無(wú)縫線路局部快速降溫分析研究

劉信立

無(wú)縫線路解決了普通線路的許多問(wèn)題，然而，當(dāng)軌溫改變時(shí)，鋼軌不能自由伸縮在內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的溫度力，尤其是在具有初始彎曲矢度地段，將造成局部鋼軌隆起，導(dǎo)致鋼軌溫度力分布不均，一定范圍內(nèi)產(chǎn)生縱向位移和橫向位移，嚴(yán)重時(shí)影響列車的行車安全。

1 研究背景

本文結(jié)合路局工務(wù)段實(shí)踐應(yīng)用的一種快速降溫裝置——快速氣體鋼軌降溫器，利用高壓氣體的熱力學(xué)膨脹原理和節(jié)流膨脹的熱力過(guò)程產(chǎn)生的大制冷量而造成的低溫環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)鋼軌局部快速降溫，該裝置可以根據(jù)降低軌溫的需要進(jìn)行施冷控制，一般在20 min～30 min內(nèi)使鋼軌下降10℃～15℃。

2 建模分析

本文通過(guò)建立無(wú)縫線路局部快速降溫的力學(xué)分析模型，應(yīng)用商業(yè)有限元軟件進(jìn)行鋼軌局部降溫建模，分析研究降溫前后的鋼軌縱向約束力，縱橫向位移的變化對(duì)比分析以及實(shí)施降溫的合理位置。根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)建立有限元模型，每0.6 m為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，使其便于在節(jié)點(diǎn)上施加溫度荷載分析溫度應(yīng)力。每0.6 m設(shè)置扣件單元和道床彈簧—阻尼單元，每個(gè)均視為一個(gè)獨(dú)立的單元體。在軌枕單元?jiǎng)澐謺r(shí)注意了在其和彈簧單元連接處劃分節(jié)點(diǎn)，以保證軌枕單元與彈簧單元的連接。對(duì)Combine39彈簧單元進(jìn)行全約束。鋼軌用ANSYS中的空間桿單元Link8模擬，在耦合場(chǎng)分析中和Link33單元相互轉(zhuǎn)化。

3 參數(shù)選擇

在計(jì)算中，采用我國(guó)Ⅲ型混凝土枕有砟軌道，1 680根/km，采用彈條Ⅱ型扣件，鋼軌為P60焊接長(zhǎng)軌條，扣件縱向阻力大于軌枕在道床中的縱向阻力。因此，在有砟混凝土枕線路中道床縱向阻力為有效阻力。鋼軌與由快速?gòu)?qiáng)制降溫器產(chǎn)生的氣流在制冷空間內(nèi)直接與鋼軌表面進(jìn)行氣—固界面的熱傳遞，產(chǎn)生對(duì)流，對(duì)流系數(shù)為65 kJ/(m2·℃·h)。屏蔽罩長(zhǎng)2 m，工作時(shí)與冷卻器組合在一起，構(gòu)成降溫總有效長(zhǎng)度為6 m。分析時(shí)取0.6 m為一個(gè)鋼軌單元，降溫位置選取為鋼軌有可能發(fā)生因溫度應(yīng)力而發(fā)生漲軌臌曲的中間位置和兩側(cè)位置。

4 計(jì)算結(jié)果分析

假設(shè)初始不平順的形狀對(duì)稱，且以整個(gè)模型進(jìn)行分析，鋼軌兩端都簡(jiǎn)化為固定約束，鋼軌初始彎曲曲線采用正弦曲線，即：

其中，f為初始彎曲矢度;l0為初始彎曲弦長(zhǎng)，取l0=6.248 m，初始彎曲位于模型鋼軌的中部進(jìn)行鋼軌降溫后的溫度力重分布以及鋼軌的縱向位移、橫向位移的分析。

1)在鋼軌有可能發(fā)生臌曲處降溫分析。

降溫中點(diǎn)位于鋼軌初始彎曲的中點(diǎn)，降溫總有效長(zhǎng)度為6.0 m，降溫幅度由60℃降至40℃。經(jīng)計(jì)算得出數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1～圖3。

