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(jì)咨詢集團(tuán)有限公司軌道工程設(shè)計(jì)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(jì)咨詢集團(tuán)有限公司軌道工程設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)比分析，并對(duì)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(guò)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(shí)或不徹底常常影響道岔的正常使用，影響行車(chē)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(guò)基本軌軌底將其箍于鋼軌。由于鐵路行車(chē)密度大、運(yùn)量高，道岔經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(chē)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(duì)上述問(wèn)題的處理方法主要有兩種，一是對(duì)道岔病害進(jìn)行整治，通過(guò)更換傷損部件保證道岔的正常使用，但這種方法實(shí)施不便，費(fèi)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(jiǎn)單可行，費(fèi)用低，可有效避免卡具損壞，但在鋼軌上鉆孔可能會(huì)對(duì)道岔鋼軌的受力變形產(chǎn)生不利影響。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究多集中于道岔的無(wú)縫化及結(jié)構(gòu)選型，融雪加熱條卡具安裝對(duì)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(shí)體模型，從鋼軌的受力和變形等方面，對(duì)加熱條卡具鉆孔安裝對(duì)道岔的影響及其優(yōu)化措施進(jìn)行研究。

1模型建立及計(jì)算參數(shù)

1.1　整體模型

在道岔荷載的傳遞過(guò)程中，參與傳力作用的主要有鋼軌、扣件、岔枕等部件。以12號(hào)有砟軌道單開(kāi)道岔為例，通過(guò)對(duì)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?jiǎn)卧M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(diǎn)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?？奂M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(zhǎng)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?jiǎn)卧M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(diǎn)劃分單元，可全面考慮各個(gè)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(shí)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(shí)體單元模擬鐵墊板、滑床臺(tái)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(tái)等細(xì)部結(jié)構(gòu)尺寸的影響，能夠計(jì)算鋼軌在溫度、車(chē)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(jì)算鋼軌溫度應(yīng)力時(shí)，鋼軌最大溫度變化幅度取為55 ℃。根據(jù)鐵路運(yùn)營(yíng)的實(shí)際情況，利用細(xì)部模型計(jì)算鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力時(shí)，考慮列車(chē)過(guò)岔速度系數(shù)的影響，車(chē)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(chē)輛荷載作用下，鉆孔與不鉆孔的基本軌受力主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1，鉆孔鋼軌的應(yīng)力分布如圖2所示。由計(jì)算結(jié)果可知，在車(chē)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(duì)鋼軌受力及變形的影響不大。

圖2　鉆孔鋼軌應(yīng)力分布

計(jì)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(shí)，加熱條附近的鋼軌軌溫會(huì)發(fā)生較大的變化，影響鉆孔處的鋼軌應(yīng)力。考慮鋼軌的熱傳導(dǎo)作用，基本軌的應(yīng)力分布結(jié)果如圖3所示。根據(jù)計(jì)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(chē)輛荷載、溫度荷載、制動(dòng)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(jì)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(guò)調(diào)整螺栓孔直徑及螺栓孔間距，對(duì)道岔鋼軌加熱條卡具的不同安裝方案進(jìn)行對(duì)比研究。道岔鋼軌加熱條卡具的不同安裝方案見(jiàn)表2，計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

表2　加熱條卡具安裝方案

表3　不同方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由計(jì)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(shí)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(duì)道岔鋼軌加熱條卡具安裝方案進(jìn)行了理論分析計(jì)算，并對(duì)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(duì)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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中圖分類(lèi)號(hào)：U213.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)04-0110-03

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)躺衤?1985—)，男，工學(xué)博士，工程師。

收稿日期：2015-03-16