喬神路

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司軌道工程設(shè)計研究院，北京　100055)

Research on Installation Method of Snow Melting Heating Strips on Turnout Rail

QIAO Shenlu

道岔鋼軌融雪加熱條安裝方式的研究

喬神路

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司軌道工程設(shè)計研究院，北京100055)

Research on Installation Method of Snow Melting Heating Strips on Turnout Rail

QIAO Shenlu

摘要利用有限元軟件，建立整組道岔的空間耦合模型及轉(zhuǎn)轍器鋼軌的細(xì)部模型，對融雪加熱條卡具鉆孔安裝前后道岔鋼軌的受力變形進(jìn)行對比分析，并對鉆孔安裝方案進(jìn)行優(yōu)化研究。結(jié)果表明：在最不利荷載作用下，道岔鋼軌鉆孔后的受力變形均滿足要求，卡具鉆孔安裝方案可行；在保證融雪加熱條與鋼軌密貼且固定牢靠的條件下，為減小鋼軌鉆孔后的受力及變形，卡具應(yīng)安裝于枕中鋼軌處，且間距不宜過小。

關(guān)鍵詞融雪條卡具鉆孔安裝有限元優(yōu)化研究

北方地區(qū)冬季冰雪天氣頻繁，積雪清理不及時或不徹底常常影響道岔的正常使用，影響行車安全。為此，道岔融雪設(shè)備得到廣泛應(yīng)用[1-3]。加熱條是融雪設(shè)備的重要組成部分，目前主要采用卡具通過基本軌軌底將其箍于鋼軌。由于鐵路行車密度大、運量高，道岔經(jīng)過長時間使用后，滑床板發(fā)生磨損，高度降低，尖軌底部與基本軌發(fā)生接觸。在列車荷載反復(fù)作用下，基本軌軌底斜面受到尖軌擠壓作用，加熱條卡具受剪發(fā)生破壞，進(jìn)而影響融雪設(shè)備的正常使用。

針對上述問題的處理方法主要有兩種，一是對道岔病害進(jìn)行整治，通過更換傷損部件保證道岔的正常使用，但這種方法實施不便，費用較高，工作量較大；二是改變卡具的固定方式，在道岔枕中的基本軌軌腰鉆孔，采用螺栓將卡具固定。該方法簡單可行，費用低，可有效避免卡具損壞，但在鋼軌上鉆孔可能會對道岔鋼軌的受力變形產(chǎn)生不利影響。

目前，國內(nèi)外相關(guān)研究多集中于道岔的無縫化及結(jié)構(gòu)選型，融雪加熱條卡具安裝對道岔影響的相關(guān)研究較少[4-7]。在既有研究的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件，建立了整組道岔的縱-橫-垂向空間耦合模型及鉆孔安裝區(qū)域的細(xì)部實體模型，從鋼軌的受力和變形等方面，對加熱條卡具鉆孔安裝對道岔的影響及其優(yōu)化措施進(jìn)行研究。

1模型建立及計算參數(shù)

1.1　整體模型

在道岔荷載的傳遞過程中，參與傳力作用的主要有鋼軌、扣件、岔枕等部件。以12號有砟軌道單開道岔為例，通過對不同部件分別進(jìn)行模擬，建立整組道岔的空間耦合模型。

(1)采用空間梁單元模擬鋼軌

鋼軌截面及材料特性如下：截面面積77.45 cm2，彈性模量2.1×105MPa，泊松比0.3，線膨脹系數(shù)1.18×10-5/℃。鋼軌根據(jù)支承節(jié)點劃分單元，可全面考慮縱、橫、垂位移及轉(zhuǎn)角。

(2)采用非線性彈簧單元模擬扣件縱、橫向阻力

道岔區(qū)內(nèi)采用Ⅱ型彈條扣件，縱向阻力為10 kN/組。扣件橫向剛度取50 kN/mm，軌下橡膠墊板剛度取為90 kN/mm。

(3)采用非線性彈簧單元模擬道床阻力

區(qū)間道床縱向阻力12 kN/枕，道床橫向阻力10 kN/枕，據(jù)此換算得出岔枕單位枕長的縱橫向阻力；枕下道床支承剛度為100 kN/mm[8]。

(4)采用空間梁單元模擬岔枕及岔外區(qū)間軌枕

材料特性如下：彈性模量3.6×104MPa，泊松比0.2，線膨脹系數(shù)1.0×10-5/℃。混凝土枕根據(jù)支承節(jié)點劃分單元，可全面考慮各個方向的位移及轉(zhuǎn)角。

1.2　轉(zhuǎn)轍器細(xì)部模型

鋼軌鉆孔區(qū)域的細(xì)部模型包括基本軌、尖軌、融雪加熱元件、鐵墊板、扣件、滑床板和岔枕等部件(如圖1)。

圖1　道岔整體模型及細(xì)部模型

采用實體單元模擬鋼軌及軌枕，材料特性與整體模型相同。鋼軌材質(zhì)為U75V，屈服強(qiáng)度472 MPa，熱傳導(dǎo)系數(shù)58/W/(m·K)。

采用實體單元模擬鐵墊板、滑床臺及加熱條。加熱條材料特性如下：彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，熱傳導(dǎo)系數(shù)20/W/(m·K)，線膨脹系數(shù)1.72×10-5。

