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无缝线路钢轨温度力及锁定轨温的测试方法

Abstract

本发明涉及一种无缝线路钢轨温度力及锁定轨温的测试方法，该方法将被测试段钢轨扣件拆去或松开后撤去轨下胶垫，使该段钢轨悬空，然后标定被测试段钢轨长度，在钢轨一侧垂直于钢轨施加一个定量的水平作用力，且在钢轨另一侧测量其横向位移，区别不同轨型，将所测的横向力与横向位移数据，代入钢轨横向位移公式中

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无缝线路钢轨温度力及锁定轨温的测试方法

技术领域

本发明涉及一种无缝线路钢轨温度力及锁定轨温的测试方法。

技术背景

随着我国铁路不断提速和无缝线路的大量铺设，加强无缝线路的技术管理日益变得重要，无缝线路技术管理的重点是控制其锁定轨温及变化，无缝线路的特点是钢轨长，当温度变化时，钢轨要发生伸缩，但由于有钢轨扣件等的约束作用，钢轨不能自由伸缩，在钢轨内部要产生很大的轴向温度力。如果不能准确掌握无缝线路任何地段的内部应力情况，并及时对应力超过限界值的地段进行针对性的放散、调整，就会发生无缝线路高温时失稳胀轨跑道和低温时断轨事故。对无缝线路钢轨温度力及锁定轨温的准确测量是国内外长期探索而目前又均未能很好解决的测量技术难题。现有测量方法如钢尺测量法、经纬仪测量法、应变片法、电磁法、观测桩法等较为落后，精度低，不能准确测得锁定轨温。目前较为先进的一种测试是通过测量钢轨轴向微小位移变化来测量钢轨的温度应力、温度力，所用仪器是TS-2型钢轨温度应力测试仪。这种方法与以往其它测量方法比较，只是纯测量精度的提高，其共同的最大弊端仍然是以原始锁定轨温准确为前提条件。实际上，钢轨在铺设上道使用后的一段时间，随着列车的碾轧，钢轨将会有伸长的趋势，但由于钢轨已被锁定，所以钢轨内部便已产生了应力，这相当于降低了锁定轨温，我们称这一现象为锁定轨温的衰减。再者，在很多情况下，如施工、钢轨折断后焊接、钢轨应力调整和应力放散等往往很难得到钢轨的零应力状态，即很难得到准确的锁定轨温。因此，以原始锁定轨温准确为前提条件的各种测试方法自然也都是不准确的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能精确测量无缝线路钢轨温度力及锁定轨温的方法。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：无缝线路钢轨温度力及锁定轨温的测试方法，该方法包括以下步骤：

(a)、将被测试段钢轨扣件拆去或松开，撤去轨下胶垫，使该段钢轨悬空；

(b)、标定被测试段钢轨长度，在跨中垂直于钢轨轴线施加一横向作用力，并测定钢轨相应的横向位移；

(c)、区分不同轨型，将所测的横向力与横向位移数据，代入钢轨横向位移公式

δ = \frac{M}{N} (\cos β - 1) + (\frac{P}{2 N} - \frac{M}{H}) \frac{\sin β}{K} - \frac{PL}{4 N},

或根据无缝线路钢轨锁定时的实际情况，将被测试段钢轨简化为一中间自由，两端约束，刚度很大，接近于两端固定的钢构梁，即设梁的两端为固定支座，则上述公式可表述为

δ = \frac{P}{2 KN} (2 tg \frac{KL}{4} - \frac{KL}{2}),

近似式为

δ = \frac{{2 PL}^{3}}{π^{2} ({4 EIπ}^{2} - {NL}^{2})},

式中δ-测点挠度，N-钢轨轴向温度力，P-测点横向作用力，L-被测试段钢轨长度，H-支座抗弯刚度，M-在P和N作用下支座处的弯矩，EI-钢轨抗弯刚度，

K^{2} = \frac{N}{EI},

β = \frac{1}{2} KL,

经计算即可得知钢轨此时的轴向力N。测量当时轨温To，再由钢轨轴向力与温度的函数关系N＝EαΔtF，得知钢轨的锁定轨温Ts与实测当时轨温To之差Δt，亦即得到锁定轨温T_s，式中N-钢轨轴向温度力，E-钢轨钢的弹性模量，α-钢轨的线膨胀系数，Δt-轨温变化度数，F-钢轨横截面积。

本发明的基本测试原理为：当杆件的刚度较小，弯曲变形弹性较大时，杆件在分别受到轴向零作用力、轴向拉力和轴向压力时，其抗横向挠曲的能力明显不同。受轴向拉力时，抗横向挠曲的能力提高；受轴向压力时，抗横向挠曲的能力降低。杆件受轴向力、横向力和产生横向弯曲的函数关系可由下述公式表述：

