度，实际测试时，在L₀左右向外各松开扣件L₁和L₂的长度，在L₀的左右端点垫上支座，L₁约等于L₂，L₁的范围为3m～5m；这样全部拆开扣件的总长度为L₁+L₀+L₂，其范围为22m～30m。

较优地，数据采集仪将上述的提升力P的数据信号、提升位移a的数据信号和提升无缝线路钢轨时的轨温T的数据信号分别采集，数据采集仪通过USB接口或蓝牙通信将数据信号传输给处理系统。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种提升力测量装置，其特征在于，所述提升力测量装置包括支架、横轴、回拉机构、柔性提升机构和拉力传感器；

所述回拉机构的两端分别为固定端和活动端；所述固定端与所述支架轴连接，所述活动端与所述柔性提升机构的一端连接；

所述横轴设置于所述支架的上部，所述柔性提升机构绕经所述横轴，所述柔性提升机构的另一端具有夹持无缝线路钢轨的夹具；

所述回拉机构拉动所述柔性提升机构在所述横轴上滑动，并带动所述无缝线路钢轨向上移动；

所述拉力传感器设置于所述夹具的上端，用于测量所述无缝线路钢轨受到的提升力值。

2.根据权利要求1所述的提升力测量装置，其特征在于，所述柔性提升机构包括绕经所述横轴外周的钢丝绳；

所述钢丝绳的一端与所述活动端连接，所述钢丝绳的另一端与所述拉力传感器的上端固定连接。

3.根据权利要求2所述的提升力测量装置，其特征在于，所述回拉机构包括千斤顶，所述千斤顶包括缸体和与所述缸体相配合伸缩的活塞杆；

所述缸体的一端与所述支架轴连接，所述活塞杆的伸缩端与所述钢丝绳连接；所述钢丝绳通过所述活塞杆的伸缩在所述横轴上滑动。

4.根据权利要求3所述的提升力测量装置，其特征在于，所述活塞杆和所述钢丝绳之间设置连接机构；

所述连接机构包括连接件，所述连接件的一端与所述活塞杆螺纹连接，其另一端与所述钢丝绳拆装式连接。

5.根据权利要求4所述的提升力测量装置，其特征在于，所述连接机构还包括接头和固结块；

所述接头的一端与所述连接件拆装式连接，所述接头的另一端具有过绳孔；所述钢丝绳的末端绕过所述过绳孔，所述钢丝绳的末端通过所述固结块与所述钢丝绳的中段固定。

6.根据权利要求1至5任一项所述的提升力测量装置，其特征在于，所述提升力测量装置还包括两个转动脚座；所述转动脚座与所述支架的底部轴连接。

7.根据权利要求6所述的提升力测量装置，其特征在于，所述支架包括具有第一支撑脚、第二支撑脚和横梁；所述横梁的两端分别与所述第一支撑脚、所述第二支撑脚固定连接或整体加工为一体；

所述转动脚座分别设置于所述第一支撑脚和所述第二支撑脚的底部；所述回拉机构的固定端与所述第一支撑脚上的所述转动脚座轴连接。

8.根据权利要求7所述的提升力测量装置，其特征在于，所述支架包括两片平行设置的承力板；两个所述承力板之间横向且平行设置若干个连接梁。

9.根据权利要求7或8所述的提升力测量装置，其特征在于，所述横梁上设置用于套装所述横轴的轴承；

所述横梁的顶部具有安装槽，所述轴承放置于所述安装槽内。

10.根据权利要求9所述的提升力测量装置，其特征在于，所述支架还包括加固板，所述加固板固定于所述横梁的顶部；

所述加固板上具有缺口，所述缺口的截面形状和所述安装槽的截面形状相同；所述缺口的端面与所述安装槽的开口端贴合，所述缺口与所述安装槽贯通。

11.一种测量无缝线路实际锁定轨温的设备，其特征在于，所述设备包括：

权利要求1至10任一项所述的提升力测量装置，用于测得提升力，拉力传感器输出所述提升力的数据信号；

位移传感器，其一端固定在无缝线路钢轨上，其另一端与轨枕或搁置在道砟上的平板或轨道板接触，用于测得所述无缝线路钢轨的提升位移，并输出所述提升位移的数据信号；

至少一个温度传感器，连接到所述无缝线路钢轨，用于测得提升所述无缝线路钢轨时的轨温，并输出所述轨温的数据信号；

数据采集仪，分别与所述拉力传感器、所述位移传感器和所述温度传感器连接，采集并传输测得的所述提升力的数据信号、所述提升位移的数据信号和所述轨温的数据信号；

处理系统，接收所述数据采集仪传输的所述提升力的数据信号、所述提升位移的数据信号和所述轨温的数据信号，用于获得所述无缝线路的实际锁定轨温。

12.根据权利要求11所述的测量无缝线路实际锁定轨温的设备，其特征在于，所述温度传感器的数量为两个，分别连接到所述无缝线路钢轨的轨腰两侧，分别用于测得所述轨腰两侧的轨温。

13.一种测量无缝线路实际锁定轨温的方法，其特征在于，采用权利要求11或12所述的测量无缝线路实际锁定轨温的设备，所述方法包括如下步骤：

S100，回拉机构拉动柔性提升机构在横轴上滑动，并带动无缝线路钢轨向上移动，由拉力传感器测量得到提升力P；

S200，位移传感器的一端固定在所述无缝线路钢轨上，其另一端与轨枕或搁置在道砟上的平板或轨道板接触，所述位移传感器测得所述无缝线路钢轨的提升位移a，根据公式和依次得出K、F；

其中，K为提升刚度，P为提升力，a为提升位移，F为纵向力，η为系数；

S300，温度传感器连接到所述无缝线路钢轨，用于测量提升所述无缝线路钢轨时的轨温T；

S400，采用钢轨弦状态原理，在提升过程中，钢轨纵向力保持不变，根据公式利用测得的F和T值，得出所述无缝线路的实际锁定轨温T_s；

其中，T_s为实际锁定轨温，E为钢轨材质弹性模量，A为钢轨截面积，α为钢轨线膨胀系数。

14.根据权利要求13所述的测量无缝线路实际锁定轨温的方法，其特征在于，所述S200中，根据公式 $\mathrm{\λ}=\sqrt{\frac{F}{\mathrm{EI}}},$ L₀₁＝L₀-L₀₂， $\mathrm{\ξ}=(e^{\mathrm{\λ}\·L_{02}}-1)\·e^{\mathrm{\λ}\·L_{01}}+e^{-\mathrm{\λ}\·L_{01}}\·(1-e^{-\mathrm{\λ}\·L_{\text{02}}})$ 和得出所述η，通过迭代法得出所述F；

其中，I为钢轨截面对水平轴惯性矩，L₀为钢轨松开扣件的范围，L₀₂为提升力P距右端点的距离。

15.根据权利要求13所述的测量无缝线路实际锁定轨温的方法，其特征在于，所述S300中，所述温度传感器的数量为两个，分别连接到所述无缝线路钢轨的轨腰两侧，分别用于测得所述轨腰两侧的轨温；两个所述温度传感器测得的轨温的算术平均值为提升所述无缝线路钢轨时的轨温T。

16.根据权利要求13所述的测量无缝线路实际锁定轨温的方法，其特征在于，所述S300与所述S400之间还包括S310，数据采集仪分别与所述拉力传感器、所述位移传感器和所述温度传感器连接，采集并传输测得的所述提升力P的数据信号、所述提升位移a的数据信号和所述轨温T的数据信号。