无缝线路局部快速降温分析研究

刘信立

无缝线路解决了普通线路的许多问题，然而，当轨温改变时，钢轨不能自由伸缩在内部会产生巨大的温度力，尤其是在具有初始弯曲矢度地段，将造成局部钢轨隆起，导致钢轨温度力分布不均，一定范围内产生纵向位移和横向位移，严重时影响列车的行车安全。

1 研究背景

本文结合路局工务段实践应用的一种快速降温装置——快速气体钢轨降温器，利用高压气体的热力学膨胀原理和节流膨胀的热力过程产生的大制冷量而造成的低温环境，以实现钢轨局部快速降温，该装置可以根据降低轨温的需要进行施冷控制，一般在20 min～30 min内使钢轨下降10℃～15℃。

2 建模分析

本文通过建立无缝线路局部快速降温的力学分析模型，应用商业有限元软件进行钢轨局部降温建模，分析研究降温前后的钢轨纵向约束力，纵横向位移的变化对比分析以及实施降温的合理位置。根据轨道结构的实际受力状态建立有限元模型，每0.6 m为一个节点，使其便于在节点上施加温度荷载分析温度应力。每0.6 m设置扣件单元和道床弹簧—阻尼单元，每个均视为一个独立的单元体。在轨枕单元划分时注意了在其和弹簧单元连接处划分节点，以保证轨枕单元与弹簧单元的连接。对Combine39弹簧单元进行全约束。钢轨用ANSYS中的空间杆单元Link8模拟，在耦合场分析中和Link33单元相互转化。

3 参数选择

在计算中，采用我国Ⅲ型混凝土枕有砟轨道，1 680根/km，采用弹条Ⅱ型扣件，钢轨为P60焊接长轨条，扣件纵向阻力大于轨枕在道床中的纵向阻力。因此，在有砟混凝土枕线路中道床纵向阻力为有效阻力。钢轨与由快速强制降温器产生的气流在制冷空间内直接与钢轨表面进行气—固界面的热传递，产生对流，对流系数为65 kJ/(m2·℃·h)。屏蔽罩长2 m，工作时与冷却器组合在一起，构成降温总有效长度为6 m。分析时取0.6 m为一个钢轨单元，降温位置选取为钢轨有可能发生因温度应力而发生涨轨臌曲的中间位置和两侧位置。

4 计算结果分析

假设初始不平顺的形状对称，且以整个模型进行分析，钢轨两端都简化为固定约束，钢轨初始弯曲曲线采用正弦曲线，即：

其中，f为初始弯曲矢度;l0为初始弯曲弦长，取l0=6.248 m，初始弯曲位于模型钢轨的中部进行钢轨降温后的温度力重分布以及钢轨的纵向位移、横向位移的分析。

1)在钢轨有可能发生臌曲处降温分析。

降温中点位于钢轨初始弯曲的中点，降温总有效长度为6.0 m，降温幅度由60℃降至40℃。经计算得出数据见图1～图3。

由图1～图3可知，当温度均匀升高至60℃再在初始弯曲矢度局部施加降温后可知，在钢轨中间处温度力减小，但钢轨纵向位移则在距中间点两侧3.0 m处由1.43 mm突增至3.1 mm;钢轨的横向位移在中间位置由3.90 mm收缩至2.90 mm，但在两侧3.60 m处即轨道的初始弯曲长度和降温器有效长度重合部分，横向位移则由2.85 mm伸展到4.00 mm，其他节点处横向位移也有少许增加。可见，在此位置降温并不能起到减少钢轨纵、横位移量的效果，反而促使钢轨位移进一步加大。

2)在钢轨有可能发生臌曲两侧降温分析。

在其他的轨道结构条件及参数与分析1)中相同，降温相对位置－12 m～－6 m，6 m～12 m，由60℃降至40℃。经计算得出数据如图4～图6所示。

由图4～图6可知，当温度均匀升高至60℃后在臌曲两侧实施局部降温后可知，在降温器两侧由于轨温的降低，局部温度力明显减小，钢轨所受纵向约束力与降温之前相比，在弯曲矢度开始处亦大幅减小;钢轨纵向位移由弯曲矢度开始处即两侧3 m处由1.42 mm减少到0.81 mm;钢轨的横向位移在中间位置则由3.98 mm减少至2.97 mm，在两侧3.6 m处即轨道的初始弯曲长度和降温器开始降温的重合部分，横向位移则由2.85 mm减少到2.19 mm，其他节点处横向位移也有少许减小。

可见，在此位置降温能一定程度上起到减少钢轨纵、横位移量的效果，这也进一步证实了当由于不平衡温度力的作用使得初始弯曲段产生附加拉力时，会阻碍轨道框架横向位移的发展，有利于轨道的横向稳定性。亦可由此说明，在发生臌曲的两侧实施局部降温，能在一定程度上减少胀轨跑道的可能性，达到紧急处理的目的。

3)在钢轨有可能发生臌曲一侧降温分析。

在其他的轨道结构条件及参数与以上两种工况取值相同，降温位置选于钢轨模型中的相对中点位6 m～12 m处进行降温，降温幅度由60℃降至40℃。经计算得出数据如图7～图9所示。

由图7～图9可看出，当温度均匀升高至60℃再在臌曲一侧实施局部降温后可知，钢轨所受纵向约束力与降温之前相比，在降温一侧结果和2)中工况情况大体相同，亦能在降温侧有明显的效果，但对臌曲地段横向位移的影响不是很大，故本文还是建议在工程实践中条件允许的情况下，采用两端同时进行降温。

5 主要结论及建议

用快速降温器在处于初始弯曲矢度中心降温时，不能起到减少钢轨纵、横位移量的问题，反而促使钢轨位移进一步加大，不利于轨道的横向稳定性。降温位置处于初始弯曲矢度两侧时，能一定程度上减少局部温度力，减少胀轨跑道的可能性，达到紧急处理的目的。建议在降温过程后再予以监控，并加强轨道结构强度，选择合适的时机进行线路拨正，强化防胀意识。

［1］ 郝 瀛.铁道工程［M］.北京：中国铁道出版社，2000.

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