δ . = \frac{M}{N} (\cos β - 1) + (\frac{P}{2 N} - \frac{M}{H}) \frac{\sin β}{K} - \frac{PL}{4 N}

式中δ-测点挠度，N-钢轨轴向力，P-测点横向作用力，L-被测试段钢轨长度，H-支座抗弯刚度，M-在P和N作用下支座处的弯矩，

K^{2} = \frac{N}{EI},

EI-钢轨抗弯刚度，

β = \frac{1}{2} KL,

根据无缝线路钢轨锁定时的实际情况，将被测试段钢轨简化为一中间自由，两端约束，刚度很大，接近于两端固定的钢构梁，即设梁的两端为固定支座，则上述公式可简化表述为

δ = \frac{P}{2 KN} (2 tg \frac{KL}{4} - \frac{KL}{2});

式中δ-跨中挠度；P-跨中点横向作用力；L-被测试段钢轨长度；N-钢轨轴向力；其中

K^{2} = \frac{N}{EI};

EI-钢轨抗弯刚度，近似式为

δ = \frac{{2 PL}^{3}}{π^{2} ({4 EIπ}^{2} - {NL}^{2})} .

通过对解的讨论分析，得出在P、L一定的情况下δ与N是密切相关的同时可通过上式计算出梁的失稳条件。我们在梁不失稳的前提下，选取合理的参数，即可用来进行无缝线路的内应力测量。在无缝线路上应用上述原理测试，可松动一根钢轨一定长度的扣件，在两端按无缝线路技术要求约束固定，中间加力，并测量矢度变化。通过计算和现场调查，我们选取60kg/m钢轨无缝线路的测量参数如下：(1)、测量内应力的范围：拉应力331.2KN、压应力331.2KN，相当于轨温相对于锁定轨温变化-18℃-+18℃所产生的温度力，可满足现场春季、秋季和冬季使用，(2)、横向力P取1KN，(3)、长度L取为10m，(4)、测量得出钢轨中部的矢度变化范围为2.6-19.6毫米，满足钢轨与螺栓间最小距离的限制。经计算，钢轨内应力N(KN)相对于锁定轨温的变化值Δt(℃)、矢度δ(mm)三者间的关系如下表：

N	Δt	δ	N	Δt	δ
N	Δt	δ	N	Δt	δ	-331.2	-18	2.65	36.8	2	5.10
-294.4	-16	2.78	73.6	4	5.62	-331.2	-18	2.65	36.8	2	5.10
-294.4	-16	2.78	73.6	4	5.62	-257.6	-14	2.93	110.4	6	6.25
-220.8	-12	3.09	147.2	8	7.06	-257.6	-14	2.93	110.4	6	6.25
-220.8	-12	3.09	147.2	8	7.06	-184	-10	3.28	184.0	10	8.09
-147.2	-8	3.48	220.8	12	9.49	-184	-10	3.28	184.0	10	8.09
-147.2	-8	3.48	220.8	12	9.49	-110.4	-6	3.72	257.6	14	11.46
-73.6	-4	3.99	294.4	16	14.47	-110.4	-6	3.72	257.6	14	11.46
-73.6	-4	3.99	294.4	16	14.47	-36.8	-2	4.30	331.2	18	19.63
0	0	4.67				-36.8	-2	4.30	331.2	18	19.63

测量结果与计算结果基本一致，同时计算表明，Δt由-18℃变化为-16℃时，δ变化量Δδ_min为0.13mm；而在Δt由16℃变化为18℃时，δ变化量Δδ_max为5.16mm。即使Δδ为最小值时，每度的变化量Δδ/Δt＝0.065mm，我们取位移计精确为0.01mm，就足够精确了。其精度误差最大值为1℃。

本发明的有益效果是提供了一种可在实际中应用的比较精确的无缝线路内应力的测量方法，这种方法克服了无缝线路钢轨塑性变形对测量结果的较大影响，它不需要很高精度的测量仪器，造价低廉，操作方法简便易行。可避免断轨、胀轨的发生，保证行车安全，减少事故损失，并可减少不必要的无缝线路应力放散或调整，从而减少大量的工费和材料费消耗，同时可应用于探索无缝线路内应力变化规律，并据此修改观测分析制度，可节省大量的观测费用，适应提速的客观需要。

具体实施方式

以下结合实施例进一步详述。

实施例1

取60kg/m钢轨作为被测试段钢轨，将其两端固定，并将两固定端间的钢轨扣件拆去，撤去轨下胶垫，使该段钢轨悬空；

(b)、将被测试段钢轨固定端两侧的各扣件复紧至符合无缝线路经常保养技术标准；

(c)、标定被测试段钢轨长度为10m，测得当时的轨温为25℃，在其中间位置点的一侧垂直钢轨用压力计施加一个1KN的横向作用力，且在钢轨该点的另一侧用位移计测量该点的横向位移22次，取平均值为4.714mm；