由圖1～圖3可知，當(dāng)溫度均勻升高至60℃再在初始彎曲矢度局部施加降溫后可知，在鋼軌中間處溫度力減小，但鋼軌縱向位移則在距中間點(diǎn)兩側(cè)3.0 m處由1.43 mm突增至3.1 mm;鋼軌的橫向位移在中間位置由3.90 mm收縮至2.90 mm，但在兩側(cè)3.60 m處即軌道的初始彎曲長(zhǎng)度和降溫器有效長(zhǎng)度重合部分，橫向位移則由2.85 mm伸展到4.00 mm，其他節(jié)點(diǎn)處橫向位移也有少許增加?？梢?jiàn)，在此位置降溫并不能起到減少鋼軌縱、橫位移量的效果，反而促使鋼軌位移進(jìn)一步加大。

2)在鋼軌有可能發(fā)生臌曲兩側(cè)降溫分析。

在其他的軌道結(jié)構(gòu)條件及參數(shù)與分析1)中相同，降溫相對(duì)位置－12 m～－6 m，6 m～12 m，由60℃降至40℃。經(jīng)計(jì)算得出數(shù)據(jù)如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可知，當(dāng)溫度均勻升高至60℃后在臌曲兩側(cè)實(shí)施局部降溫后可知，在降溫器兩側(cè)由于軌溫的降低，局部溫度力明顯減小，鋼軌所受縱向約束力與降溫之前相比，在彎曲矢度開(kāi)始處亦大幅減小;鋼軌縱向位移由彎曲矢度開(kāi)始處即兩側(cè)3 m處由1.42 mm減少到0.81 mm;鋼軌的橫向位移在中間位置則由3.98 mm減少至2.97 mm，在兩側(cè)3.6 m處即軌道的初始彎曲長(zhǎng)度和降溫器開(kāi)始降溫的重合部分，橫向位移則由2.85 mm減少到2.19 mm，其他節(jié)點(diǎn)處橫向位移也有少許減小。

可見(jiàn)，在此位置降溫能一定程度上起到減少鋼軌縱、橫位移量的效果，這也進(jìn)一步證實(shí)了當(dāng)由于不平衡溫度力的作用使得初始彎曲段產(chǎn)生附加拉力時(shí)，會(huì)阻礙軌道框架橫向位移的發(fā)展，有利于軌道的橫向穩(wěn)定性。亦可由此說(shuō)明，在發(fā)生臌曲的兩側(cè)實(shí)施局部降溫，能在一定程度上減少脹軌跑道的可能性，達(dá)到緊急處理的目的。

3)在鋼軌有可能發(fā)生臌曲一側(cè)降溫分析。

在其他的軌道結(jié)構(gòu)條件及參數(shù)與以上兩種工況取值相同，降溫位置選于鋼軌模型中的相對(duì)中點(diǎn)位6 m～12 m處進(jìn)行降溫，降溫幅度由60℃降至40℃。經(jīng)計(jì)算得出數(shù)據(jù)如圖7～圖9所示。

由圖7～圖9可看出，當(dāng)溫度均勻升高至60℃再在臌曲一側(cè)實(shí)施局部降溫后可知，鋼軌所受縱向約束力與降溫之前相比，在降溫一側(cè)結(jié)果和2)中工況情況大體相同，亦能在降溫側(cè)有明顯的效果，但對(duì)臌曲地段橫向位移的影響不是很大，故本文還是建議在工程實(shí)踐中條件允許的情況下，采用兩端同時(shí)進(jìn)行降溫。

5 主要結(jié)論及建議

用快速降溫器在處于初始彎曲矢度中心降溫時(shí)，不能起到減少鋼軌縱、橫位移量的問(wèn)題，反而促使鋼軌位移進(jìn)一步加大，不利于軌道的橫向穩(wěn)定性。降溫位置處于初始彎曲矢度兩側(cè)時(shí)，能一定程度上減少局部溫度力，減少脹軌跑道的可能性，達(dá)到緊急處理的目的。建議在降溫過(guò)程后再予以監(jiān)控，并加強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，選擇合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行線路撥正，強(qiáng)化防脹意識(shí)。

［1］ 郝 瀛.鐵道工程［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2000.

［2］ 龔曙光.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］ 王勖成.有限單元法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［4］ 王 平，劉學(xué)毅.凍結(jié)無(wú)縫線路穩(wěn)定性分析［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，35(5)：460-464.

［5］ 盧耀榮.無(wú)縫線路動(dòng)態(tài)失穩(wěn)特征的分析研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，1993(3)：50-51.