所建立的空間耦合模型充分考慮了道岔尖軌截面變化、密貼段基本軌兩側(cè)不同扣壓方式，以及鐵墊板、滑床臺等細(xì)部結(jié)構(gòu)尺寸的影響，能夠計算鋼軌在溫度、車輛等不同荷載作用下的受力變形，可滿足道岔鋼軌融雪加熱條安裝方式研究的需要。

1.3　荷載工況

利用整體模型計算鋼軌溫度應(yīng)力時，鋼軌最大溫度變化幅度取為55 ℃。根據(jù)鐵路運營的實際情況，利用細(xì)部模型計算鋼軌動彎應(yīng)力時，考慮列車過岔速度系數(shù)的影響，車輪準(zhǔn)靜態(tài)垂向荷載取為220 kN，橫向輪載取為垂向輪載的0.8倍。

2鋼軌鉆孔的影響分析

2.1　融雪裝置非工作狀態(tài)的強(qiáng)度檢算

在溫度荷載與車輛荷載作用下，鉆孔與不鉆孔的基本軌受力主要計算結(jié)果對比見表1，鉆孔鋼軌的應(yīng)力分布如圖2所示。由計算結(jié)果可知，在車輛荷載作用下，鋼軌在鉆孔后的位移及應(yīng)力略有增加，其中最大應(yīng)力增大約1.34 MPa，增幅為0.8%。整體上看，鉆孔對鋼軌受力及變形的影響不大。

圖2　鉆孔鋼軌應(yīng)力分布

計算方案溫度應(yīng)力/MPa軌頭壓應(yīng)力/MPa軌底拉應(yīng)力/MPa鋼軌垂向位移/mm鋼軌橫向位移/mm鉆孔前168.63167.98105.803.3773.377鉆孔后168.63169.32106.023.3780.390

鋼軌應(yīng)力檢算如下。

軌頭應(yīng)力：σd1+σt+σc=169.32+168.63+10=347.95 MPa≤[σ]=363 MPa

軌底應(yīng)力：σd2+σt+σc=106.02+168.63+10=284.65 MPa≤[σ]=363 MPa

2.2　融雪裝置工作狀態(tài)的強(qiáng)度檢算

融雪裝置工作時，加熱條附近的鋼軌軌溫會發(fā)生較大的變化，影響鉆孔處的鋼軌應(yīng)力?？紤]鋼軌的熱傳導(dǎo)作用，基本軌的應(yīng)力分布結(jié)果如圖3所示。根據(jù)計算，鋼軌應(yīng)力最大值為91.56 MPa，出現(xiàn)在螺孔處，為縱向拉應(yīng)力。

考慮熱傳導(dǎo)作用、車輛荷載、溫度荷載、制動荷載的疊加影響，螺孔處的鋼軌應(yīng)力檢算如下：

圖3　鉆孔鋼軌應(yīng)力分布

91.56=317.22MPa≤[σ]=363MPa

綜合融雪裝置不同工作狀態(tài)下的鉆孔鋼軌受力變形計算，鋼軌整體及螺栓孔強(qiáng)度均能滿足檢算要求，道岔鋼軌加熱條卡具的鉆孔安裝可行。

3鋼軌鉆孔的優(yōu)化研究

通過調(diào)整螺栓孔直徑及螺栓孔間距，對道岔鋼軌加熱條卡具的不同安裝方案進(jìn)行對比研究。道岔鋼軌加熱條卡具的不同安裝方案見表2，計算結(jié)果對比見表3。

表2　加熱條卡具安裝方案

表3　不同方案計算結(jié)果對比

由計算結(jié)果可知，采用枕上鉆孔方案，鋼軌變形較小，但軌頭應(yīng)力較大，不僅鉆孔作業(yè)不便，卡具安裝還有可能與頂鐵、扣件發(fā)生沖突；枕間鉆孔方案易于實施，雖然鋼軌軌底應(yīng)力及變形稍大，但均滿足檢算要求，枕間鉆孔方案更為合適。隨著螺栓孔徑的增加，鋼軌受力及變形均有所增大，較大孔徑不利于道岔鋼軌的正常使用；增大螺栓孔間距可減小鋼軌的受力及變形，但可能影響融雪加熱條與鋼軌的密貼效果。整體上看，在保證融雪加熱條與鋼軌密貼且固定牢靠的條件下，卡具安裝鉆孔方案宜選擇較小孔徑及較大間距。

4結(jié)論

利用有限元方法，建立了整組道岔的空間耦合模型及轉(zhuǎn)轍區(qū)鋼軌的細(xì)部模型，對道岔鋼軌加熱條卡具安裝方案進(jìn)行了理論分析計算，并對卡具安裝方式進(jìn)行了優(yōu)化。主要結(jié)論如下：

(1)道岔鋼軌融雪加熱條卡具鉆孔安裝對鋼軌受力變形影響不大，方案可行。

(2)融雪加熱條卡具安裝應(yīng)在枕中鉆孔；螺孔宜選擇較小孔徑及較大間距。

(3)卡具安裝應(yīng)保證融雪加熱條的固定牢靠及與鋼軌的密貼，螺孔應(yīng)均勻，避免應(yīng)力集中。

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[8]中華人民共和國鐵道部.TB10082—2005鐵路軌道設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

中圖分類號：U213.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)04-0110-03

作者簡介：喬神路(1985—)，男，工學(xué)博士，工程師。

收稿日期：2015-03-16