(d)、将所测的横向力与横向位移数据，代入钢轨横向位移公式中

δ = \frac{P}{2 KN} (2 tg \frac{KL}{4} - \frac{KL}{2});

式中δ-跨中挠度；P-跨中点横向作用力；L-被测试段钢轨长度，N-钢轨轴向力；其中

K^{2} = \frac{N}{EI},

EI-钢轨抗弯刚度，经计算可得知即钢轨此时的轴向力为0，再由轴向力与温度的函数关系，N＝19.2Δt得知钢轨的锁定轨温为25℃，式中N-60kg/m钢轨的温度力，Δt-轨温度变化度数。

实施例2

与实施例1方法相同，选取钢轨长度为10m，测得当时的轨温为25℃，施加横向力为1KN，测量横向位移7次取平均值为7.22mm，将横向力与横向位移数值代入实施例1公式中，计算得出钢轨横向力为压应力153.6KN，再由轴向力与温度的函数关系，N＝19.2Δt得知钢轨的锁定轨温为17℃。

实施例3

与实施例1和2方法相同，选取钢轨长度为10m，测得当时的轨温为25℃，施加横向力为1KN，测量横向位移7次取平均值为9.98mm，将横向力与横向位移数值代入实施例1公式中，计算得出钢轨轴向力为压应力219.8KN，再由轴向力与温度的函数关系，N＝19.2Δt得知钢轨的锁定轨温13℃。

实施例4

与实施例3方法相同，选取钢轨长度为10m，测得当时的轨温为25℃，施加横向力为1KN，测量横向位移7次取平均值为12.91mm，将横向力与横向位移数值代入

δ . = \frac{M}{N} (\cos β - 1) + (\frac{P}{2 N} - \frac{M}{H}) \frac{\sin β}{K} - \frac{PL}{4 N}

公式中，计算得出钢轨轴向力为压应力271.14KN，再由轴向力与温度的函数关系，N＝19.2Δt得知钢轨的锁定轨温10.5℃。

实施例5

与实施例4方法相同，选取钢轨长度为10m，测得当时的轨温为25℃，施加横向力为1KN，测量横向位移7次取平均值为3.50mm，将横向力与横向位移数值代入

δ . = \frac{M}{N} (\cos β - 1) + (\frac{P}{2 N} - \frac{M}{H}) \frac{\sin β}{K} - \frac{PL}{4 N},

计算得出钢轨轴向力为拉应力152.98KN，再由轴向力与温度的函数关系，N＝19.2Δt得知钢轨的锁定轨温33℃。

实施例6

与实施例5方法相同，选取钢轨长度为10m，测得当时的轨温为25℃，施加横向力为1KN，测量横向位移7次取平均值为3.34mm，将横向力与横向位移数值代入

δ = \frac{{2 PL}^{3}}{π^{2} ({4 EIπ}^{2} - {NL}^{2})},

计算得出钢轨轴向力为拉应力172.8KN，再由轴向力与温度的函数关系，N＝19.2Δt得知钢轨的锁定轨温34℃。

实施例7

与实施例6方法相同，选取钢轨长度为10m，测得当时的轨温为25℃，施加横向力为1KN，测量横向位移7次取平均值为3.02mm，将横向力与横向位移数值代入

δ = \frac{{2 PL}^{3}}{π^{2} ({4 EIπ}^{2} - {NL}^{2})},

计算得出钢轨轴向力为压应力245.25KN，再由轴向力与温度的函数关系，N＝19.2Δt得知钢轨的锁定轨温37℃。

多次的试验结果与理论计算值相比较，得出的锁定轨温误差小于1℃，完全符合铁路无缝线路技术要求。

Claims (1)

Hide Dependent

1、无缝线路钢轨温度力及锁定轨温的测试方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

δ = \frac{M}{N} (\cos β - 1) + (\frac{P}{2 N} - \frac{M}{H}) \frac{\sin β}{K} - \frac{PL}{4 N},

δ = \frac{P}{2 KN} (2 tg \frac{KL}{4} - \frac{KL}{2}),

或近似式为

δ = \frac{2 P L^{3}}{π^{2} ({4 EIπ}^{2} - {NL}^{2})},

K^{2} = \frac{N}{EI},

β = \frac{1}{2} KL,

经计算即可得知钢轨此时的轴向力N，测量当时轨温To，再由钢轨轴向力与温度的函数关系N＝EαΔtF，得知钢轨的锁定轨温Ts与实测当时轨温To之差Δt，亦即得到锁定轨温Ts，式中N-钢轨轴向温度力，E-钢轨钢的弹性模量，α-钢轨的线膨胀系数，Δt-轨温变化度数，F-钢轨横截面积。

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