TYDR-A型道岔融雪系統(tǒng)滑床板強(qiáng)度的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)校核

李秀杰 邱戰(zhàn)國(guó) 屠志平

1 道岔融雪裝置研制的背景

道岔是鐵路車(chē)站運(yùn)輸設(shè)備的重要組成部分,它的工作狀態(tài)直接影響到列車(chē)的接發(fā)、會(huì)讓、調(diào)車(chē)等作業(yè),是鐵路運(yùn)輸安全、正點(diǎn)、大密度開(kāi)行的前提。按照 《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定,尖軌與基本軌之間水平間隙超過(guò) 4 mm時(shí),不能鎖閉或開(kāi)放信號(hào)機(jī)。因此,保證道岔鎖閉狀態(tài)時(shí)尖軌與基本軌之間的密貼非常重要。經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)查,冬季積雪是造成道岔尖軌不能密貼的重要因素之一,對(duì)道岔鎖閉影響較大,是亟待解決的問(wèn)題。

采用電熱融雪具有潔凈環(huán)保、無(wú)污染、安全可靠、易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn),因此電熱融雪方式成為道岔融雪的主流方式。

近幾年鐵路既有線(xiàn)大提速,高速列車(chē)及客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)列車(chē)大量開(kāi)行。貨運(yùn)重載也成為運(yùn)輸?shù)闹髁骱头较?。保障道岔時(shí)刻處于良好運(yùn)行狀態(tài)的重要性不言而喻。在這個(gè)背景下,中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所研制了 TYDR-A型電加熱道岔融雪系統(tǒng)。這套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔融雪裝置的自動(dòng)啟動(dòng)和停止;配有監(jiān)控系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制;自動(dòng)與手動(dòng)控制方式切換、故障報(bào)警等功能。本文主要對(duì)系統(tǒng)中直接加熱的部件——電加熱體的安裝方式進(jìn)行介紹和比較。

2 電加熱體的幾種安裝形式及比較

目前,市場(chǎng)上有幾種電熱融雪系統(tǒng),其加熱體的加熱方式各不相同。有電加熱管方式 (如圖 1),電加熱條方式 (如圖 2)和電加熱片方式 (以下稱(chēng)為電加熱單元方式)(如圖 3)。從技術(shù)參數(shù)上,電加熱管表面加熱溫度高,熱量直接傳遞至滑床臺(tái);電加熱條設(shè)置導(dǎo)熱板,可增加導(dǎo)熱面積。但這 2種方式也存在一些不利之處。

電加熱管方式中,各加熱管串聯(lián)連接,一個(gè)加熱管的故障會(huì)造成一組加熱管無(wú)法正常工作。而且這種加熱管由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的問(wèn)題容易造成 “干燒”,壽命短,故障率高,安裝拆卸不方便。

電加熱條比電加熱管方式的優(yōu)點(diǎn)在于:增大了接觸面積,傳熱更快。但加熱條仍然外露,對(duì)空氣的散熱也快,熱損失大;部分加熱條直接加熱基本軌,而基本軌是長(zhǎng)度上連續(xù)的良導(dǎo)體,因此熱量很大一部分通過(guò)基本軌傳導(dǎo)到空氣中,或者用于融化相對(duì)不重要地方的積雪,對(duì)道岔尖軌密貼貢獻(xiàn)比較小,無(wú)效耗熱大,因此整體熱效率低。在相同融雪效果時(shí),費(fèi)用會(huì)比較高。

電加熱片,即電加熱單元方式中,加熱片本身面積比較大,與被加熱物體——滑床板的接觸面積就大,因此傳熱速度快,加熱均勻。加熱片安裝在滑床板下面,而不是暴露在空氣中,直接散失在空氣中的熱量小,熱損失小。支架的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和加工工藝保證了加熱片與滑床板的密貼。滑床板的金屬材質(zhì)是熱的良導(dǎo)體,且接觸面積大,從而有效避免局部 “干燒”情況。熱源安裝在被加熱物體下方,有利于熱量的傳遞。

綜合以上幾個(gè)特點(diǎn),電加熱片方式達(dá)到了高效、節(jié)能的目的,從而降低了運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。而熱效率在此不僅僅體現(xiàn)在節(jié)能上,更能體現(xiàn)在融雪時(shí)間上。站場(chǎng)在設(shè)計(jì)電力容量時(shí)會(huì)綜合考慮一次性投入和使用頻度等各種因素,因此容量設(shè)計(jì)有一定的限度,能夠在有限的功率下達(dá)到更好地融化關(guān)鍵部位積雪非常重要,高的導(dǎo)熱效率就更能經(jīng)得起大雪的考驗(yàn)。這一指標(biāo)也體現(xiàn)了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)難度和設(shè)計(jì)水平。

3 滑床板強(qiáng)度的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)

從圖 3中我們可以看到,加熱片是安裝在滑床板下面的,因此就不可避免的需要對(duì)滑床板進(jìn)行加工。而加工后的滑床板的強(qiáng)度和壽命問(wèn)題就需要進(jìn)行驗(yàn)證。

圖 4顯示的是滑床板的加工部位,即在滑床板底面加工出 2個(gè)淺槽。經(jīng)過(guò)支架固定的加熱片即放在這 2個(gè)槽中。為了驗(yàn)證滑床板能否經(jīng)得起實(shí)際使用中強(qiáng)度和壽命的考驗(yàn)。我們對(duì)滑床板進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 最大應(yīng)力位置的確定

通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真建模,對(duì)滑床板進(jìn)行了有限元分析,見(jiàn)圖 5。計(jì)算結(jié)果顯示圖中箭頭指示位置應(yīng)變最大,與未加工的滑床板的應(yīng)變比例為2.79:1。通過(guò)有限元計(jì)算我們找出了最大應(yīng)變位置,實(shí)驗(yàn)中取此位置貼應(yīng)變片,并知道了加工前后應(yīng)變的大致比例范圍。

圖 4 加工后的滑床板

圖5 滑床板應(yīng)變的有限元分析

實(shí)驗(yàn)中取加工前后的滑床板同一位置貼應(yīng)變片,保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性。

3.2 最大載荷的確定

確定最大應(yīng)力的計(jì)算依據(jù)為: 《TB2034-88鐵路軌道強(qiáng)度檢算法》。采用的計(jì)算模型和其中參數(shù)的選取均出自此標(biāo)準(zhǔn),參數(shù)選取過(guò)程中均以最不利的情況作為計(jì)算條件。滑床板所受動(dòng)壓力與以下參數(shù)有關(guān):作用在鋼軌上的靜輪載;鋼軌支座剛度;軌枕間距;鋼材的彈性模量;鋼軌斷面的慣性矩;輪載到計(jì)算斷面的距離;速度系數(shù)等。分別計(jì)算在以下 2種情況下滑床板所受動(dòng)壓力。

1.軸重 17 t的動(dòng)車(chē)組以 350 km/h速度通過(guò)走行軌為 50 kg/m的道岔時(shí)。

2.軸重 25 t的貨車(chē)車(chē)輛以 120 km/h速度通過(guò)走行軌為 50 kg/m的道岔時(shí)。

作用在鋼軌上的靜輪載分別以客運(yùn) “和諧號(hào)”動(dòng)車(chē)組軸重 17 t和貨運(yùn)重載車(chē)輛軸重 25 t為條件,25 t為目前運(yùn)行車(chē)輛的最大重量;鋼軌支座剛度為常數(shù);軌枕間距取最大砼枕間距,此為最不利條件;鋼材的彈性模量為常數(shù);鋼軌斷面的慣性矩,以 50 kg/m鋼軌為計(jì)算條件,與60 kg/m比較條件更苛刻;輪載到計(jì)算斷面的距離,以 “和諧號(hào)”動(dòng)車(chē)組和重載貨車(chē) C70車(chē)體車(chē)軸間距為計(jì)算依據(jù);速度系數(shù)分別以客運(yùn)速度 350 km/h,貨運(yùn)速度120 km/h為計(jì)算條件,分別為客、貨運(yùn)車(chē)輛開(kāi)行車(chē)輛的最高速度。

通過(guò)計(jì)算可知,軸重17t的動(dòng)車(chē)組以 350 km/h速度通過(guò)道岔時(shí),滑床板所受動(dòng)壓力為 61.0 kN;軸重 25 t的貨車(chē)車(chē)輛以 120 km/h速度通過(guò)道岔時(shí),滑床板所受動(dòng)壓力為 68.3 kN?？紤]最不利情況,取滑床板所受動(dòng)壓力為 68.3 kN。計(jì)算過(guò)程中,所有計(jì)算條件均以最不利的情況設(shè)定。在進(jìn)行滑床板強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí),取 25%的設(shè)計(jì)富余量,最大加載力取 85 kN。

3.3 載荷加載規(guī)律及方式

實(shí)驗(yàn)條件如圖 6所示,滑床板下面墊有鐵路道岔專(zhuān)用橡膠墊板。基礎(chǔ)采用道岔用軌枕,滑床板兩端用螺栓緊固,緊固力均與現(xiàn)場(chǎng)使用條件一致。載荷加載規(guī)律:載荷范圍 0kN～85 kN,每次增加載荷 5 kN,每次加壓后保壓 1min,觀(guān)察應(yīng)變變化規(guī)律 (是否出現(xiàn)屈服),記錄讀數(shù)。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

滑床板靜載實(shí)驗(yàn)結(jié)論:當(dāng)垂向載荷加至 85 kN時(shí),無(wú)開(kāi)槽墊板最大應(yīng)力為 63.34 MPa,開(kāi)兩槽墊板最大應(yīng)力為 150.58 MPa,均未達(dá)到滑床板原材料 Q235的屈服強(qiáng)度 235MPa。

圖 6 滑床板靜載實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中加工與未加工滑床板同一位置應(yīng)力的比例為 2.37:1。驗(yàn)證了前面仿真計(jì)算比例 2.79:1的基本準(zhǔn)確。

實(shí)驗(yàn)中,在加載力為最大動(dòng)載荷 1.25倍時(shí),應(yīng)力的安全余量為 57%。因此可以認(rèn)為加工了淺槽的滑床板仍然滿(mǎn)足目前中國(guó)鐵路客運(yùn)高速和貨運(yùn)重載的需要。

4 結(jié)論

1.與其他加熱形式相比,電加熱單元方式 (即電加熱片)具有加熱速度快、節(jié)能、高效的優(yōu)點(diǎn),是電加熱道岔融雪設(shè)備中較為理想的電加熱方式。

2.經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和強(qiáng)度實(shí)驗(yàn),供電加熱單元安裝使用的加工了淺槽的滑床板仍然滿(mǎn)足目前中國(guó)鐵路客運(yùn)高速和貨運(yùn)重載的需要。

(責(zé)任編輯:張 利)